[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

说明书

本发明的目的在于提供一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，通过一维设计与分析、二维设计、准三维设计、叶片造型设计、准三维分析、全三维分析与协同设计等环节的反复迭代，获得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。本发明具有跨维度设计的特点，可以将不同维度的设计参数交互使用，只需要进行次数较少的三维CFD计算来初始化损失模型，在完成损失模型的初始化工作后，无需经过三维CFD计算就可以在准三维设计阶段得到压气机的损失与性能参数信息，借此可以快速完成高质量的压气机气动设计方案，节省了大量的计算时间，有效缩短了设计周期，非常适合工程设计应用。

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是压气机设计方法。

背景技术

压气机作为船舶燃气轮机最为重要的三大核心部件之一，其性能优劣直接影响着船舶燃气轮机的经济性指标的实现。随着船舶燃气轮机性能指标的不断提升，现代船舶燃气轮机压气机正向着高压比、高效率、大喘振裕度的方向发展。未来船舶燃气轮机压气机必须在全工况范围内具备高效率与高稳定工作范围的优秀性能，才能满足未来船舶燃气轮机性能指标的日益提升，这就对压气机的气动设计提出了更高的要求。

国外船舶燃气轮机的研发历程表明，压气机气动设计技术在船舶燃机的自主研发和改型中首当其冲，是首要解决的关键技术和难点课题。另一方面，船舶燃气轮机要在保证设计点性能的同时，特别强调在宽工况范围内的宽裕度高效运行。这种大范围变工况下的运行特点，大大增加了船舶燃气轮机压气机的气动设计难度。目前传统的压气机气动设计手段与通常的压气机气动设计思想已经无法很好地支撑未来新一代船舶燃气轮机压气机的研发设计。为此，必须探索和发展基于新设计思想与方法的先进压气机气动设计技术及手段，来应对船舶燃气轮机运行模式对压气机气动设计提出的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供解决船舶燃气轮机多级轴流压气机的气动设计问题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。

本发明的目的是这样实现的：

本发明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；