[发明专利]基于空间负荷定制思想的轴流压气机气动设计方法

说明书

本发明的目的在于提供基于空间负荷定制思想的轴流压气机气动设计方法，通过空间负荷控制设计参数的选取、一维反问题通流设计、一维特性分析、S2反问题通流设计、叶片造型设计与三维CFD计算分析等环节的反复迭代，获得满足设计指标要求的轴流压气机气动设计方案。本发明能够通过负荷控制参数实现压气机内部负荷在多工况点下的定制化设计与不同维度下的参数化气动设计，从而有效解决多级轴流压气机在设计工况与非设计工况下的空间负荷匹配失衡问题，提高设计精度，缩短设计周期。同时，该方法不仅局限于燃气轮机多级轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机的气动设计过程。

技术领域

本发明涉及的是一种压气机设计方法，具体地说是轴流压气机气动设计方法。

背景技术

压气机作为燃气轮机三大核心部件之一，其性能优劣对燃气轮机的技术指标实现起着决定性作用。设计出性能指标优秀并具有高可靠性的压气机，同时降低设计成本，缩短设计周期，已经成为现代叶轮机械设计领域的主要研究方向之一。为了提高燃气轮机的效率、功率并扩大机组的稳定工作范围，要求压气机具有更强的压缩能力、更低的气动损失和更宽的稳定工作区间。为适应这些需求，现代压气机正向着高压比、高效率、大喘振裕度的方向不断发展，这就对压气机的气动设计提出了更高的要求。

轴流压气机作为压气机中应用最为广泛的一种典型结构形式，其气动设计技术已成为燃气轮机研发体系中最核心的技术之一。同时，由于其级数多、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。为此，必须探索和发展基于新思想与新方法的先进气动设计技术及手段，来应对燃气轮机的发展给压气机设计带来的困难和挑战，这对于加快促进压气机乃至燃气轮机自主研发设计体系的建立与完善具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供为了解决多级轴流压气机气动设计问题的基于空间负荷定制思想的轴流压气机气动设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于空间负荷定制思想的轴流压气机气动设计方法，其特征是：

(1)选取空间负荷控制设计参数：基于空间负荷定制思想，提炼出在轴流压气机从低维度至高维度气动设计过程中能够合理表征其负荷分布情况的设计参数，作为空间负荷控制参数，进行轴流压气机的气动设计，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，具体公式如下：

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)一维反问题通流设计：采用所提炼的空间负荷控制参数，进行轴流压气机的一维反问题设计，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；在具体设计过程中，输入参数包括设计条件、进出口气流条件以及部分几何条件，同时根据设计对象轴流压气机的具体设计要求，选择流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω在压气机均径处的逐级分布规律，计算得到压气机的初始设计方案；

(3)一维特性分析：进行轴流压气机的一维正问题特性计算分析，初步预测压气机在不同转速下的总性能情况；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；

(4)S2反问题通流设计：基于一维反问题通流设计获得的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，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：

(5)叶片造型设计：包括二维叶型设计与三维叶片设计；