与吸气耦合吸附式叶片优化设计

摘要

吸附式压气机技术是提高压气机负荷的重要途径之一。本文借助最优化方法和数值分析手段，对吸附式压气机叶片设计进行了探索，并就吸气参数对任意回转面叶栅流动及组合吸气对叶片通道内流动的影响进行了分析，为高效、高负荷吸附式压气机叶片设计积累了经验。
　　首先，建立了吸附式回转面叶型优化设计软件平台，将基于并行遗传算法的数值优化技术与任意回转面叶栅流场计算相结合，实现吸附式叶型自动优化设计。利用NUMECA软件进行吸附式三维叶片数值计算，并将流场计算结果与自编软件进行对比分析。
　　其次，提出吸附式压气机叶片设计的基本流程，以低转速、高负荷吸附式压气机转子叶片为例，进行S2流面通流设计、吸附式回转面叶型设计和三维叶片优化设计。考虑到通流设计中损失模型的重要性，采用优化方法建立吸附式叶型初始损失模型，并通过迭代设计，应用三维流场计算结果提供S2流面通流计算损失模型，提高了S2流面流场计算精度；采用准三维方法进行吸附式回转面叶型设计，将叶型参数和吸气参数均作为设计变量，综合考虑二者变化对回转面叶栅流场的影响，实现二者的耦合优化设计；进行吸附式三维叶片优化，实现了叶型积叠线的弯掠设计和对子午面流道的修改。根据上述思路设计得到吸附式压气机转子叶片，在229m/s的叶尖线速度下设计点压比为1.63，效率为0.965，实现了高气动性能。
　　再次，研究了吸气参数对任意回转面叶栅流动的影响，得出与平面叶栅一致的结论。通过端壁周向开缝，研究了组合吸气对转子通道内流动的影响，结果表明：合理地进行端壁吸气可以改善叶片端壁区流动，抑制流动堵塞，但可能导致吸力面附面层局部分离，带来额外损失。
　　最后，探索了吸附式静子叶片设计方法。采用准三维方法设计得到的静子基本满足设计要求，但损失偏大，与转子匹配后级效率偏低。合理地进行静子端壁吸气可有效抑制角区分离，改善端壁区通流能力，提高压气机级的总体性能。由于静子叶片通道内三维流动较强，需要进一步采用三维设计方法改进设计。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

1.4本文组织结构

第二章 吸附式叶片数值分析方法

2.1 吸附式压气机优化设计软件平台

2.2 数值最优化

2.3 叶型/叶片参数化

2.4 正问题流场计算

2.5 目标函数设定

2.6 商用CFD软件NUMECA

2.7 叶片表面吸气的数值模拟方法

2.8 本章小结

第三章 高负荷吸附式压气机转子叶片优化设计

3.1吸附式压气机叶片优化设计

3.2 S2流面通流设计

3.3 S1流面叶型设计

3.4 吸附式压气机转子反馈设计

3.5 吸附式压气机转子叶片三维优化设计

3.6 本章小结

第四章 吸气参数、吸气方式对压气机转子叶片性能的影响

4.1 吸气位置、吸气系数对任意回转面叶栅流动的影响

4.2组合抽吸对压气机转子叶片性能的影响

4.3 本章小结

第五章 吸附式压气机静子叶片设计技术探索

5.1 静子S2流面通流设计

5.2 静子S1流面叶型设计

5.3 静子端壁区流动控制

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文