[发明专利]一种轴流压气机负荷定制化气动优化方法

权利要求书

1.一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：

(1)确定气动优化设计目标：明确气动优化中需要保持的通流结构继承程度，即最大程度维持轴流压气机原有的通流结构几何约束不变，在此基础上提出轴流压气机气动优化的设计指标；

确定优化设计指标后，采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为空间负荷控制参数，具体如下：

流量系数：表征多级轴流压气机各级通流能力的无量纲参数；

载荷系数：表征多级轴流压气机各级负荷能力的无量纲参数；

反动度：表征多级轴流压气机各级中动、静叶之间负荷分配情况的无量纲参数；

式中，C_1a为动叶进口轴向速度；U为圆周速度；C_1u、C_2u分别为动叶进出口绝对切向速度；

(2)一维均径处通流设计：依据通流结构几何约束条件，采用所提炼的空间负荷控制参数，进行轴流压气机的一维均径处反问题设计，完成空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律设计，获得轴流压气机的初始设计方案；

(3)S2反问题通流设计：依据通流结构几何约束条件，基于均径处空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律，进行轴流压气机的S2反问题设计工作，完成空间负荷控制参数沿压气机各列叶片径向的分布规律设计；

(4)叶片造型设计：包括二维叶型设计与三维叶片设计；

(5)三维CFD计算分析：包括压气机设计点与变工况性能的全三维CFD数值分析工作，通过三维CFD计算，获得压气机在设计点与不同转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足优化设计要求；

若满足优化设计要求，当前压气机气动优化设计方案为最终优化设计方案；

若不满足优化设计要求，则根据压气机内部流场的具体分析结果，返回至需要调整的步骤进行调整，包括一维均径处通流设计中的流向负荷优化调整、S2反问题通流设计中的展向负荷优化调整、叶片造型设计中的端区负荷优化调控，以及通过多工况点三维流场联合分析进行压气机各叶片排的冲角匹配优化；

通过步骤(1)-(5)反复迭代，获得最终满足优化设计指标要求的轴流压气机气动优化设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：在一维均径处通流设计中，选择载荷系数ψ与反动度Ω作为空间负荷控制的设计参数；在具体设计过程中，通过设计条件、进出口气流条件以及部分通流几何约束条件的给定，同时根据具体设计要求选择载荷系数ψ与反动度Ω在轴流压气机各级均径处的逐级分布规律，来进行压气机初始优化设计方案的计算。

3.根据权利要求1所述的一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：S2反问题通流设计具体为：

首先进行轴流压气机通流气动参数沿各列叶片径向的展向扭曲规律设计，采用压气机各级动叶进口预旋C_1u作为设计参数，基于均径处的载荷系数ψ_m与反动度Ω_m，按照如下公式进行设计，通过选取不同的扭曲规律设计系数，获得压气机各级动叶进口环量的沿径分布规律：

式中，R_m1为该级动叶进口平均半径；U_m1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ω_m为该级均径处反动度；ψ_m为该级均径处载荷系数；a、b为扭曲规律设计指数：

当a＝1、b＝1时，为等环量扭曲规律；

当a＝-1、b＝1时，为等反动度扭曲规律；

当-1＜a＜1、b＝1时，为居间扭曲规律，其中当a＝0、b＝1时为指数涡扭曲规律；

当a＝0、b＝0时，为恒定涡扭曲规律；

通过选取不同的a、b值，实现不同的扭曲规律设计，从而获得压气机各级动叶进口沿径不同位置R₁处的预旋C_1u分布；

完成展向扭曲规律设计后，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，同时给定动叶效率与静叶总压恢复系数关键损失参数沿径向的分布情况，采用流线曲率法进行反问题求解，获得轴流压气机各级动、静叶沿径向的气动参数分布结果。

4.根据权利要求1所述的一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：二维叶型设计与三维叶片设计具体为：

首先在S2反问题通流设计结果的基础上，进行各列叶片沿径不同截面的二维基元叶型设计，根据基元叶型所处的工作环境与空间位置，计算其最小损失攻角与落后角，通过典型叶型负荷控制参数，设计出各列叶片沿径不同位置的二维几何叶型；

然后选择沿径积叠方式，同时采用三维叶片负荷控制参数进行弯、掠端区负荷调控设计，完成压气机各列叶片的三维几何造型。