一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法：包括(1)初始设计；(2)初始二维通流设计求解；(3)基于三维数据的参数缩放；(4)基于缩放数据的二维通流设计；(5)通过缩放设计实现步骤(3)

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法


[0001]本专利技术具体涉及一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，应用于燃气轮机轴流压气机的气动设计领域中。

技术介绍

[0002]自提出多级轴流压气机的概念起，科研人员就对轴流压气机及其设计方法展开了研究。特别是在近七十年的飞行器及航空发动机发展的带动下，作为核心部件的轴流压气机设计技术取得了巨大的成功。随着燃气轮机不断向大功率、大流量和高压比发展，作为重要部件之一的轴流压气机越发需要更先进和更精细化的设计方法，但是随着轴流压气机性能指标的要求不断攀升，传统轴流压气机设计技术也面临着巨大的挑战。轴流压气机设计离不开数值仿真技术，研究表明，仿真技术的应用可以减少研制经费并减少三分之一以上的研制周期。
[0003]现代化轴流压气机设计的数值仿真技术主要包括一维、二维、准三维和三维设计。理论上，全三维设计是调整最少、设计最准确的设计方式，但是由于计算资源、设计周期和数值计算发展水平等客观因素的限制，从设计初期使用三维计算进行设计很难实现，仍需要从低维度开始设计。传统的一维、二维、准三维再到三维造型和三维流场数值仿真的设计方法不仅需要设计者有丰富的设计经验，还需要花费大量的设计时间进行参数调整和三维流场数值模拟计算，归结其原因就是设计初期并未充分考虑三维流动损失，使得不同设计阶段的流场匹配不佳，从而需要反复调整叶片，并且三维流场数值仿真阶段在设计过程中占比较大，导致设计周期较长。因此，需要使用新的设计方法来实现在设计过程中对于三维流动损失的考虑，提高设计效率，缩短设计周期。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是在于提供解决轴流压气机二维通流设计中的展向流动损失计算问题的一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]本专利技术一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法：
[0007](1)初始设计：首先基于一维反问题计算所得到的中径位置参数进行多级轴流压气机二维通流设计中的展向扭曲规律设计，并依据所选取的扭曲规律求解径向平衡方程，得到各级进口预旋分布；
[0008](2)初始二维通流设计求解：同样以一维反问题设计结果作为依据，给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的恒定分布，采用流线曲率法进行反问题求解，计算多级压气机动静叶排沿展向的气动参数分布，从而得到初始二维通流设计方案；
[0009](3)基于三维数据的参数缩放：基于二维通流设计方案进行叶片造型以及多级轴流压气机的三维数值模拟，并将三维流场结果进行周向平均，得到周向平均后压气机气动参数主要是动叶效率以及静叶总压恢复系数即代表流动损失的参数沿径向的分布，通过数
值维度缩放，将三维数据返回至二维通流设计中的展向损失参数中；
[0010](4)基于缩放数据的二维通流设计：使用三维缩放数据替代初始展向损失设计参数，重新采用流线曲率法进行反问题求解，计算得到缩放后的多级压气机动静叶排展向气动参数分布；
[0011](5)通过缩放设计实现步骤(3)
‑
(4)的迭代，直至前后两次二维通流设计中的输入参数基本吻合，动叶效率数值相差在0.2％以内，即获得最终的二维通流设计方案。
[0012]本专利技术还包括：
[0013]步骤(3)中，叶片造型通过给定各叶片攻角落后角来确定，而落后角的确定是通过基于二维设计结果的落后角经验模型经过修正计算得到。
[0014]步骤(3)中，采用的方法为通过对三维结果进行周向平均，从而实现数据的降维，而周向平均后的各列动静叶损失参数通过动叶效率及静叶总压恢复系数来体现，这样就可以完成从三维流场中提取二维展向损失设计参数的目的，具体方法如下：
[0015]根据各列叶片进出口总压、总温以及密流，可以计算出动叶效率以及静叶总压恢复系数沿径向的分布。但三维结果中得到的损失参数包括了端壁粘性附面层所造成的边界层损失突变，而二维通流设计是无粘的，因此需要对三维结果中由于粘性边界层造成的损失部分进行剔除处理。粘性边界层的提取位置主要由各列叶片流动损失参数在端区出现的极大值位置来对各列叶片的粘性边界层位置进行确定。
[0016]确定好需要剔除的粘性端区位置后，对主流核心区的参数进行等比例插值，等间隔选取12个参数即代表二维通流设计的输入参数，此时二维通流设计中的展向损失参数即为包含了各种流动损失的真实参数。
[0017]本专利技术具有以下优点及突出性的技术效果：
[0018]1、本专利技术提出的基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，使用跨维度缩放的方法来实现轴流压气机端区的精细化造型和性能预测，在保证设计质量的同时缩短轴流压气机的设计周期。
[0019]2、本专利技术提出的基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，将高维度数据向低维度传递，可以提高低维度压气机设计的精细化程度继而提升轴流压气机设计或轴流压气机性能预测的准确度，使初期低维度流场计算更符合三维计算结果，使设计得到的压气机具有更好的气动性能。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的流程图；
[0021]图2a为压气机反动度分布；
[0022]图2b为压气机静叶稠度分布；
[0023]图2c为压气机动叶稠度分布；
[0024]图2d为压气机动叶流量系数分布；
[0025]图2e为压气机静叶流量系数分布；
[0026]图2f为压气机环量分布；
[0027]图2g为压气机动叶进口马赫数分布；
[0028]图2h为压气机静叶进口马赫数分布；
[0029]图2i为压气机静叶扩压因子分布；
[0030]图2j为压气机动叶扩压因子分布；
[0031]图3a为实施例缩放前后动叶效率的变化；
[0032]图3b为实施例缩放前后静叶总压恢复系数的变化；
[0033]图4a为压气机反动度分布；
[0034]图4b为压气机静叶稠度分布；
[0035]图4c为压气机动叶稠度分布；
[0036]图4d为压气机动叶流量系数分布；
[0037]图4e为压气机静叶流量系数分布；
[0038]图4f为压气机环量分布；
[0039]图4g为压气机动叶进口马赫数分布；
[0040]图4h为压气机静叶进口马赫数分布；
[0041]图4i为压气机静叶扩压因子分布；
[0042]图4j为压气机动叶扩压因子分布；
具体实施方式
[0043]下面结合附图对本专利技术的原理进行说明：
[0044]如图1，一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，具体实施方式通过以下步骤实现：
[0045]步骤一：初始设计。首先基于一维反问题计算所得到的中径位置参数进行多级轴流压气机二维通流设计中的展向扭曲规律设计，并依据所选取的扭曲规律求解径向平衡方程，得到各级进口预旋分布。
[0046]步骤二：初始二维通流设计求解。同样以一维反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，其特征是，包括以下步骤：(1)初始设计：首先基于一维反问题计算所得到的中径位置参数进行多级轴流压气机二维通流设计中的展向扭曲规律设计，并依据所选取的扭曲规律求解径向平衡方程，得到各级进口预旋分布；(2)初始二维通流设计求解：同样以一维反问题设计结果作为依据，给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的恒定分布，采用流线曲率法进行反问题求解，计算多级压气机动静叶排沿展向的气动参数分布，从而得到初始二维通流设计方案；(3)基于三维数据的参数缩放：基于二维通流设计方案进行叶片造型以及多级轴流压气机的三维数值模拟，并将三维流场结果进行周向平均，得到周向平均后压气机气动参数，为动叶效率以及静叶总压恢复系数即代表流动损失的参数沿径向的分布，通过数值维度缩放，将三维数据返回至二维通流设计中的展向损失参数中；(4)基于缩放数据的二维通流设计：使用三维缩放数据替代初始展向损失设计参数，重新采用流线曲率法进行反问题求解，计算得到缩放后的多级压气机动静叶排展向气动参数分布；(5)通过缩放设计实现步骤(3)
‑
(4)的迭代，直至前后两次二维通流设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：李赫飞，姜斌，郑群，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：