[發明專利]一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法

在審

• 申請號: 201911424714.4
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN110929357A
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發明（設計）人: 任蘭學;姜斌;王琦
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七0三研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 時起磊

1.一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法，其特征在于，所述一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法，包括以下步驟：

步驟一、根據設計要求和目標，按照壓氣機總體設計要求，進行多級軸流壓氣機的一維反問題設計，得到多個設計方案；

依據平均半徑氣動設計規范選取壓氣機基本參數，進行多方案優化得到初始設計方案；根據初始設計方案得到基元級基本參數以及子午流道參數；以此為基礎進行壓氣機一維特性計算及其優化，通過特定損失模型、落后角模型校驗初始設計方案的效率、壓比、喘振裕度特性指標是否滿足要求，若不滿足，則在此基礎上，從一維正問題分析的角度對幾何參數再進行調整，直至方案滿足設計要求；

步驟二、在一維設計方案的基礎上，進行S2通流反問題設計，依據沿徑氣動設計規范，估算動葉的效率分布以及靜葉的總壓恢復系數；

基于S2通流反問題設計獲得流道中的各葉高流線位置及進出口氣流角參數；再參照葉片造型設計規范，確定弦長、最大相對厚度、落后角關鍵參數，在流面上進行葉片造型；針對具有不同進口馬赫數的流面選取壓氣機流向的做功規律，構造壓氣機葉型，獲得壓氣機葉片的扭轉初步方案，根據得到的方案進行設計點的三維流場逐級計算，得到動葉的效率分布以及靜葉的總壓恢復系數，進一步校驗S2反問題匹配設計的準確性以及對葉片的匹配性能進行改進：

采用多級壓氣機三維數值模擬方法，對比分析壓氣機的三維匹配特性，進行三維數值模擬并分別與一維和S2的計算結果進行對比分析；綜合考慮設計工況與非設計工況，對存在匹配問題的部分，通過調整葉片安裝角度并進行葉片優化設計，來完成平均參數的三維匹配；并根據三維數值模擬結果，逐級進行動、靜葉片之間的匹配設計；將得到的數據返回至S2通流反問題設計中，反復迭代，完成S2通流反問題設計及葉片造型設計。

2.根據權利要求1所述一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法，其特征在于，步驟一所述一維反問題設計的過程中，軸向速度選取為170m/s～190m/s。

3.根據權利要求2所述一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法，其特征在于，所述步驟一進行壓氣機一維特性計算及其優化；具體過程為：

在一維特性計算及其優化階段，采用Concepts-NREC工程設計系統中的AXIAL軟件模塊，提供多級軸流壓氣機和透平機械的設計方案，以及已有機組或設計方案分析功能，同時能夠進行葉輪機械變工況性能預測分析；在一維特性計算及優化階段采用程序軟件的分析模式，對一維反問題得到的壓氣機通流設計結果，即各級葉片排的幾何參數，借助程序軟件的分析模式進行驗算，反復計算比較各方案，確定方案的合理性。

4.根據權利要求3所述一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法，其特征在于，步驟二所述S2通流反問題設計的具體過程為：

在一維設計方案基礎上，基于流線曲率法進行S2通流反問題設計以獲得壓氣機葉片的扭轉初步方案并修改局部子午通道曲率；在給定子午流道尺寸的基礎上設計葉柵性能參數沿葉高的分布規律；

對于動葉，輸入參數包括動葉效率和總壓比沿葉高分布，效率的分布規律按照根部高、頂部低的分布規律給定，總壓比按照沿徑向不變的規律給出；

靜葉的輸入參數是靜葉的總壓恢復系數和出口的切向速度，初步估計總壓恢復系數按照徑向分布，根據下一級進口對預旋提出的要求確定靜葉出口切線速度，通過調整總壓徑向的分布規律，調整局部的子午流道型線。

5.根據權利要求4所述一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法，其特征在于，步驟二所述葉片造型設計的具體過程為：

采用正問題方法進行CDA葉型的設計，通過以下四個步驟完成：

(1)確定中弧線；

(2)確定葉型厚度分布規律；

(3)將厚度分布疊加到中弧線上；

(4)按照積疊規律進行展向積疊，獲得葉片幾何造型。

6.根據權利要求5所述一種高性能艦船燃機壓氣機氣動設計方法，其特征在于，步驟二中逐級進行動、靜葉片之間的匹配包括：

勢流區氣流角的匹配和端區的角度匹配。