多级轴流压气机叶片设计方法
阅读说明：本技术 多级轴流压气机叶片设计方法 (Multi-stage axial flow compressor blade design method ) 是由 翟志龙 曹传军 姜逸轩 邱毅 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：提供一种多级轴流压气机叶片设计方法,考虑多种影响因素调整,使其在加快设计进度的同时提高压气机的气动性能。基于原型压气机几何模型,建立包括多个影响因素对多级轴流压气机的气动性能影响的数学模型；基于原型压气机几何模型的初始设计结果与影响因素的预估的几何参数,联立求解对多排叶片气动性能影响的线性方程组,建立影响因素对多级轴流压气机的气动性能影响的系数矩阵；以及基于结构或强度专业对影响因素的调整量,代入数学模型中,然后结合系数矩阵,得到调整量导致的气动性能的差异,根据该差异,反算需要微调的叶片扭转角度,然后返回到设定金属角步骤,调整叶片扭转角度,更新气动设计。(The design method for the multistage axial flow compressor blade is provided, and the adjustment of various influence factors is considered, so that the design progress is accelerated, and the pneumatic performance of the compressor is improved. Establishing a mathematical model comprising the influence of a plurality of influence factors on the pneumatic performance of the multistage axial flow compressor based on a geometric model of a prototype compressor; based on the initial design result of the geometric model of the prototype compressor and the estimated geometric parameters of the influence factors, simultaneously solving a linear equation set influencing the aerodynamic performance of the multiple rows of blades, and establishing a coefficient matrix influencing the aerodynamic performance of the multistage axial flow compressor by the influence factors; and substituting the adjustment quantity of the influencing factors based on the structure or strength specialty into a mathematical model, combining a coefficient matrix to obtain the difference of the pneumatic performance caused by the adjustment quantity, calculating the blade torsion angle required to be finely adjusted according to the difference, returning to the step of setting a metal angle, adjusting the blade torsion angle, and updating the pneumatic design.)
技术领域
本发明涉及叶片的叶型设计方法，尤其涉及多级轴流压气机叶片设计方法。
背景技术
多级轴流压气机气动设计属于航空发动机设计中的难点之一。在网页(http://164.100.133.129:81/econtent/Uploads/04-PT12-AxComp-1％2064％20％5BCompatibility％20Mode％5D.pdf)中公布了相关的设计方法(Design of Axial FlowCompressor-1)。多级压气机常规设计采用附图1实线所示的设计流程，其中步骤1进行多级轴流压气机叶片的一维设计，在步骤2进行多级轴流压气机叶片的S2流面设计；在步骤3给定多级轴流压气机叶片的各截面进出口金属角；在步骤4给定各截面中弧线角度分布和厚度分布；在步骤5通过三维积叠获得叶片的三维模型；在步骤6进行三维CFD校核；在步骤7.考核气动性能，若气动性能不合格，再返回到步骤2重新进行S2流面设计，重复步骤2到步骤7；在步骤8，结束多级轴流压气机叶片的气动设计。
在以往的叶片设计方法中，在设计环节9中，需要对转子倒圆、转子叶尖间隙、叶片厚度(简称影响因素)进行适当的微调，以满足结构、强度专业需要。通常而言，多种影响因素综合叠加，尤其在多级压气机环境中，这些影响因素的调整对于单级压气机的性能影响，进而对各级之间的性能匹配存在重要的影响，如果在设计阶段采取忽略不计的解决方案，容易造成最终气动性能偏离设计状态；若充分考虑这些影响因素的修改对气动性能的影响，由于各专业迭代频繁，反复修改各影响因素，每一次修改都返回到设计初始阶段，会导致设计周期延长，难以保证研制进度，当前设计方法往往采用忽略不计的解决方案，或者在设计初始阶段人为给定一个修正量，这些方法都会导致各级叶片最终状态均偏离设计状态，由于级与级之间的叠加效应，进而导致整台压气机偏离设计预期，造成性能下降。因此，如何综合考虑这些影响因素对气动性能的影响，同时能够快速调整叶片设计结果，完成多级环境下的压气机设计成为了一个难点。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种多级轴流压气机叶片设计方法，考虑多种影响因素调整，使其在加快设计进度的同时提高压气机的气动性能。
为实现所述目的的多级轴流压气机叶片设计方法，包括完成多级轴流压气机叶片的气动设计，获得原型压气机几何模型，所述气动设计还包括设定金属角步骤，即给定多级轴流压气机叶片的各截面进出口金属角；
其特点是，该多级轴流压气机叶片设计方法还包括以下步骤：
基于所述原型压气机几何模型，建立包括叶片扭转角度的多个影响因素对多级轴流压气机的气动性能影响的数学模型；
基于所述原型压气机几何模型的初始设计结果与所述多个影响因素的预估的几何参数，联立求解所述多个影响因素对多排叶片气动性能影响的线性方程组，建立所述多个影响因素对多级轴流压气机的气动性能影响的系数矩阵；以及
基于结构或强度专业对所述多个影响因素的调整量，代入所述数学模型中，然后结合所述系数矩阵，得到所述调整量导致的气动性能的差异，根据该差异，反算需要微调的叶片扭转角度，然后返回到所述设定金属角步骤，调整叶片扭转角度，更新所述气动设计，以弥补所述调整量对气动性能的影响，使各级叶片工作点仍然处于单级特性的峰值效率点。
在所述的多级轴流压气机叶片设计方法的一个或多个实施方式中，所述多个影响因素还包括转子叶尖间隙、叶片厚度、转子叶根倒圆中的至少一个。
在所述的多级轴流压气机叶片设计方法的一个或多个实施方式中，建立所述数学模型的步骤包括针对原型压气机几何模型，利用软件的划分网格，完成压气机流体区域的网格离散，利用软件进行三维定常粘性求解，采用守恒型雷诺平均N-S方程组作为控制方程，湍流模型采用S-A模型，给定合适的边界条件，求解设计转速下的三维流场。
在所述的多级轴流压气机叶片设计方法的一个或多个实施方式中，建立所述数学模型的步骤还包括分别开展所述多个影响因素的不同的值对压气机气动性能的影响计算：在所述原型压气机几何模型基础上，分别建立对应所述多个影响因素的不同的值的压气机三维模型，采用求解所述三维流场的过程，得到以所述多个影响因素的不同值为条件的压气机单级特性和设计点性能参数，进行多项式拟合得到F(x)，其中x代表不同所述多个影响因素之一的值，F(x)代表所述多个影响因素的不同的值所对应的设计点流量。
在所述的多级轴流压气机叶片设计方法的一个或多个实施方式中，建立所述系数矩阵的过程包括考虑多级转子叶片之间的相互影响，以三级或更多级转子叶片为组合，按照设计经验初步给定其中一级转子叶片对应的所述多个影响因素的参考值，对所述组合构造系数方程组，根据所述多个影响因素的参考值以及所述F(x)得到相应的影响因素对该级叶片的流量影响偏差，代入系数方程组，求解所述线性方程组，得到系数解，其中各系数为各影响因素的权重系数，代表不同影响因素对所述组合的气动性能的分配比例关系。
根据前述方法可获得有益效果包括：
1、在叶片设计阶段，根据结构、强度对叶片厚度、倒圆、叶尖间隙的调整，通过微调叶片扭转角度，实现各级叶片与设计目标保持一致，提高多级压气机气动性能，2、基于所述方法，可以显著加快设计迭代进度。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是根据多级轴流压气机叶片设计方法的流程图。
图2是不同叶尖间隙下的压气机单级特性曲线图。
图3是叶尖间隙与流量相关的曲线图。
图4是不同倒圆半径下的压气机单级特性曲线图。
图5是倒圆半径与流量相关的曲线图。
图6是不同叶片厚度下的压气机单级特性曲线图。
图7是图6中I处的局部放大图。
图8是叶片厚度与流量相关的曲线图。
图9是不同转子叶片扭转角度对压气机气动性能的影响模型曲线。
图10是叶片扭转角度与流量相关的曲线图。
图11是对应某一级转子叶片初始设计结果、调整结果的流量-压比曲线图。
图12是对应某一级转子叶片初始设计结果、调整结果的流量-效率曲线图。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
后述实施方式如图1所示，对已有设计方法进行改进，增加了步骤11，在步骤9之后，沿着虚线返回到步骤3，返回过程中执行步骤11。
步骤11包括以下步骤：
1、基于步骤8获得的原型压气机几何模型，建立转子叶尖间隙、叶片厚度、转子叶根倒圆、叶片扭转角度对气动性能的数学模型。
2、基于初始设计结果与预估的影响因素的几何参数，联立求解多种影响因素对多排叶片气动性能影响的线性方程组，建立多种影响因素对气动性能影响的系数矩阵。
3、在设计步骤9的调整阶段，基于结构、强度专业对影响因素的调整量，代入步骤1建立的数学模型中，然后结合步骤2建立的系数矩阵，得到当前影响影响因素调整所导致的气动性能的差异，根据该性能差异，反算需要微调的叶片扭转角度，沿流程图1中的虚线返回到设计步骤3，调整叶片扭转角度，叶片扭转角度与叶片金属角具有关联的数学关系，由叶片扭转角度可知叶片金属角。其它参数保持不变，以弥补影响因素对气动性能的影响，使各排叶片工作点仍然处于单级特性的峰值效率点。
以下结合图1进行更加具体的描述。
1.首先，按照常规设计流程完成多级压气机设计，即按照图1中给定的步骤1～8完成设计。以10级压气机为例，即按照附图1给出的设计步骤1完成一维平均半径设计，设计步骤2完成S2流面通流设计，根据设计步骤2计算得到的各级叶片进出口气流环境和负荷分配，依次完成设计步骤3～8中给定的各级压气机气动设计。气动设计完成以后，此时在步骤9，需要根据结构、强度专业建议进行各级气动特征局部调整，包括叶尖间隙调整、倒圆等因素调整。
接着沿着虚线执行步骤11，步骤11包括如下过程：
2.建立多种影响因素的分析模型
2.1分析原型压气机各级的气动性能
针对步骤8获得的原型压气机几何模型，叶尖间隙值采用设计值0mm，倒圆0mm，利用NUMECA软件的AutoGrid模块划分网格，完成压气机流体区域的网格离散，利用NUMECA软件的Fine/Turbo模块进行三维定常粘性求解，采用守恒型雷诺平均N-S方程组作为控制方程，湍流模型采用S-A模型，给定合适的边界条件，求解设计转速(100％额定转速)下的三维流场。
2.2开展不同叶尖间隙对压气机气动性能的影响计算。
在步骤2.1的原型压气机几何模型基础上，分别建立叶尖间隙为0.1mm、0.3、0.5mm和0.7mm的三维模型，采用步骤2.1中网格离散、数值求解和结果处理方法，得到不同叶尖间隙下的压气机单级特性(如图2所示)和设计点性能参数。在图2中横坐标为流量，纵坐标为压比，TIP为叶尖间隙。
如图3所示，CFD为根据步骤2.1分析的设计点，Fitting表示拟合曲线，在图3中，横坐标选取叶尖间隙值，纵坐标选取不同叶尖间隙计算得到的设计点工况流量值，进行多项式拟合，拟合公式为F(x)＝0.115x3-0.256x2+0.007x+2.432，其中x代表不同叶尖间隙值，F(x)代表不同叶尖间隙值所对应的设计点流量。
2.3开展不同转子倒圆对压气机气动性能的影响计算。
在步骤2.1的原型压气机几何模型基础上，分别建立转子倒圆半径为0.6mm、1mm、1.4mm和3mm的三维模型，采用步骤2.1中的网格离散、数值求解和结果处理方法，得到不同倒圆半径下的压气机单级特性(图4)和设计点性能参数。在图4中，fillet表示倒圆半径。
横坐标选取转子倒圆半径值，纵坐标选取不同倒圆半径计算得到的设计点工况流量值，进行多项式拟合，见附图5，拟合公式为F(x)＝-0.012x+2.415。其中x代表不同倒圆半径值，F(x)代表不同倒圆半径值所对应的设计点流量。
2.4开展不同转子叶片厚度对压气机气动性能的影响计算。
在步骤2.1的原型压气机几何模型基础上，分别建立叶片厚度相较于原型压气机几何模型为-0.03mm、+0.03mm、+0.065mm和+0.08mm(负号代表减薄，正号代表加厚)的三维模型，即对整个叶片按照上述厚度进行加厚，采用步骤2.1中的网格离散、数值求解和结果处理方法，得到不同叶片厚度下的压气机单级特性(附图6和图7)和设计点性能参数。在图6和图7中，叶片厚度-0.03mm、+0.03mm、+0.065mm和+0.08mm应的曲线分别为-30、+30、+65和+80曲线。
横坐标选取叶片厚度调整值，纵坐标选取不同叶型厚度计算得到的设计点工况流量值，进行多项式拟合，见附图8，拟合公式为F(x)＝0.64*(10.40*x2+1.02*x+3.73)。其中x代表不同厚度调整值，F(x)代表不同厚度调整值所对应的设计点流量。
2.5依次类推，开展不同叶片扭转角度对压气机气动性能的影响计算，得到不同转子叶片扭转角度对压气机气动性能的影响模型(图9和图10)。在图9中，BASELINE为原型压气机几何模型对应的曲线，CLOSE表示卷收方向的角度，分别为3.5度，2.5度，1.5度。OPEN表示展开方向的角度分别为1.5度，2.5度，3.5度。如图10所示，拟合公式为F(x)＝-0.028x+3.75。其中x代表不同角度调整值，F(x)代表不同角度调整值所对应的设计点流量。
3、考虑多级之间的相互影响，以三级或更多级组合，如8级、9级、10级为例。按照设计经验初步给定某一组影响因素的参考值，如叶尖间隙给定0.5mm，转子倒圆给定1.1mm，叶片调整厚度为+0.01mm，对三级转子叶片构造如方程组1所示的系数方程组，其中，方程组的A11代表叶尖间隙的偏差对第8级特性的影响，如第8级转子叶片当前设计间隙0.5mm，与原型压气机模型存在0.5mm的设计偏差，将0.5mm和0mm设计间隙分别代入步骤2中的拟合公式，得到叶尖间隙对该级叶片的流量影响偏差，代入系数矩阵的第一项。A12代表转子倒圆差异对第8级转子特性流量的影响，A13代表转子叶型厚度调整对第8级特性流量的影响，其他系数类推。原型压气机几何模型的初始设计结果第8级与设计目标的偏差量，记为方程组右端项B1，其他类推。
求解上述线性方程组，得到解：X＝[13.3,-33.4,3.75]，其中各系数为各影响因素的权重系数。该系数代表不同因素对这三排叶片气动性能的分配比例关系。
4、根据结构设计结果以及强度校核结果，在原型压气机基础上对影响因素进行微调。附图11和图12中给出了某一级初始设计结果、调整结果。曲线1为初始设计流量压比特性计算结果，曲线3为共同工作线，曲线1与曲线3的交点11为设计点下该级叶片的工作点，在流量效率曲线4中所对应的点为41，可以看出该级压气机工作点流量偏小，工作在峰值效率线的左半支，基于工作点41(初始设计结果)和峰值效率点42(设计目标)的流量差异，代入步骤2中的数学模型，得到所需扭转的叶片角度，按照图1给出的设计环节2～8重新校核，得到调整后的特性线2，特性线2与共同工作线3的交点为21，该状态点在流量效率曲线5为峰值效率点51。
5、对各级压气机均按照上述步骤2～4给出的设计流程进行优化迭代。以此调整各级压气机均位于各自单级特性的峰值效率点，此时多级压气机与设计预期一致，效率最高。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
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