[发明专利]一种轴流压气机负荷定制化气动优化方法

说明书

本发明的目的在于提供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，在维持现有型号压气机的通流结构几何约束不变的前提下，选择流量系数、载荷系数与反动度三个无量纲参数作为空间负荷控制参数，通过一维均径处通流设计、S2反问题通流设计、叶片造型设计与三维计算分析等环节的反复迭代，获得满足优化设计指标要求的轴流压气机气动优化设计方案。本发明能够在基本不改变压气机通流结构几何约束的前提下进行压气机内部负荷的匹配优化设计，使现有型号压气机的气动优化工作实现了定制化、参数化、精细化，有效提高了压气机的气动优化效果，并且充分利用了原型压气机的结构优势与加工制造的工艺性，最大程度继承了原型压气机的优点。

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机优化方法，具体地说是压气机优化方法。

背景技术

压气机作为燃气轮机的三大核心部件之一，其性能优劣对燃气轮机的技术性指标与经济性指标实现起着决定性的作用。随着燃气轮机的功率、效率以及稳定工作范围等性能指标的不断提升，要求压气机具有更高的压比、更高的效率和更大的喘振裕度。这就需要不断提高压气机的气动设计与优化水平，研究压气机气动优化设计技术，对压气机进行优化改进，以满足燃气轮机发展对压气机气动性能的需求。

另一方面，为了提升现有燃气轮机的性能指标，以现有压气机作为原型进行气动优化已成为目前工程中最为常用的改进手段。为了充分利用原型压气机的结构优势，继承机组加工制造的工艺性，通常要求压气机的气动优化必须尽可能保持原有的结构特征，维持几何参数约束不变。然而由于压气机往往级数较多，其内部流动机理相对复杂，各叶片排之间的相互干涉作用、空间三维效应以及强非线性十分显著，使得其设计难度极大。在通流改动受限、结构约束几乎不变的前提下实现压气机的性能提升更是难点中的难点。因此，必须探索和发展基于新思想与新方法的先进气动优化手段，创造出更具突破性的压气机气动优化设计技术。

发明内容

本发明的目的在于提供解决轴流压气机在通流结构几何约束不变条件下性能改进优化问题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。

本发明的目的是这样实现的：

本发明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；