[發明專利]一種基于關鍵無量綱負荷控制參數的多級軸流壓氣機氣動設計方法

有效

• 申請號: 202011524766.1
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112685851B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 王琦;潘宏偉;王旭;張舟;萬新超;鄧慶鋒
• 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;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
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• 代理人: 暫無信息

本發明的目的在于提供一種基于關鍵無量綱負荷控制參數的多級軸流壓氣機氣動設計方法，通過一維反問題設計與特性分析、S2反問題設計、葉片造型設計以及三維CFD分析等環節的反復迭代，獲得滿足設計指標要求的多級軸流壓氣機氣動設計方案。本發明通過流量系數、載荷系數與反動度三個無量綱參數實現了多級軸流壓氣機內部負荷的定制化設計，有效解決了多級軸流壓氣機氣動設計中設計點與低工況下的空間負荷匹配問題，使多級軸流壓氣機的氣動設計達到了參數化、精細化的程度，提高了設計精度，縮短了設計周期。同時，該方法不僅局限于燃氣輪機多級軸流壓氣機，同樣適用于各種工業用軸流壓縮機、航空發動機軸流壓氣機/風扇的氣動設計過程。

技術領域

本發明涉及的是一種燃氣輪機設計方法，具體地說是壓氣機設計方法。

背景技術

壓氣機作為燃氣輪機最為重要的三大核心部件之一，其性能優劣直接影響著燃氣輪機的經濟性指標能否按設計預期實現。未來燃氣輪機需要在廣泛的工作環境下保證效率、功率、穩定性等關鍵性能指標的不斷提升，這就對壓氣機部件的設計提出了極高的要求：一方面是級負荷水平的提升，一方面是在寬工況范圍內保證長期高效穩定運行。以上述需求為牽引，必須探索和發展先進高效的壓氣機氣動設計技術及方法，來應對燃氣輪機的發展給壓氣機設計帶來的困難和挑戰。

軸流壓氣機作為燃氣輪機壓氣機中應用極其廣泛的一種典型結構形式，其氣動設計技術是燃氣輪機設計體系中最為重要的核心技術之一。同時，由于固有的逆壓梯度與多級相互干涉影響，多級軸流壓氣機內部流動機理十分復雜，具有極高的設計難度，一直是燃氣輪機研發技術發展的瓶頸所在。隨著燃氣輪機性能指標的提升，對多級軸流壓氣機氣動設計的要求也愈發苛刻。為此，必須不斷更新設計思想與設計方法，使多級軸流壓氣機的氣動設計實現質的飛躍。

發明內容

本發明的目的在于提供解決多級軸流壓氣機氣動設計中的負荷匹配失衡問題的一種基于關鍵無量綱負荷控制參數的多級軸流壓氣機氣動設計方法。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明一種基于關鍵無量綱負荷控制參數的多級軸流壓氣機氣動設計方法，其特征是：

(1)一維反問題：采用流量系數φ、載荷系數ψ與反動度Ω三個無量綱參數作為負荷控制參數，進行多級軸流壓氣機一維均徑處的反問題設計，完成以上三個無量綱負荷控制參數沿壓氣機流向的逐級分布規律設計；

(2)一維特性：進行多級軸流壓氣機的一維正問題特性計算分析，采用基于級疊加法的HARKIA算法進行壓氣機在不同轉速情況下的特性計算，初步預測壓氣機在不同轉速下的總性能情況；

(3)S2反問題設計：基于一維反問題設計結果，采用流量系數φ、載荷系數ψ與反動度Ω三個無量綱參數作為負荷控制參數，進行多級軸流壓氣機的S2反問題設計工作，完成以上三個空間負荷控制參數在壓氣機各級中的沿徑分布規律設計；

(4)葉片造型設計：在S2反問題通流設計結果的基礎上，根據多級軸流壓氣機不同空間位置的來流環境與負荷情況，選擇基元葉型，進行多級軸流壓氣機各級動、靜葉片的攻角與落后角計算，獲得壓氣機各列動、靜葉沿徑方向不同截面位置的葉片造型參數，完成各截面的二維基元葉型設計，選取展向積疊方式與積疊線控制方法，進行各列動、靜葉片的三維設計，完成葉片幾何造型；

(5)三維CFD分析：包括壓氣機設計工況與非設計工況的全三維CFD性能計算，通過全三維CFD計算，獲得多級軸流壓氣機在不同工況下的性能與內部流場狀況，判斷是否滿足設計要求；

若滿足設計要求，當前壓氣機氣動設計方案為最終設計方案；

若不滿足設計要求，則返回至需要調整的步驟進行設計優化；通過反復迭代，獲得最終滿足設計指標要求的多級軸流壓氣機氣動設計方案。

本發明還可以包括：