基于准三维方法的轴流压气机/风扇叶片气动优化设计

摘要

针对目前最常用的轴流压气机/风扇叶片准三维气动外形设计方法，分析S2通流设计计算中损失模型的重要性，以及基于试验数据和经验关系的损失模型经验系数难以确定、损失分布无法普适的缺陷，提出将Numeca三维数值模拟得到的总压损失系数径向分布反馈到S2流面流场计算程序，替代原有损失模型，重新进行 S2通流设计。由于反馈的损失考虑了设计叶片的基本气动特性，以及叶片通道内环壁附面层、转子叶尖间隙、径向掺混、角区分离等三维流动效应的影响，因而以反馈S2通流计算结果作为S1流面叶型气动设计目标与流场计算初边值条件，将使得各设计叶高叶型在一定程度上考虑了三维效应的影响，径向积叠后在三维流动环境也能够呈现出比较良好的气动性能，并符合S2通流设计目标。
　　在此基础上，利用实验室现有研究成果，将S1流面叶型气动优化设计与准三维叶片设计方法相结合，在 S1流面初始叶型正问题生成之后进行气动优化设计。以数值寻优代替叶型气动外形的人工调整，以叶型修改参数及其变化范围为设计空间，以目标函数最优解为设计方向，大幅度减少了对设计经验的依赖，缩短了获得优良叶型的设计周期。
　　根据上述思路，构建基于准三维方法的轴流压气机/风扇叶片气动优化设计平台，并运用该平台对设计流量为6.3kg/s、总压比为2.07的低展弦比轴流压气机第一级转子叶片进行气动设计，得到流量、总压比接近设计目标，等熵效率接近90％，失速裕度达15.5%的转子叶片。表明本文设计方法效果良好，在仅对设计得到的S1流面叶型径向积叠后，即得到了符合设计目标的高性能低损失三维叶片。
　　对上述转子叶片进一步进行积叠线三维气动优化设计发现，设计点流量、总压比及失速裕度无明显变化，设计点等熵效率提升不到0.8%；但叶片通道内三维流场分布更加合理、叶型载荷分布变化更加平缓。表明本文准三维优化设计得到的S1流面叶型径向积叠叶片气动性能已经比较优良，难以实现进一步提升；同时也验证了积叠线三维气动优化设计有利于改善叶片通道内流场结构分布，特别是叶片表面附面层的分布。

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图表目录

注释表

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 S2流面通流设计

2.1 S2流面流场计算

2.2 损失模型校验与修正

2.3 转子主要参数对转子性能及流场的影响

2.4 转子主要参数对静子性能及流场的影响

2.5 本章小结

第三章 S1流面叶型优化设计

3.1 S1流面叶型设计方法

3.2 S1流面流场计算

3.3 S1流面叶型自动优化设计

3.4 S1流面流场计算校验

3.5 S1流面叶型优化设计

3.6 本章小结

第四章 基于准三维方法的叶型气动优化设计

4.1 准三维方法设计流程

4.2 准三维方法设计实例

4.3 本章小结

第五章 转子叶片三维气动优化设计

5.1 优化参数设置

5.2 优化后转子叶片几何造型变化

5.3 优化后转子叶片气动性能提升

5.4 本章小结

第六章 准三维叶型设计软件开发

6.1 各功能模块界面设计

6.2 软件操作步骤概述

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文