多级压气机一维气动方案优化筛选方法研究 陈军梁

收稿日期:2005-03-03; 修订日期:2005-08-08作者简介:尉 涵(1979-),女,山西永济人,清华大学硕士研究生.文章编号:1001-2060(2005)06-0603-04轴流压气机多叶片排的气动优化设计尉 涵,袁 新(清华大学热能工程系,北京100084)摘 要:对某多级轴流压气机前三排叶片径向积叠方案进行了气动优化。

该方案以商用软件iSIGHT作为平台,利用试验设计方法对整个搜索空间进行初步探索,采用逐次序列二次规划算法进行局部寻优,利用商业软件NUMECA进行粘性流场数值评估。

对压气机全工况性能的计算表明,在流量和压比不减少的情况下,优化后的叶型设计工况和非设计工况性能均得到了改善。

关键词:轴流压气机;叶片;DOE;SQP;优化中图分类号:TK263.3 文献标识码:A1 引 言为了提高燃气轮机气动效率、做功能力以及扩大稳定工作范围,要求压气机具有更高的压比和效率。

这就需要不断提高压气机叶型的设计水平,研究压气机新叶型成型技术,以满足压气机气动设计的需要。

随着计算技术的飞速发展,应用计算流体动力学(CFD)已经可以深刻了解、分析流体机械内部的流动状况。

在使用C FD方法对流体机械内部流场进行数值模拟的基础上,人们提出数值设计方法,将数值优化技术与正问题流场计算相结合,由数学过程替代设计人员经验来控制设计参数的修改方向,就构成了叶型气动优化设计方法[1~3]。

一个完整的气动优化设计系统通常包括3个部分:参数化造型系统、评价系统和优化策略。

参数化造型是优化设计系统的基础,需要对优化的对象(即叶轮机械的通流部分)进行建模,并且为优化设计提供设计变量;评价系统的任务是通过某种方法对设计方案的性能做出评估,目前通常是由CFD方法精确求解正问题,获得通流部分的流场数据;优化策略的作用是用尽可能少的计算时间,找到最优的设计方案。

叶轮机械的设计问题即围绕这3个部分进行展开。

2 叶片参数化造型技术叶轮机械叶片弯扭联合设计是现代动力机械行业常用的叶片造型方法[4],它通过叶片的弯曲、扭转来控制叶片积叠线的形状。

压气机叶型气动优化设计研究
邓文剑;楚武利;张皓光;高鹏
【期刊名称】《流体机械》
【年(卷),期】2007(035)003
【摘要】以clark-y叶型为研究对象,选择其升阻比作为优化目标函数,采用响应面优化设计方法对其进行优化设计.首先用B样条曲线结合响应面优化方法对clark-y 原始叶型进行拟合;然后利用均匀实验设计方法建立计算实验样本点分布表,用商用软件进行各样本点的CFD计算,最后建立响应面优化模型,对其进行优化设计,得到了升阻比比原始叶型升阻比高22%的优化叶型.
【总页数】4页(P25-28)
【作者】邓文剑;楚武利;张皓光;高鹏
【作者单位】西北工业大学,陕西西安,710072;西北工业大学,陕西西安,710072;西北工业大学,陕西西安,710072;西北工业大学,陕西西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】TH45
【相关文献】
1.压气机叶片多工况气动优化设计研究 [J], 孙晓东;韩万金
2.跨声速压气机转子多目标气动优化设计研究 [J], 孙晓东;韩万金
3.多级压气机叶型气动力学：II.叶型附面层分析 [J], 王定勇;潘宇
4.多级压气机中可控扩散叶型研究的进展与展望第二部分可控扩散叶型的实验与数值模拟 [J], 王会社;钟兢军;王仲奇
5.多级压气机中可控扩散叶型研究的进展与展望第一部分可控扩散叶型的设计与发展 [J], 钟兢军;王会社;王仲奇
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用于跨音速多级轴流压气机气动性能模拟的准一维程序姜津;李心祉;杜文海【期刊名称】《汽轮机技术》【年(卷),期】2018(060)002【摘要】发展了一种能够较为准确预测跨音速多级轴流压气机气动性能的准一维数学模型.该模型基于欧拉方程外加源项的方法,可对多级轴流压气机的气动性能进行数值模拟.方程中的源项用于表示叶片、壁面摩擦以及流道面积变化对气流的影响,可以通过求解叶片排的进出口速度三角形求得.通过对跨音速压气机内部复杂的三维流动现象进行了简化,发展了合适的损失系数和落后角模型用来计算得到叶片排出口参数.对两种不同的多级跨音速压气机进行了数值模拟并与实验结果进行了对比,验证了本模型能够较为准确地模拟出跨音速轴流压气机的气动性能,但计算的精确度还需要根据不同的压气机类型对经验公式的系数进行优化.发展的模型根据压气机简单的几何尺寸就能对其气动性能做出较为准确的预测,这在压气机的预设计以及优化阶段有着重要的指导作用.【总页数】4页(P95-98)【作者】姜津;李心祉;杜文海【作者单位】北京石油化工学院机械学院,北京102617;北京石油化工学院机械学院,北京102617;北京石油化工学院机械学院,北京102617【正文语种】中文【中图分类】V231.3【相关文献】1.一维多级轴流压气机性能的解析优化 [J], 罗俊;陈林根;孙丰瑞;倪宁2.基于DOE的多级轴流压气机气动优化设计 [J], 张锦川;王云;张璨3.小流量多级轴流压气机气动性能的数值分析 [J], 赵斌;周进;朱玲;邹学奇;杨晶晶4.某型多级轴流压气机三维CFD流场分析及气动优化 [J], 王辅方;赵连会;何磊;张玫宝5.多级轴流压气机气动特性优化 [J], 陈江;季路成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810959027.1(22)申请日 2018.08.22(71)申请人 西北工业大学地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人 侯朝山　杨晨　吴虎　梁言　刘昭威　(74)专利代理机构 西北工业大学专利中心61204代理人 金凤(51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)(54)发明名称一种轴流压气机全三维级间气动匹配优化方法(57)摘要本发明提供了一种轴流压气机全三维级间气动匹配优化方法，对给定的轴流压气机叶片几何，采用RANS方法，进行全三维粘性内流场数值模拟，根据数值模拟结果，构造静叶各设计截面设计目标载荷，对于转子，计算得到动叶设计截面目标载荷分布，给定出口流量边界条件，保证优化前后流量不变，即达到最终完成压气机整体级间匹配改型设计的目的。

本发明可对轴流压气机静子出口旋流角分布及转子压比分布在全三维环境下同时完成定量设计，从而可对轴流压气机转子及静子同时完成改型，突破了传统轴流压气机气动匹配改型技术不可同时对动、静叶进行匹配改型的局限，得到较为理想的气动匹配效果。

权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 109165440 A 2019.01.08C N 109165440A1.一种轴流压气机全三维级间气动匹配优化方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：已知全三维轴流压气机叶片空间几何构型坐标，称其为初始叶片几何，给定其进口总温T0，进口总压P0，进口气流角α及出口背压p，对给定的轴流压气机叶片几何，采用数值求解雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)方法，空间离散采用基于网格体中心的JST格式，时间推进采用混合显示Rugge-Kutta时间推进格式，湍流模型采用B-L代数湍流模型，进行全三维粘性内流场数值模拟，得到其初始叶片几何流场数值模拟结果，沿空间展向位置，分别对转子及静子选取叶高展向高度与叶高高度比分别为0％，10％，70％及100％的四个空间展向位置作为设计叶高截面，在各设计叶高截面上，沿轴向位置将叶片等分为40-50等份，对于转子及静子，分别计算其四个设计截面上的叶型厚度分布δ，如式(1)所示：δ＝|P+-P-| (1)其中，P+为叶片吸力面空间坐标，P-为叶片压力面空间坐标；采用公式(2)计算得到动叶或静叶设计截面叶片中弧线的改型虚拟位移；首先对于静叶，采用式(2)计算得到其中弧线改型虚拟位移v n：式中，Δp sp为设计人员在设计之初需给定的动叶或静叶叶片表面设计目标载荷，p+为动叶或静叶吸力面数值模拟得到的静压，p-为动叶或静叶压力面数值模拟得到的静压，ρ+和ρ-分别为动叶或静叶吸、压力面数值模拟得到的密度，c+和c-分别为动叶或静叶吸、压力面数值模拟得到的声速，Δt为虚拟时间步长，取1e-5-1e-6；步骤2：完成静叶初始几何内流场数值模拟后，根据数值模拟结果，构造静叶各设计截面设计目标载荷，完成静叶设计目标载荷Δp sp构造后，将设计目标载荷Δp sp带入公式(2)，计算得到静叶中弧线改型虚拟位移，其中，静叶各设计截面设计目标载荷分布的构造方法如下：给定叶片前缘点和尾缘点的设计目标载荷均为0，步骤1中采用解RANS方程的数值模拟方法，已得到初始叶片几何各位置处的载荷，故对步骤1中所选定的四个设计叶高截面，以10％初始叶片几何轴向位置处数值模拟得到的载荷、给定的前缘点载荷及给定的尾缘点载荷作为构造基点，采用样条函数构造得到步骤1中所选定的各设计叶高截面的各轴向位置处的目标载荷，得到目标载荷后，采用复化梯形数值求积方法计算设计目标载荷分布沿轴向的积分，并与初始叶片几何载荷分布沿轴向的积分做对比，若设计目标载荷分布积分大于初始叶片几何载荷分布沿轴向积分，则对设计目标载荷分布上各点的载荷数值进行缩小，直至设计目标载荷积分与初始叶片几何载荷分布沿轴向积分相等；若设计目标载荷分布积分小于初始叶片几何载荷分布沿轴向积分，则对设计目标载荷分布上各点的载荷数值进行放大，直至设计目标载荷积分与初始叶片几何载荷分布沿轴向积分相等，通过上述调整设计目标载荷积分大小的手段，保证静子出口旋流角保持不变，调整得到设计目标载荷分布后，采用式(2)计算得到各设计截面中弧线虚拟位移，在叶片各设计截面初始中弧线坐标的基础上，叠加计算得到的中弧线改型虚拟位移，得到更新的中弧线空间位置坐标，之后在中弧线上叠加静叶设计截面厚度分布，得到更新的静子设计截面叶型，完成静子各设计截面几何改型；步骤3：对于转子，根据步骤(1)中数值模拟所得结果，保证0％、70％及100％叶高位置处压比不变，调整10％设计截面数值模拟所得的压比，使其与70％设计截面压比相等，之后根据0％，10％，70％，100％四个叶高位置处的压比，采用分段线性插值构造动叶设计压比曲线分布，得到各设计截面设计压比，计算各设计截面设计压比的算数平均值；在步骤1中已采用数值模拟方法得到了初始叶片内流场的各种流场参数，提取初始叶片几何模拟结果中各设计截面压比的算数平均值，并与所构造的设计压比算数平均值对比，若设计压比算数平均值大于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值，则对各设计截面设计压比数值进行缩小，直到设计压比算数平均值等于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值；若设计压比算数平均值小于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值，则对各设计截面设计压比数值进行放大，直到设计压比算数平均值等于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值，采用上述调整设计压比分布的手段，保证优化前后压气机压比不变，完成动叶设计压比分布调整后，根据公式(3)计算得到动叶设计截面目标载荷分布：式中，Δp sp为叶片表面目标载荷，G为动叶流量，C p为空气定压比热容，T1*为动叶进口总温，ω为动叶转动角速度，η*为动叶绝热效率，Δp i为动叶表面实际载荷，Aθi为动叶中弧线切向投影面积，πcsp*为动叶设计压比，πc*为动叶实际压比，k为比热比常数，取1.4；LE和TE分别代表叶片的前、后缘，r i为设计截面展向高度坐标；根据式(3)求得动叶各设计截面目标载荷分布，之后根据式(2)求得动叶各设计截面中弧线虚拟位移，与步骤(2)中得到静叶最终叶型的方法相同，在动叶各设计截面原始中弧线空间位置坐标的基础上，叠加中弧线虚拟位移，更新得到改型动叶中弧线空间位置坐标，之后在更新得到的动叶中弧线上叠加动叶设计截面厚度分布，得到更新的动叶设计截面叶型，完成动叶各设计截面几何改型；步骤4：给定出口流量边界条件，保证优化前后流量不变，出口流量边界条件给定如下：由式(4)可知，通过实际计算流量m actual和规定设计流量m imposed的差距，在初始背压p b old 的基础上，自动完成出口背压p b new的调节，最终满足流量设计要求，式中ω为调节松弛因子；按照上述四个步骤，分别完成静叶和动叶的气动匹配改型，即达到最终完成压气机整体级间匹配改型设计的目的。

基于多目标遗传算法的多级轴流压气机优化设计
丁伟;刘波;曹志鹏;陈云永
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2006(27)3
【摘要】建立了一种多级轴流压气机的多目标优化设计方法。

采用流线曲率法计算压气机气动性能,结合多目标遗传算法来进行性能参数优化。

针对一台两级轴流压气机,选定优化设计的目标是最大的总压比和最高的总绝热效率。

将转子尾缘的稠度和相对气流角以及静子尾缘的稠度和气流角作为设计变量。

通过优化设计得到一组在两个目标上均优于初始设计的Pareto最优解,对典型的Pareto最优解和初始设计进行分析、比较,证明了该优化设计方法的有效性。

【总页数】4页(P230-233)
【关键词】轴流压气机;多目标遗传算法^+;流线曲率法^+
【作者】丁伟;刘波;曹志鹏;陈云永
【作者单位】西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】V235.111
【相关文献】
1.基于DOE的多级轴流压气机气动优化设计 [J], 张锦川;王云;张璨
2.多级轴流压气机静子三维造型优化设计 [J], 米攀;李清华;安利平
3.基于CDA的多级轴流压气机优化设计研究 [J], 王建丰;孔庆毅;崔宝;万杰;刘娇
4.基于Matlab的多级轴流式压气机气动设计 [J], 王军;王录;姚姗姗
5.多级轴流压气机三维数值优化设计 [J], 刘晓嘉;宁方飞
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多级燃气涡轮的多目标优化方法
陈林根;曹跃云
【期刊名称】《航空学报》
【年(卷),期】1993(000)012
【摘要】将多级燃气涡轮的设计问题表述为其空气动力学损失和质量为极小目标的多目标非线性数学规划问题，求优中考虑了多种气动与机械约束条件，采用Ｃｒａｉｇ－Ｃｏｘ模型计算气动损失，给出了有关数值算例。

【总页数】1页(P653)
【作者】陈林根;曹跃云
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】V235.1
【相关文献】
1.多级轴流燃气涡轮几何和气动参数的最佳选择 [J], 陈林根
2.水下航行器燃气涡轮动力系统的多目标函数优化 [J], 钱志博;曹伟
3.传统多目标优化方法和多目标遗传算法的比较综述 [J], 马小姝;李宇龙;严浪
4.基于改进粒子群的多级储备物资配送方案优化方法 [J], 都东;田尧;王戈
5.多级燃气涡轮的最优设计 [J], 陈林根;彭义恒;龚建政
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小流量多级轴流压气机气动性能的数值分析赵斌;周进;朱玲;邹学奇;杨晶晶【摘要】Taking the aerodynamic design of an 8-stage axial compressor with a small flow rate as the re-search object, its aerodynamic performance at the design speed was calculated by using a three-dimension-al viscous numerical simulation, and comparison analysis between numerical results and the design plan was performed. The numerical studies show that the mass flow, total pressure ratio and the efficiency at de-sign point have failed to meet their design goal. The design and match of the first 4 stages are the main rea-sons for the low mass flow, while that of the last 4 stages are the main cause for the low total pressure ratio. The stage match well is essential to the performance of a multi-stage axial compressor and requires further analysis and improvement.%以某小流量8级轴流压气机的气动设计方案为研究对象，采用三维粘性数值模拟方法进行了设计转速的气动性能计算，并将数值结果与设计方案进行了深入的对比分析。

第２９卷第２期２００８年２月工程热物理学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＨＥＲＭＯＰＨＹＳＩＣＳＶ０１．２９，Ｎｏ．２Ｆｅｂ．，２００８全工况性能优化在压气机多级环境中的应用陈志鹏袁新（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京１０００８４）摘要本文建立了轴流式压气机叶片气动优化设计系统，选择ＮＵＲＢＳ作为二维叶型和三维弯扭联合造型的主要方法，采用组合优化策略，对压气机全工况性能进行优化．优化过程采用了变复杂度模型，结合并行计算，大大减少了优化设计周期．优化后，全工况范围内效率得到了提升，同时流量范围有所增大，设计工况点效率提高０．７％，前三排叶片的喘振裕度比优化前提高了７．９％，扩大了稳定工作范围．关键词轴流式压气机；全工况性能；ＮＵＲＢＳ；变复杂度模型；优化中图分类号，ＴＫｌ２４文献标识码，Ａ文章编号・０２５３－２３１Ｘ（２００８）０２－－０２２１－－０４ＡＥＲｏＤＹＮＡＭＩＣＳｏＰＴＩＭＵＭＤＥＳＩＧＮｏＦＣｏＭＰＲＥＳＳｏＲＢＬＡＤＥＳＢＡＳＥＤＯＮＮＵＭＥＲＩＣＡＬｏＶＥＲＡＬＬＰＥＲＦｏＲＭＡＮＣＥＣＡＬＣＵＬｊ轴［ＩＩＯＮＣＨＥＮＺｈｉ－ＰｅｎｇＹＵＡＮＸｉｎ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＴｈｅｒｍａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖ．，Ｂｅｉｆｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＥｓｔａｂｌｉｓｈａｎａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｉＳＩＧＨＴ．Ｔｈｅ２一ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｏ－ｆｉｌｅｄｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｓｔａｃｋｉｎｇｌｉｎｅｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｂｌａｄｅｓｗｅｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｂｙＮＵＲＢＳ．ＡｃｏｍｂｉｎｅｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｂｌａｄｅｓＷａｓｄｏｎｅｂａｓｅｄｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｏｖｅｒａｌｌｐｅｒｋ＇ｒｍａｎｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｈａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ０．７％，ａｎｄｔｈｅｓｔａｌｌｍａｒｇｉｎｈａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ７．９％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｏｖｅｒａｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ＮＵＲＢＳ；ｖａｒｉａｂｌｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｍｏｄｅｌ；ｏｐｔｉｍｉｚａ－ｔｉｏｎ１引言压气机作为现代发动机的核心部件，在气动设计时需要满足高压比、高通流能力、高效率的要求。