[发明专利]一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法

权利要求书

1.一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，其特征是：

(1)一维设计：一维反问题通流设计通过设计条件、进出口气流条件以及几何条件的输入，计算得到压气机的初始设计方案；一维正问题特性计算分析在获得压气机中间截面基元级几何参数的基础上，采用基于级叠加法的HARKIA算法进行压气机在不同转速情况下的特性计算；

(2)二维设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的通流气动参数沿叶高方向的二维展向扭曲规律设计，使用一维反问题设计获得的平均中径参数结合选取的扭曲规律，对径向平衡方程进行求解，获得压气机沿叶高方向不同截面位置的环量分布；

(3)准三维设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S2流面反问题通流设计，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，以一维反问题设计与二维展向扭曲规律设计结果作为输入，同时给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的分布情况，采用流线曲率法进行反问题求解，获得多级压气机各列动、静叶片排沿径向的气动参数分布；

(4)叶片造型设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的攻角与落后角计算、二维基元叶型设计、三维叶片设计，在S2流面的反问题通流设计结果基础上，根据压气机不同空间位置的来流环境与负荷情况，选择叶型并计算其最小损失攻角与落后角，获得多级压气机各列动、静叶片排沿叶高方向不同截面位置的叶片造型参数，完成各截面的基元叶型设计；在此基础上，根据设计需要，选取展向积叠方式与积叠线控制方法，进行各列动、静叶片的三维设计，完成叶片造型；

若步骤(4)是在一型多级轴流压气机设计过程中首次进行，则跳至步骤(6)，进行三维CFD计算，通过三维计算后处理对损失预测模型进行初始化；若已经进行过步骤(6)的三维计算，则损失预测模型的初始化工作已经完成，可继续进行步骤(5)的准三维分析环节；

(5)准三维分析：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S1、S2流面正问题特性计算分析，在生成叶片几何之后，结合气动参数和计算工况的边界条件，利用损失预测模型获得叶片径向总压恢复系数分布；基于该总压恢复系数分布进行准三维正问题计算，得到相应工况下的压气机性能参数；根据计算得到的压气机性能，判断是否对叶片进行重新调整设计；

若准三维计算结果满足设计要求，则继续进行步骤(5)的全三维CFD计算分析；若计算结果不满足设计要求，则返回步骤(2)进行设计优化；

(6)全三维分析：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的全三维CFD数值仿真分析，根据设计获得的叶型几何数据和边界条件，进行全三维CFD计算分析，若计算得到的压气机性能满足设计要求，当前压气机气动设计方案为最终设计方案；若计算结果不满足设计要求，则进行步骤(7)；

(7)协同设计：进行不同维度之间的设计数据传递与模型修正，在完成步骤(6)中的三维CFD计算后，得到压气机内部气动参数的径向分布结果，通过维度缩放，将各列叶片端区信息反馈至损失预测模型中进行基础损失模型的修正，完成损失预测模型的初始化；

(8)通过协同设计，实现步骤(1)-(7)的反复迭代，获得最终满足设计指标要求的船舶燃气轮机多级轴流压气机气动设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，其特征是：准三维分析中，采用三维CFD计算得到的压气机各列叶片端区信息进行传统基础损失模型的修正，得到损失预测模型，使基于损失模型的准三维性能预测结果更贴近CFD计算结果，通过修正后的损失模型可以快速准确地进行压气机的性能预测，极大地节约了传统压气机气动设计过程中在三维CFD计算中所消耗的时间，缩短了设计周期。

3.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，其特征是：协同设计步骤中，采用的修正方法为通过控制关键点位置以及关键点处的控制系数对原模型和CFD计算结果进行仿射变换，使原模型的预测结果仿射变换后贴近CFD计算结果，具体如下：

通过运用两条曲线仿射变换的思想，通过控制变换系数也就是修正因子和缩放系数的方法，将原模型的损失系数曲线向CFD损失曲线调整，得到新的损失模型；

对于动叶：

式中，为动叶总压损失系数，σ_R为动叶稠度，β₂为动叶出口相对气流角，D_R为动叶扩压因子，为动叶出口特征半径，a为动叶端区动态缩放控制系数，k_R1、k_R2分别是两段曲线的修正因子，计算公式如下：

上式中c_R1、c_R2、c_R3分别是动叶总压损失曲线两段曲线的三个控制点的径向缩放系数，设置好动叶的三个径向缩放系数和端区缩放控制系数，得到与CFD计算结果贴近的动叶总压损失曲线；

对于静叶：

式中，为静叶总压损失系数，σ_S为静叶稠度，α₃为静叶出口气流角，D_S为静叶扩压因子，为静叶出口特征半径，b为静叶叶顶端区动态缩放控制系数，c为静叶叶根端区动态缩放控制系数，k_S1、k_S2、k_S3分别是三段曲线的修正因子，计算公式如下：

上式中c_S1、c_S2、c_S3、c_S4分别是静叶总压损失曲线三段曲线的四个控制点位置的径向缩放系数，设置好静叶的四个径向缩放系数和两个端区缩放控制系数，得到与CFD计算结果贴近的静叶总压损失曲线。