[发明专利]轴流压气机拟S1流面反问题设计方法

说明书

本发明提供了一种轴流压气机拟S1流面反问题设计方法，选定轴流压气机叶片，计算上下型线的坐标，进行拟S1流面的构造，获得流场流动情况以及流动参数分布，通过参数化方法，得到新的载荷分布曲线，计算拟S1流面中弧面虚拟移动速度及相应的虚拟位移，更新网格计算域边界及内部网格节点坐标，对压气机叶片进行至少五个多设计截面的拟S1流面反问题设计，将反问题计算得到满足目标载荷的各设计截面的叶型几何，通过几何积叠生成新的全叶高压气机叶片几何构型，再通过全三维粘性正问题计算验证新的压气机叶片气动性能。本发明通过自主给定拟S1流面载荷分布，对初始叶片进行反问题改型设计，最终得到满足目标载荷分布的新的叶片几何构型。

技术领域

本发明涉及单/多叶片排/多级风扇/压气机气动设计，特别是一种拟S1流面反问题叶片的设计方法。

背景技术

众所周知，压气机部件性能对航空发动机总体性能起着决定性作用。轴流压气机作为航空发动机中最具挑战性的设计部件之一，气流在其复杂几何边界条件内部的流动呈现出明显的三维粘性特征和非定常性；除此之外，在超/跨声速压气机中，激波的存在会导致气流的强逆压梯度，进而容易诱发流动分离，再加上激波/附面层的相互作用，使得气流在压气机内部的流动更加复杂；高速旋转的压气机在运行过程中难免会出现结构不稳定、结构过度变形和气动失速、喘振等不稳定现象，这使得气流在压气机内部的流动变得极其复杂，为压气机的设计带来了严峻的挑战。

如何通过新设计方法/新设计手段不断提升压气机气动性能一直是设计人员的不懈追求，当代高性能压气机要求压气机用尽可能少的级数实现更高的压比，以减小发动机整体的重量；要求压气机能够实现更宽广的稳定工作范围，以适应各种飞行条件；要求压气机具有更高的热力效率，以实现更高的能量转换率，这些要求均促使压气机气动设计方法不断革新。

轴流压气机经过一个多世纪的发展，已经形成较为系统的两种设计方法：正问题设计方法和反问题设计方法。当前成熟的压气机设计体系是以正问题设计为主要方法，通过一维平均半径设计、二维轴对称通流设计以及三维性能分析和优化设计完成整个压气机叶片初始设计和流场分析。如果该流场结构不满足设计要求，需要不断调整初始叶型的几何构型，反复求解其流场中参数的分布情况，直到达到设计目标。在这个过程中，重复步骤多，设计周期长，效率较低。

反问题设计方法是一种典型的叶型设计方法，与传统正问题方法的反复迭代过程不同的是，在应用CFD技术(通过求解流域中控制方程得到流场细节分布，主要起到求解器的作用。)对给定的原始叶型进行数值模拟，得到流场参数分布之后，设计人员可以按照设计意图修改流场中气动参数(等熵马赫数、静压、载荷、速度等)的分布，将这些气动参数分布作为设计变量，输入求解器中开始进行反问题设计计算，求解得到满足上述设计意图的叶型。相比较正问题的重复计算流场，反问题设计方法通过给定和控制叶片表面气动参数分布，将目标气动性能与等熵马赫数分布或压力分布直观地联系在一起，可以直接解出满足设计目标的叶片几何构型，整个设计过程目的性更强，设计流程得到简化，设计效率有效提升。

文献[1](刘昭威,吴虎,唐晓毅.跨声速轴流压气机转子反问题优化方法[J].推进技术,2015,36(09):1309-1316.)基于反问题设计方法计算叶栅激波损失控制，文献[2](刘昭威,吴虎,唐晓毅.跨声速轴流压气机多叶排反问题优化方法[J].西北工业大学学报,2016,34(01):118-124.)是一种声速轴流压气机多叶排反问题优化方法，文献[3](梁言,吴虎,刘昭威.多级环境下轴流压气机反方法改型设计[J].航空动力学报,2018,33(01):201-208.)是在多级环境下轴流压气机反方法进行改型设计。其中文献[1]给出了全三维粘性反问题设计理论与具体的方法步骤，并将其应用于跨声速轴流压气机转子改型设计中；文献[2]、[3]进一步拓展反问题设计方法应用范围到压气机多叶排以及多级设计中。