高负荷跨音速轴流压气机的叶型优化设计

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轴流压气机多叶片排的气动优化设计

收稿日期:2005-03-03; 修订日期:2005-08-08作者简介:尉涵(1979-),女,山西永济人,清华大学硕士研究生.文章编号:1001-2060(2005)06-0603-04轴流压气机多叶片排的气动优化设计尉涵,袁新(清华大学热能工程系,北京100084)摘要:对某多级轴流压气机前三排叶片径向积叠方案进行了气动优化。

该方案以商用软件iSIGHT作为平台,利用试验设计方法对整个搜索空间进行初步探索,采用逐次序列二次规划算法进行局部寻优,利用商业软件NUMECA进行粘性流场数值评估。

对压气机全工况性能的计算表明,在流量和压比不减少的情况下,优化后的叶型设计工况和非设计工况性能均得到了改善。

关键词:轴流压气机;叶片;DOE;SQP;优化中图分类号:TK263.3 文献标识码:A1 引言为了提高燃气轮机气动效率、做功能力以及扩大稳定工作范围,要求压气机具有更高的压比和效率。

这就需要不断提高压气机叶型的设计水平,研究压气机新叶型成型技术,以满足压气机气动设计的需要。

随着计算技术的飞速发展,应用计算流体动力学(CFD)已经可以深刻了解、分析流体机械内部的流动状况。

在使用C FD方法对流体机械内部流场进行数值模拟的基础上,人们提出数值设计方法,将数值优化技术与正问题流场计算相结合,由数学过程替代设计人员经验来控制设计参数的修改方向,就构成了叶型气动优化设计方法[1~3]。

一个完整的气动优化设计系统通常包括3个部分:参数化造型系统、评价系统和优化策略。

参数化造型是优化设计系统的基础,需要对优化的对象(即叶轮机械的通流部分)进行建模,并且为优化设计提供设计变量;评价系统的任务是通过某种方法对设计方案的性能做出评估,目前通常是由CFD方法精确求解正问题,获得通流部分的流场数据;优化策略的作用是用尽可能少的计算时间,找到最优的设计方案。

叶轮机械的设计问题即围绕这3个部分进行展开。

2 叶片参数化造型技术叶轮机械叶片弯扭联合设计是现代动力机械行业常用的叶片造型方法[4],它通过叶片的弯曲、扭转来控制叶片积叠线的形状。

跨声速轴流压气机叶片周向弯曲的数值优化

跨声速轴流压气机叶片周向弯曲的数值优化跨声速轴流压气机叶片周向弯曲是一种常见的叶片变形形式，它会对压气机的性能产生重要影响。

因此，通过数值优化方法来研究和改善叶片的周向弯曲是非常有意义的。

在压气机的运行过程中，叶片受到高速气流的作用，产生巨大的离心力和气动载荷。

这些力和载荷会导致叶片发生变形，其中一种常见的变形形式就是周向弯曲。

叶片的周向弯曲会导致流道的形状发生改变，从而影响气流的流动特性和压气机的性能。

为了优化叶片的周向弯曲，首先需要建立一个准确的数值模型。

该模型应该包括叶片的几何形状、材料特性和流体力学特性等。

然后，可以利用计算流体力学（CFD）方法来模拟叶片的流动行为，分析叶片的变形情况和气流的流动特性。

在数值模拟的基础上，可以借助数值优化算法来改善叶片的周向弯曲。

数值优化算法可以根据预设的优化目标和约束条件，在一定的搜索空间内寻找最佳的叶片形状。

常用的数值优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法和模拟退火算法等。

这些算法可以通过迭代的方式来不断改进叶片的设计，使其尽可能地减小周向弯曲并提高压气机的性能。

此外，还可以通过改变叶片的材料和结构来优化周向弯曲。

例如，采用高强度、高刚度的材料可以减小叶片的变形程度。

另外，通过调整叶片的几何形状和剖面设计，也可以减小叶片的周向弯曲。

总之，通过数值优化方法来研究和改善跨声速轴流压气机叶片的周向弯曲是一项重要的工作。

这项工作可以通过建立准确的数值模型、利用计算流体力学方法进行数值模拟，并结合数值优化算法和改变叶片的材料和结构等手段来实现。

优化后的叶片形状可以减小周向弯曲，并提高压气机的性能。

轴流压气机超音叶片新设计技术研究

有良好的工程应用价值。美键词；轴流压气机 § 片；中弧线曲率｛圆弧；激渡损失叶椭文献标识码：Ａ
Hale Waihona Puke 中圉分类号：２２４Ｖ３．
ＡｎＩｖｅｔｇｔｏｏａＮｅＴｅｃｎｓｉａｉｎｎｗｈｎｉｅｑｕ
轴流压气机超音叶片新设计技术研究
肖敏，刘波，程荣辉。
（．国燃气涡轮研究院３室，１中四川江油６１０；２７３
２西北工业大学航空动力与热力工程系，西西安７０７．陕１０２３中国燃气涡轮研究院压气机室，．四川新都６００）１５０
摘要：介绍了一种轴漉压气机超音叶片新设计技术，叶型中弧线用任意多段圆弧生成ｔ缘用椭圆弧连接。即前
该方法可以灵活控制叶型中弧线的曲率分布，有救控制扩散因子，高气流抗分离的能力。椭圆形的前缘可提减弱超音气流在前缘进口区的加速程度，降低进口弓形渡的强度；叶型＾口段理想的曲率分布可以合理组织进口激渡结构和位置，大幅降低激渡损失用该方法改进设计的两套超音叶片叶型的计算结果表明本方法具
ａｉｌｆｗｏｐｅｓｒｗｈｓａｌｅｃｎｉｔｏｌｉｕａｎ￣ａｉｇａｃｉｅｌｔ．ｉｘａｏｃｍｒｓｏ，ｏｅｍｅｎｉｏｓｓｓｆｍｕｔｃｃｌｒａｄｌｎｉｒｄｎｒｓｌｐｉＴｈｓｉｃ

轴流压气机叶片优化设计_伊卫林

收稿日期:2005-06-09;修订日期:2005-12-22作者简介:伊卫林(1978-),男,满族,黑龙江宁安人,哈尔滨工业大学博士生.文章编号:1001-2060(2006)02-0140-05轴流压气机叶片优化设计伊卫林,黄鸿雁,韩万金(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:开发了基于梯度法的数值优化程序,并与三维粘性流场求解程序相结合对跨音压气机动叶片进行了以绝热效率最大为目标的三维气动优化设计。

先对其进行了沿弦长方向掠设计,绝热效率可提高约0.65%。

再对所得掠叶片进行叶型中弧线优化设计得到最终叶片,与初始叶片相比绝热效率提高达1.05%。

优化结果表明,动叶片的单纯掠型叶片改进气动性能有限,而弦向掠与中弧线的联合优化设计可以显著改善叶片排内流动状况,并具有良好的变工况性能。

关键词:压气机;掠动叶;中弧线;N-S方程;优化设计中图分类号:TK474.8文献标识码:A1引言叶轮机械内部流动包含有边界层分离、二次流、旋涡以及激波与边界层相互干扰等复杂现象。

跨音压气机中的三维激波结构是流动损失的主要根源,因此如何控制激波的位置与强度是提高压气机性能的主要因素之一。

Wadia和Denton等人都曾对掠叶片进行过深入研究[1~2],并证明采用掠叶片可以改变跨音压气机动叶中的三维激波结构。

叶型中弧线对压气机叶片气动性能也有显著影响,与叶片流道内激波产生的强度与分布以及附面层的分离状态都密切相关。

可以推测,积叠线形状的空间变化只能在一定程度上改善内部流动状况,再配以合适的叶型必定能进一步提高压气机工作性能。

随着计算速度的提高及CFD三维流场求解精度的完善,基于N-S方程的全三维流场数值模拟用于叶轮机械气动设计成为可能。

近年来,梯度法、遗传算法、模拟退火算法和响应面法等数值优化算法广泛应用于叶轮机械优化[3~6]。

但是由于遗传算法和模拟退火算法的耗时性,使其无法应用于工程实际,响应面方法虽然简单、省时,但需要较多的人工操作,尤其是前期的样本如果选取不好,将在很大程度上破坏其寻优能力。

多级轴流压气机前加级设计及性能优化

多级轴流压气机前加级设计及性能优化随着科学技术的发展,海洋交通运输对动力的经济性要求更高,船用燃气轮机需要更高推进功率,所以大流量、高压比的压气机设计日趋紧俏。

但当前有很多性能优良的压气机,仍不能满足新的需求。

以成熟压气机为基础,通过前加级设计来增加质量流量或提高压比从而得到满足新要求的压气机可以很大程度上缩短设计周期、降低设计成本。

本文主要提出了跨音速压气机前加级设计的设计方法,并且确定了一个满足新的燃气轮机要求的多级轴流压气机前加级设计方案。

本文设计和研究过程主要基于哈尔滨工程大学的自动气动设计平台,主要包括一维计算、二维计算、三维叶片造型和数值计算软件的三维模拟过程。

首先通过分析一维特性计算结果,讨论了前加零级与原压气机的匹配原理,并考虑了结构限制的约束条件。

在此基础上,通过改变进口预旋来适应长叶片的载荷分布,研究跨音速零级的扭曲规律的影响。

跨音速叶型设计使用自编程序生成,叶型中弧线由齐次多项式曲线定义。

为了达到设计要求需对跨音速零级压气机进行优化,通过研究零级反动度及动静叶展弦比对零级性能及整机性能的影响,选取最优展弦比和反动度。

为了适应新压气机非设计转速下的流场变化,设计可转进口导叶和四排可转静叶,并且讨论可转导叶的转角的变化规律。

最后通过多级CFD计算得到了加级后整个压气机的设计结果。

结果表明,该前加级设计方法能有效满足压气机性能要求。

加级后,新的多级轴流压气机设计点流量增加了21.4%,压比增加了18.23%,
并且等熵效率达到89.06%,比原型机压比高0.13%,前加级压气机全工况喘振裕度不低于10%。

高负荷轴流压气机气动分析与优化研究

高负荷轴流压气机气动分析与优化研究多级轴流压气机作为现代燃气轮机的核心部件,对整机性能有着决定性的影响。

高级负荷带来的高逆压梯度流动导致其级间匹配及全工况下气动性能优化均非常困难。

基于以上背景,本文围绕高负荷轴流压气机气动分析与优化工作,开展有关研究。

开发并完善了一套包含一维平均流线方法和二维通流方法的基于性能预测模型的压气机气动分析方法,建立了适用于高负荷压气机气动分析与优化的综合体系,并将其分别应用到多级轴流压气机可调叶片联调优化与半封闭式布雷顿循环中压气机工质变组分气动分析之中。

本文针对高负荷轴流压气机气动分析的需要,首先建立了一套一维平均流线气动分析方法。

选取了不同性能预测模型进行组合,搭建了其核心组成部分—性能预测模型库。

通过对若干典型机组进行试算,从多个层面综合考量计算方法,特别是模型库对于多级轴流压气机总体性能与气动布局特性的预测能力。

经验证后的方法被成功应用到某五级轴流压气机气动性能分析的有关研究中,根据实验结果校验了该机部分性能参数;并与CFD方法相结合,分析了该机在部分转速下效率降低较明显的原因。

基于开发的一维平均流线计算方法,结合神经网络与遗传算法,建立了一套针对压气机可调叶片多排联调优化的压气机气动优化体系。

采用多层前馈神经网络作为优化过程中压气机气动性能复现的代理模型。

采用遗传算法作为优化算法,针对传统遗传算法的不足,采取了精英选择,非均匀混合交叉,非均匀变异和动态自适应控制参数等若干改进策略,以提升优化效率。

将该体系应用于某五级轴流压气机气动性能优化,结果表明该压气机中的级间匹配不良问题能够被有效定位与改善,验证了体系的有效性。

其次,针对先进半封闭式布雷顿循环中压气机的设计问题,利用为平均流线方法所搭建的经过验证的性能预测模型库更新了一套已有通流方法的相应部分。

以某五级轴流压气机为对象,对其采用通流方法进行了不同工质情况下的气动分析。

对半封闭循环中高负荷压气机的气动设计与改进思路提出了建议。

轴流压气机叶片的优化设计方法和系统[发明专利]

专利名称：轴流压气机叶片的优化设计方法和系统专利类型：发明专利
发明人：杨波,朱国明,周蕊
申请号：CN202011286421.7
申请日：20201117
公开号：CN112395702A
公开日：
20210223
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种轴流压气机叶片的优化设计方法和系统，该方法包括：根据轴流压气机的流动特点，将描述流动过程的偏微分方程转换为常微分方程；建立轴流压气机的状态方程；根据预设的约束条件，基于所述状态方程，确定轴流压气机的最优扩压因子分布；以出口角作为控制变量，根据叶片三维空间的几何造型所对应的参数和所述常微分方程，迭代运算，得到满足所述轴流压气机的最优扩压因子分布的叶片型线。

采用该方法设计的轴流压气机叶片具有高效率、大失速裕度的特性，适用于各种设计工况和变工况。

申请人：上海交通大学
地址：200240 上海市闵行区东川路800号
国籍：CN
代理机构：上海汉声知识产权代理有限公司
代理人：胡晶
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跨音速轴流压气机叶片造型及数值仿真

关键词：跨音速压气机；叶片；多圆弧叶型；数值模拟
中图分类号：２１４ｖ７．文献标识码：Ｂ
．
ＢｌｄｅＦＯａ珊
ａｍｅｊａｎＶｓｉａｉｎｏａｌＯｌｃＣＯｐｅｓｒｎｄＮ
常规叶型设计仍然是工业应用的主要方法。本文对常规叶型设计方法进行了深入研究并构造了一种多圆弧叶片生成
ａｄｉｗａｎｌｚｄｗｉ１／ＵＭＥｎｔｓａａｙｅｔＦＮＥＮｈＣＡ．Ｔｅｒｓｌｓｏｅｈｇｅｍｅｔｅｗｅｕｒａｎｘｅｉｎａｎｈｅｕｔｈｗｄｔｅａｒｅｎｔｅｎｎｍｅｉｌａｄｅｐｒｂｃｍｅｔｌｉ－
１引言
叶型设计的优劣对压气机性能起着决定性作用。自轴流压气机问世以来，叶型造型方法就不断推动着压气机的更新。上世纪中期，美英等国就已成功研制出ＮＣ６ＡＡ～５系列、４ｃ一系列和Ｂ６系列等亚音速叶型。随着叶片负荷的加大、ｃ一叶
ｖｓｉａｉｎ．ｔｔｅｓｍｅｔｅｔｔｓｇｏＡｈａｉ，ｔｅｅｆｃｆｌｄｌｍｅｔｈｃｎｓｉｕｉｎｏｏｅｆｒｎｎｅｗａｖｓｇ — ｍｅｈｆｔｏａｅｅｅｎｔｉｋｅｓｄｓｅｂｔｔｎｍｔｒｐｒｒａｃｓｉｅｔａ０ｂｎｉ
ｔｄｒｅｂａｅｗａｌｅｉｎｄｂｔｎａｄｔｉｋｅｓｄｓｉｕｉｎ，ａｄｉｗｓｃｍｐＩｄｗｉｒｉａＩｄ．ＴｅＩ— ｅ．ｈｌｄｓｒｄｓｇｅｙｓａｄｒｈｃｎｓｉｔｂｔｅｒ０ｎｔａ０ａｌｔｏｉｎｌａｅｅｈｇｈｈ．ｅ

【CN109684768A】一种跨音速轴流风扇压气机多目标气动优化设计方法【专利】

权利要求书2页说明书5页附图5页
CN 109684768 A
CN 109684768 A
权利要求书
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1 .一种跨音速轴流风扇/压气机多目标气动优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、首先获取风扇/压气机叶片通道三维几何数据，将其作为初始设计数据并进行参数化；
S2、基于初始设计叶型中弧线参数化数据获取控制点参数信息，通过立方样条函数进行关联；
( 19 )中华人民共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910018365 .X
(22)申请日 2019 .01 .04
(71)申请人深圳友铂科技有限公司地址 518000 广东省深圳市龙岗区龙城街道清林西路留学生创业园一园220
(72)发明人陈焕龙张楠刘竞航刘暾李杰灵侯珍秀杨显清关国峰邹阳
(74)专利代理机构深圳市中科创为专利代理有限公司 44384
代理人彭西洋谢亮
(51)Int .Cl . G06F 17/50(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109684768 A (43)申请公布日 2019.04.26
( 54 )发明名称一种跨音速轴流风扇/压气机多目标气动优
3
CN 109684768 A
说明书
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一种跨音速轴流风扇/压气机多目标气动优化设计方法
技术领域 [0001] 本发明涉及航空燃气轮机气动设计技术领域，特别涉及一种跨音速轴流风扇/压气机多目标气动优化设计方法。
背景技术 [0002] 航空发动机是飞机或飞行器的“心脏”，其作为国家的重要战略装备，其设计与制造涉及气动、材料、力学、电子等多学科领域交叉与融合，标志着国家航空工业发展的综合技术水平。风扇/压气机作为航空动力系统的核心气动部件，具有设计技术含量高、难度大，制造工艺要求精度高的特点，它的设计技术水平制约着航空发动机的整体发展。因此，风扇/压气机设计及其性能优化一直是研究人员关注的重点与热点课题，也是研制高性能航空发动机的重要技术保障。 [0003] 现代航空动力系统的典型特征是高推重比、高效率、高可靠性，其设计技术要求使得风扇/压气机需要具备高负荷、高通流、结构紧凑的特征，并在全工况范围内具备可实际利用的失速裕度。由于风扇/压气机固有的逆压力梯度流动环境，级气动负荷水平的过度增加势必会导致叶片通道内逆压力梯度与激波强度增加，进而由此导致较高的转子叶尖马赫数、叶片通道内较强的二次流动以及激波诱导的附面层大尺度分离等难以克服的技术问题。解决这些问题的关键在于如何充分利用风扇/压气机有限的叶片通道几何结构，合理控制扩压叶片通道边界乃至主流区域的三维流管导流以及整流特性，从而实现高效热功转换，提升风扇/压气机级整体性能。因此，建立并利用能够综合考虑叶片通道内部流场胀压诱导的激波、粘性气体强剪切输运诱导的三维附面层分离等多因素耦合的先进压缩系统气动优化设计方法，并研发相应的气动优化设计平台显得十分重要。 [0004] 当前风扇/压气机气动优化设计方法多以单目标优化方式为主，不能较好地解决压比与效率之间的矛盾，普遍存在优化设计周期长、效率低，短时间内无法获得大量、多组优化设计方案，自动化程度不高，文本数据处理繁琐的缺点，导致无法直接应用于实际工程设计中。因此，发展能够综合处理多目标优化方案，自动高效地完成多目标气动优化设计过程的优化设计方法，对提高风扇/压气机气动优化设计效率，降低设计成本，并拓展当前风扇/压气机气动设计体系具有十分重要的学术价值与实际工程意义。

某跨音速叶型的优化设计

ａｄｔｅｒｏｔｍｌｄｒｆｅｔｈｅ－ｉｎｉｎｌｃｍｐｔｔｎ，ａｄｃｍｐｒｓｔｅａｒｄｌｍｉｈｒｃｅｓｃｔｎｉｐｍｕｂａｅｐｏｌｓｗｉｔｒｅｄｍｅｓｏａｏｕａｏｈｉｉｈｉｎｏａｅｅｏｙａｃｃａａｔｒｔｓｗｈｈｎｉｉｉｄｆｒｎｃｕｅｓａｄｄｆｒｎｃｄｎｅ．ｉｅｅｔＭａｈｎｍｂｒｎｉｅｔｉｉｅｃｓｅｎ
摘要：采用Ｎｍｃ的ＦＮ／ｕｂ分析软件对４ｕｅａＩＥＴｒｏ种原始叶型及其优化叶型进行了三维数值模拟，并对在不同马赫数与不同冲角下的气动性能作了比较。
关键词：跨音速；叶型；优化设计分类号：Ｋ６．Ｔ２３３文献标识码：Ａ文章编号：０１５８２００－１－１０－８４（０６）６４９０Ｏ２
明显改善了原型叶栅的气动性能。图３和图４分别表示不同马赫数条件下原型和优化叶型的型面静压和马赫数的分布。在马赫数小于１０的工况．
下，５８原型吸力面从前缘至７％弦长范围内处在顺压力２４５
梯度控制下，即在喉部以后气流有明显的减速过程，流动损失有所增加，这样使得优化叶型在低速条件下损失比原型稍高。在马赫数１１１７范围内，型在吸力侧喉部以后．至．的原７％弦长至叶片尾缘范围内基本处于恒压段，马赫数达到５在１８．时又过渡到顺压段，得整个吸力侧都处于顺压梯度的使作用下。优化叶型在这一范围内的变化也是由低速工况下较强的逆压段逐渐过渡到较弱的逆压段加顺压段，当马赫数

基于数值优化方法的轴流压气机叶片设计与分析

ｉａａｒｅｕｒａｔｓｎｃｃｍｐｅｓｒｂａｅｆｅｗｓｃｒｉｄｏｔｏｒｎｏｉｏｒｓｏｌｄ．Ａｄｉｉａｅｎｔｅｍｅｈｄｃｎｉｔｏｒｅｄｍｅｓｎｖｅ — ｔｋｓｌｆａｎｔｓｂｓｄｏｈｔｏｏｓｓｓｆｔｅｉｎｉａＮａｉｒＳｏｅｈｏ
ｃｅｓｎ．Ｃｍｐｒｎｉｈａｅｉｅｄｓｇ，ｔｅｏｔｚｄｓｌｔｎｄｃｅｓｄｔｅｔｔｌｐｅｓｒｏｓｇｅｔ，ａｅｕｔｆｉ — ｒａｉｇｏａｉｇｗｔｔｅｂｓｌｅｉｎｈｐｉｅｏｕｉｅｒａｅｈｏａｒｓｕｅｌｓｒａｌｈｎｍｉｏｙｓａｒｓｌｏｎ
ｎｍｅｃｅｕｔｓｏｔａｈａｎｉｅｏｙａｃｐｒｒｎｅｏｓｌｄｄｓｇｓｉａｇｌｔｂｔｄｔｈｅｕｔｎｉｓｅｕｒａｒｓｌｈｗｔｅｇｉｎａｒｄｎｍｉｅｏｍａｃｆｒｕｔｅｉｓｌｒｅｙａｔｕｅｏｔｅｒｄｃｉｌｓｓｉｌｓｈｔｆｅｅｎｉｒｏｎｏｄｅｔｈｃｓａｄｆｏｓｐｒｔｎ．ｕｏｓｏｋｎｗｅａａｉｓｌｏＫｅｒｓａｉｏｒｓｏ；ａｓｎｃｔｒｅｄｍｅｓｏａ；ｕｒａｐｉｚｔｎｙｗｏｄ：ｘａｃｍｐｅｓｒｔｎｏｉ；ｅｉｎｉｎｎｍｅｃｌｏｔｌｒｈｌｉｍｉａｉｏ

基于数值优化的跨音速压气机动叶三维设计

中图分类号：Ｋ７．１Ｔ４４８１
１引言
轴流压气机中的气动损失主要包括叶型损失、
二次流损失、泄漏损失以及与激波有关的各项损失。积叠线是显著影响三维流场结构的重要几何参数之
一
最近，文献［，０数值研究了跨音速压气机动叶中９１］叶片弯曲的作用，结果表明反弯曲叶片在整个工作范围内对气动性能都有改善作用，很值得深入研究。随着计算速度的提高及ＣＤ三维流场求解精Ｆ度的完善，使基于Ｎ— Ｓ方程的全三维流场数值模拟程序用于叶轮机械气动设计成为可能。近年来，梯度法、遗传算法、模拟退火算法和响应面法【Ｊ１等１数值优化算法广泛应用于叶轮机械优化设计。但是由于遗传算法和模拟退火算法的耗时性使其无法应
验结果的对比，以看出各参数基本一致。绝热效可
率在顶部差异相对大些，这主要是由于未考虑顶部
间隙所造成的。
４优化方法及设计
尽管遗传算法、模拟退火算法等在叶轮机械优化设计中有所应用，由于其理论尚待完善及气动但
３算例验证
本文选取了Ｒｔ３ｏｒｏ７动叶［】１进行了算例验证。２未考虑顶部间隙损失，采用４＊１５４（１４＊１周向 × 轴向 ×径向）网格节点，个虽然这样的网格数在现在的计算水平中已属较粗网格，由于对优化设计耗时但
精度的中心差分格式３＿阶、ｎ－四阶人工粘性项，时间
方向求解采用四部Ｒｎｅ —Ｋｔ格式。湍流模型ｏｇｒｕａｔ为壁面函数修正的Ｂ—Ｌ型，模并且加入隐式残差

轴流压气机叶片准三维自动优化设计

轴流压气机叶片准三维自动优化设计摘要：本文旨在研究轴流压气机叶片的三维自动优化设计。

首先，我们分析轴流压气机叶片的结构特性，探讨合理的准三维参数空间；其次，借助能量守恒的方法，构建了准三维叶片设计优化的数学模型；最后，通过模拟结果及实验分析，验证所提出方法的有效性。

关键词：轴流压气机叶片；三维自动优化设计；准三维参数空间；能量守恒；模拟结果正文：本文以轴流压气机叶片为研究对象，采用三维自动优化设计形式，探讨叶片准三维参数空间的划分，采用能量守恒的方法构建准三维叶片设计优化数学模型，以实现叶片的最优设计目标。

首先，基于轴流压气机叶片的结构特性，提出了二维弯度和三维曲度参数，构成准三维参数空间。

其次，基于能量守恒原理，构建轴流压气机叶片的准三维优化模型，求解精确的叶片几何尺寸及参数，以实现叶片的最优设计目标。

最后，通过模拟及实验分析，验证了所提出的三维自动优化设计方法的有效性。

综上所述，本文为轴流压气机叶片的三维自动优化设计提供了一种新的方法。

本文提出的三维自动优化设计方法可以用于轴流压气机叶片的设计和制造。

首先，使用本文提出的方法，可以准确地测量叶片的实际几何尺寸，有效的提高叶片的工作效率和运行性能；其次，通过将叶片的参数封装和有效的数字化，可以大大提高叶片的可控性和可靠性，为叶片设计和制造带来更多的可能性；最后，以数字参数空间的形式表达叶片的正常工作条件，可以灵活的调节叶片的性能，并可以利用模拟预测叶片的性能，从而大大提高叶片的设计精度和节省设计时间。

总之，本文提出的三维自动优化设计的方法可以大大提高轴流压气机叶片的设计质量，提高叶片的工作效率和运行性能，并且可以有效的减少设计周期，从而节省成本和提高生产效率。

在实际应用中，本文提出的三维自动优化设计的方法可以更好的管理和控制叶片的参数，并且可以有效的提高叶片的数字化设计水平。

例如，在叶片设计过程中，采用本文提出的方法可以有效规定叶片尺寸大小，可以准确地控制叶片正常运行所需要的几何尺寸，从而提高叶片的可控性；另外，由于本文提出的方法是基于能量守恒原理构建的，因此可以准确地模拟叶片运行时的能量变化，从而更好的预测叶片的工作效率和可靠性。

跨声速轴流压气机多叶排反问题优化方法

国内对反问题设计方法的研究起步并不晚，西北工业大学周新海等基于有限体积法求解Ｅｕｌｅｒ方程进行了跨声速叶栅的反问题求解方法研究。北京理工大学杨策等采用规定叶片表面无量纲目标速度分布，通过比较目标速度分布和计算获得的速度分布来修改叶片压力面和吸力面的坐标，最终
问题设计方法。反问题设计方法从２０世纪８０年代中期开始起
步，近期已经成为国际上研究的热点问题。最初的反问题求解的是二维势流方程，随着正问题求解方法的不断改进，反问题设计也逐步扩展到求解Ｅｕｌｅｒ方程和Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程。Ｄａｎｇ采用４阶Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ时间推进、基于网格中心的有限体积法求解二维Ｅｕｌｅｒ定常流场，发展了反问题所适用的渗透边界条件，并建立了一套二维反问题设计方法体系。Ｇｈａｌｙ等通过给定目标静压，计算虚位移的方法进行叶片几何构型更新，并应用于压气机叶栅的改型设计，取得了良好效果。随着三维ＣＦＤ技术的逐步成熟，三维反问题设计方法不断发展。Ｑｉｕ等４基于非均匀有理Ｂ样条曲线（ＮＵＲＢＳ）和最小二乘的思想，提出了一种统一的叶片中弧面生成方法，增强了方法的鲁棒性。
（西北工业大学动力与能源学院，陕西西安７１００７２）
摘要：为提升跨声速压气机的气动性能，以叶轮机械三维黏性反问题设计理论为基础，发展了适用于压气机多叶排三维反问题优化设计方法。描述了压气机多叶排流场计算所采用的数值求解技术，详细推导了反问题优化设计方法和流程。为验证方法的正确性，运用德国宇航中心单级跨声速压气机Ｒ０３０．ＳＵＫＳ／３１的实验数据与计算结果进行对比。在对原型叶片表面载荷进行分析的基础上，重新修改叶片表面载荷分布，并通过反问题设计方法计算得到新的叶片几何构型。结果表明，通过修改叶片表面载荷分布，运用反问题设计方法得到的压气机，其进口相对马赫数有所提升，压气机流量和压比分别提高了３．５％和２．Ｏ％，气动性能有明显提升，验证了方法的正确性和有效性。

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ｔｅｕｐｒ５％ｓａａｅｎｔｅｍｅｈｄｃｎｉｉｇｏｒｉｃａｎｕａｅｏｋａｄｇｎｔｌｏｉｍ．Ａｓｔｅｒｓｌ，ｈｐｅ０ｐｎｂｓｄｏｈｔｏｏｓｓｎｆａｔｉｌｅｒｌｔｒｎｅｅｉａｇｒｔｔｉｆｎｗｃｈｈｅｕｔ
能。
压气机的全三维数值优化技术集三维流场求解、优化技
术为一体，过对原型机进行参数化而扰动几何构型，从通以
中寻优。目前较常用的方法是结合神经网络（响应面模型的
一
种）与遗传算法的优化方法。众多国外学者已在该领域进
第２卷第７９期
文章编号：０６９４（０２０－０５０１０－３８２１）７０７－５
计
算
机
仿
真
２１年７０２月
荷跨音速轴流压气机的叶型优化设计
李相君，武利，皓光，楚张米攀
（西北工业大学动力与能源学院，陕西西安７０７１０２）
定范围内扰动，可以得到一系列新的叶型，就以此构建叶型
面处则使用周向平均法进行数值传递。计算区域包括进口
导叶、转子及静子排。另外为提高计算效率，采用了多重网
格法、部时间步长和隐式残差光顺三种措施加速计算收局
一
７ — ５
表１计算网格数量分布
人工神经网络是基于模仿生物大脑的结构和功能，用采
数学和物理方法进行研究而构成的一种信息处理系统或计算机，它属于响应面模型的一种，常比原始问题简单，通但是仍然可以很好的近似问题。
１引言
高负荷压气机内部流场往往具有复杂的、三元效应强烈
的流动特征。在设计领域中居于主流地位的 “ 三维 ” 计准设
进行了折中优化，使总压比得以提高。国内的研究者中，黄磊等曾以一台小流量亚音速轴流压气机为对象，进行二维叶型优化，并提升其效率超过１４。此外还有不少针对叶．％片扭向或积叠规律的研究。Ｊ。综合国内的研究现状，在的问题是：研究对象多半存其为亚音速或低跨音速压气机，型机自身负荷并不大；原另外
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ｐｉｚｔｎｄｓｎｗａａｒｅｕｏｉｈｌａｉｇｔａｓｎｃａｉｏｒｓｏ．ＡｆｏｅａａｉｎＡｎｏｔｍｉａｉｅｉｓｃｒｉｄｏｔｒｈｇ — ｏｄｎｎｏｉｘａｃｍｐｅｓｒｌｗｓｐｒｔｏｇｆａｒｌｏ
摘要：研究轴流压气机优化设计问题，在高负荷跨音速轴流压气机相应的叶型优化设计工作中，对压气机等熵效率过低，针
由于转子叶顶通道出现流动分离，导致损失过大。为提高等熵效率，结合人工神经网络与遗传算法对压气机转子的吸力面５％叶展以上叶型进行调整。优化后的新叶型可以有效地改善叶顶流动结构，制分离，０抑在总压比基本不变的情况下使压气机峰值效率提升约１７试验证明，．叶型优化设计有显著效果，同时也指出了单一优化方案的局限性。关键词：压气机；高负荷；优化设计；数值仿真
行过相关研究。其中Ａｎ对ＮＳｏｒ７的叶片积叠规ｈ… ＡＡＲｔ３ｏ
律进行优化，获得了约
０７的效率提升；ｉ．％Ｌａｎ与Ｌｕ２在ｉｌ
兼顾叶片重量与压比的情况下对ＮＳｏｏ７的二２修回日期：０１０ —１２１—５１２１— ９６
化的方法，可在极大程度上缓解上述设计问题。则
与多数以往研究不同，本文中开展叶型优化的对象为高负荷跨音速轴流压气机级（一级，附带前导叶）。其原型机的转子叶片综合运用了弯掠技术，叶型构造与流动结构远比中小负荷的压气机复杂，这也为叶型优化工作带来一定难度。鉴于以上，本文将采用商用软件ＮＭＥＡ，级环境下分析ＵＣ在计算流场。在此基础上，过对压气机的转子叶型进行优化通设计，进一步改善流动结构，最终提升压气机的整机气动性
ｗａｏｎｒｕｄｔｅｔｅｉｎｏｏｏｌｄｉｈｍａｎｙｅｌｒｅｏｓｅｄｕｉｎｉｓｆｃｅｔｉｅｔｏｙｅｆｓｆｕｄａｏｎｈｉｒｇｏｆｒｔｒｂａｅｗｈｃｉｌｎａｇｄｌｓｎｐｗｔａｎｕｉｎｓｎｒｐｆ — ｐｈｉｉ
ｕｏ
码形成符号串形式，问题的一个可能解对应。通过模拟达与尔文的遗传选择和优胜劣汰的生物进化过程，复对群体进反行基于遗传学的操作（选择、交叉、变异）并依据个体的适应，度对其进行优劣评价，适者生存， “ 不适者淘汰”，在进化中不
断得到更优的群体。
ｃｅｃ．Ｔｃｅｓｅｉｎｏｙｅｃｎｙｏｅｃｍｐｅｓｒｔｅｄｓｎｐｏｅｓｄｕｔｅｓｃｏｉｒｆｅｏｉｎｙｏｉｒａｅｔｅｔｐｆｉｃｆｈｏｒｓｏ，ｈｅｉｒｓａｊｓｄｔｕｔｎｓｅｐｏｌｆｎｈｓｉｅｔｇｃｅｈｉｄｉ
ｉｃｅｓｆｐａ－ｆｃｅｃｂｕ．％．ｗｉｅｍａｓｆｗｒｔｎｔｅｓｍｅｂｃｒｓｕｅｗｓｏｖｏｓｙｅｌｒｅ．ｎｒａｅｏｅｋｅｉｎｙａｏｔ１７ｉｈｌｔｓ — ｌａｅｉｈａａｋｐｅｓｒａｂｉｕｌｎａｇｄｅｈｏＴｅｄｓｇｈｗｓａｕｓａｄｎｆｃｎｌｏｔｅｌｔｏｉｇｅｍｅｈｄｏｔｚｔｎｈｅｉｎｓｏｎｏｔｔｎｉｇｅｆｔａｄａｓｈｉｆｓｎｌ－ｔｏｐｉａｉ．ｅｍｉｍｉｏＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｏｒｓｏ；ｇ — ｏｄｎ；ｔｚｔｎｄｓｇＮｕｒｃｓｍｕａｉｎＣｍｐｅｓｒＨｉｈｌａｉｇＯｐｉａｉｅｉｎ；ｍｅｉＭｉｌｔｍｉｏｏ
ｔｅｎｅｐｒｆｌｒｔｙｉｐｏｅｈｔｕｃｕｒｆｔｏｆｅｄ，ｓｐｅｓｄｔｅｆｏｓｐｒｔｎ，ａｄｆｎａｌｏｈｎｈｗｏｅｇｅａｌｍｒｖｄｔｅｓｒｔｅｏｈｅｆｗｌｉｌｉｕｐｒｓｅｈｌｗｅａａｉｏｎｉｌｂｒｕｇｔａｙ
中图分类号：２５Ｖ．３文献标识码：Ｂ
ＯｐｔｍｉａｉｎＤｅｉｎｆｒＨｉｈ—Ｌ０ｄｎｇＴｒｎｓｎｃｉｚｔｏｓｇｏｇａｉａｏｉ
ＡｘａｍｐｒｓｏａｅＰｒｆｌｉｌＣｏｅｓｒＢｌｄｏｅｉ
４３优化过程．
ａ￡＋Ｖ，＝Ｑ声＋Ｖ
（）１
式中Ｆ，分别为无粘通量和粘性通量，，Ｑ为源项。在离散
上述方程组时，空间项使用Ｊｍｅｏ有限体积差分格式对ａｓｎ的进行离散，时间项则采用显式四阶ＲｎｅＫｔ对ｕｇ— ｕｔ进行推ａ法
优化设计过程包括参数化造型、本数据库生成、局样全寻优三个阶段。
进。考虑到计算的速度与准确程度，计算所用湍流模型为单方程的ＳａｒＡｌａａ模型。进口条件给定为总温、ｐｌｔｌｒｓａ— ｍ总压（８．５１１２Ｐ）出口处设置为平均背压边界条件。在２８１Ｋ、０３５ａ，轮毂、匣及叶片表面使用绝热无滑移边界条件。动静交界机
ＬｉｇｊｎＣ－ｉＺＮａ — ｕｎ，ａＩａ－ｕ，ＨＵＷｕｌ，ＨＡＧＨｏｇａｇＭＩｎＸｎＰ
（ｃｏｌｆｏｅｎｎｒｙＮ￣ｗｓｍｏｔｈｉｌｎｖｒｉ，ｉａｈｎｉ０２，ｈｎ）ＳｈｏｏｗｒｄＥｅｇ，ｏｈｅｔＰｌｅｎｃｉｅｓｙＸ ’ｎＳａｘ７０７ＣｉａＰａｅｙｃａＵｔ１
压气机叶型也较为简单，化工作比较容易开展。优
方法通常无法准确描述真实的流动状况，非常容易导致设计
失真。为获得理想的设计效果，设计者必须依靠丰富的经验
与反复的“ 三维设计——全三维计算验证 ” 准迭代对设计方案进行修正，这将加重设计工作的负担。而使用三维数值优
遗传算法是一种基于自然群体遗传演化机制的搜索寻
优算法。它模拟自然界生物进化过程，用人工进化的方式采对目标空间进行随机化搜索。群体中的每一个个体通过编压气机的数值模拟由商用软件ＮＭＣＵＥＡ完成，使用三维雷诺平均的ＮＳ方程组求解流场的定常解， — 方程组如下：