一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法技术

本发明专利技术提供一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法，涉及航空发动机技术领域，包括以下步骤：构建跨音速平面串列叶栅模型；基于中弧线叠加厚度分布方法的思想对跨音速平面串列叶栅的前后排叶型进行参数化处理；分别根据跨音速及亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布曲线确定叶型优化变量；确定叶栅最小静压比作为限制条件，选取多个来流工况作为计算工况点，将降低工况点的全压损失系数为跨音速叶栅气动优化的目标函数；确定叶型优化变量参数的范围，采用全局寻优算法对叶型优化变量参数进行全局寻优，获得最优的叶型参数。该方法模型拟合精确、控制参数较少但叶型形状变化丰富等优点。变化丰富等优点。变化丰富等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机
，具体涉及一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法。

技术介绍

[0002]高推力重比、高气动效率和低总压损失越来越成为现代航空发动机设计的追求，这也对先进的跨音速轴流压缩机的设计和优化提出了挑战。现有技术中，霍格等人设计了一种用于MTU航空发动机的跨音速串列压缩机级联方案，实验验证了串列叶片在气动转弯和总压损耗方面的优越性：与宽弦参考叶片相比，串列结构在相同入口马赫数下的二维总压损失能够减少30％。海因里希等人通过串列级联叶片实现了高工作范围和低总压损失，并通过实验验证了气动力性能的改善。
[0003]然而，现有技术中对单前排叶片和双后排叶片的跨音速串列级联方案的几何控制和耦合优化的研究有限，需要进一步研究一种适合单前叶片和双后叶片的跨音速串联级联的耦合优化设计方法。与传统单排叶栅不同，串列叶栅由两排叶片通过一定排列方式组合构成，结构更加复杂，可优化参数更多。为进行跨音速串列叶栅的优化工作，叶型参数化并提取优化变量是必不可少的一步，所选取的参数化方法直接决定了控制串列叶栅各叶型几何特征的参数数量，对优化过程中变量选取有着重大影响。与此同时，所选取各叶型几何特性的参数化方法也决定了叶型上下表面变化的模式以及区间范围，现有技术中缺少一种模型拟合精确、控制参数较少的叶型参数化方法。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提出了一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案。
[0006]一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法，包括以下步骤：
[0007]构建跨音速平面串列叶栅模型，前排叶片为跨音速叶片，后排叶片为亚音速叶片；
[0008]对跨音速平面串列叶栅模型的前后排叶型压力面与吸力面曲线造型点数据导入CAD，分别得到跨音速与亚音速叶型的样条曲线，利用绘制叶型内切圆的方式得到叶型中弧线，并获得叶型厚度分布曲线；
[0009]通过高阶Bezier曲线对叶型中弧线和叶型厚度分布曲线进行拟合，获得跨音速及亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布曲线；
[0010]分别根据跨音速及亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布曲线，并通过设置多个控制点来构建叶型优化变量；所述叶型优化变量包括控制叶型中弧线变化的前缘方向角、后缘方向角和挠度变化规律参数，以及控制叶型厚度分布规律的首尾厚度分布切角、最大厚度相对位置、厚度分布参数和前缘厚度；
[0011]确定不低于叶栅原模型的静压比作为限制条件，选取多个来流工况作为计算工况
点，将降低工况点的全压损失系数为跨音速叶栅气动优化的目标，构建目标函数；
[0012]确定叶型优化变量参数的范围，并根据限制条件和目标函数，通过全局寻优算法进行全局寻优，获得最优的叶型参数；
[0013]根据优化后的叶型参数，获得跨音速平面串列叶栅的叶型优化结果。
[0014]优选地，所述构建跨音速平面串列叶栅模型，包括以下步骤：
[0015]构建跨音速平面串列叶栅模型，其进口为跨音速来流条件，进口马赫数取值范围为Ma1＝0.8～1.2，所述跨音速平面串列叶栅模型的前排叶片为跨音速叶片，后排叶片为亚音速叶片；其中，每个单流道中前排叶片与后排叶片的叶片数量比为1:2。
[0016]优选地，所述通过Bezier曲线拟合跨音速及亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布曲线，包括以下步骤：
[0017]将叶型压力面与吸力面曲线造型点数据导入CAD，分别得到跨音速与亚音速叶型的样条曲线；
[0018]利用绘制叶型内切圆的方式得到叶型中弧线，并获得叶型厚度分布曲线；
[0019]通过高阶Bezier曲线对叶型中弧线和叶型厚度分布曲线进行拟合，获得跨音速及亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布曲线；
[0020]建立控制点坐标与叶型几何参数之间的联系，选取参数化后的叶型几何参数作为叶型优化变量，对中弧线曲线以及厚度分布曲线进行控制。
[0021]优选地，所述叶型中弧线包括五个控制点，分别为p0‑
p4，点p
d
为p0p1与p4p5延长线交点；为保证优化过程中，叶型弦长保持不变，固定控制点p0与p4的坐标，对另外三个控制点位置，即x轴和y轴坐标进行优化，包括以下优化变量：
[0022]前缘方向角α及后缘方向角β：由Bezier曲线的端点性及切矢性获得：
[0023][0024]挠度变化规律参数b1、b2：
[0025][0026]其中，b1、b2越小，叶片前半部分挠度越小；
[0027]挠度变化规律参数h1、h2：h1表示p2点与p0p
d
直线的垂直距离；h2表示p2点与p4p
d
直线的垂直距离。
[0028]优选地，所述叶型厚度分布曲线的左侧包括五个控制点，分别为p
h0
‑
p
h4
，右侧包括4个控制点，分别为p
h4
和p
t1
‑
p
t3
，具体包括以下优化变量：
[0029]首尾厚度分布切角θ1、θ2：利用Bezier曲线的端点性及切矢性，则：
[0030][0031]最大厚度相对位置m：
[0032][0033]其中，m值越大，叶片最大厚度所在位置向后缘移动；
[0034]厚度分布参数x1、x2：
[0035][0036][0037]其中，x1越大，叶片前半段厚度变化越缓慢，而x2越小，叶片后半段厚度变化越缓慢；
[0038]厚度分布参数y1：y1＝Y
ph2
，y1越大，叶片前段厚度越大；
[0039]前缘厚度r：r＝Y
ph0
，r值越大，椭圆弧长短轴之比越小。
[0040]优选地，所述限制条件和目标函数的确定，包括以下步骤：
[0041]选取三个来流工况气流角和分别对应跨音速叶栅气动失速点，气动设计点和气动堵塞点的进口气流角；通过同时降低三个进口气流角下对应的全压损失系数和间接实现跨音速串列叶栅工况范围的扩大，目标函数及限制条件如下式所示：
[0042]限制条件
[0043]目标函数
[0044]式中，π
original
为跨音速叶栅原模型的静压比。
[0045]优选地，所述全局寻优算法包括遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法。
[0046]优选地，所述通过遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行全局寻优，获得最优的叶型参数，包括以下步骤：
[0047]随机生成初代种群，种群中的各样本包含有对应的优化变量集，即叶型参数集；
[0048]根据叶型参数集，采用中弧线叠加厚度分布方法，对每个样本的跨音速以及亚音速叶型进行生成，并以此为基础叠加前后排叶片安装角、叶栅排列方式参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：构建跨音速平面串列叶栅模型，前排叶片为跨音速叶片，后排叶片为亚音速叶片；对跨音速平面串列叶栅模型的前后排叶型压力面与吸力面曲线造型点数据导入CAD，分别得到跨音速与亚音速叶型的样条曲线，利用绘制叶型内切圆的方式得到叶型中弧线，并获得叶型厚度分布曲线；通过高阶Bezier曲线对叶型中弧线和叶型厚度分布曲线进行拟合，获得跨音速及亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布曲线；分别根据跨音速及亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布曲线，并通过设置多个控制点来构建叶型优化变量；所述叶型优化变量包括控制叶型中弧线变化的前缘方向角、后缘方向角和挠度变化规律参数，以及控制叶型厚度分布规律的首尾厚度分布切角、最大厚度相对位置、厚度分布参数和前缘厚度；确定不低于叶栅原模型的静压比作为限制条件，选取多个来流工况作为计算工况点，将降低工况点的全压损失系数为跨音速叶栅气动优化的目标，构建目标函数；确定叶型优化变量参数的范围，并根据限制条件和目标函数，通过全局寻优算法进行全局寻优，获得最优的叶型参数；根据优化后的叶型参数，获得跨音速平面串列叶栅的叶型优化结果。2.根据权利要求1所述的一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法，其特征在于，所述构建跨音速平面串列叶栅模型，包括以下步骤：构建跨音速平面串列叶栅模型，其进口为跨音速来流条件，进口马赫数取值范围为Ma1＝0.8～1.2，所述跨音速平面串列叶栅模型的前排叶片为跨音速叶片，后排叶片为亚音速叶片；其中，每个单流道中前排叶片与后排叶片的叶片数量比为1:2。3.根据权利要求2所述的一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法，其特征在于，所述叶型中弧线包括五个控制点，分别标记为p0‑
p4，点p
d
为p0p1与p4p5延长线交点；为保证优化过程中，叶型弦长保持不变，固定控制点p0与p4的坐标，对另外三个控制点位置，即x轴和y轴坐标进行优化，包括以下6个优化变量：前缘方向角α及后缘方向角β：由Bezier曲线的端点性及切矢性获得：挠度变化规律参数b1、b2：其中，b1、b2越小，叶片前半部分挠度越小；挠度变化规律参数h1、h2：h1表示p2点与p0p
d
直线的垂直距离；h2表示p2点与p4p
d
直线的垂直距离。4.根据权利要求3所述的一种跨音速串列叶栅多目标叶型设计的优化方法，其特征在于，所述叶型厚度分布曲线的左侧包括五个控制点，分别为p
h0
‑
p
h4
，右侧包括4个控制点，分别为p
h4
和p
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李景银，李昆航，孟凡杰，唐鹏博，宫超玄，唐洁，郭朋华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：