跨音速压气机优化及高负荷压气机改型设计

发布时间：2017-08-24 14:33

  本文关键词：跨音速压气机优化及高负荷压气机改型设计

  更多相关文章： 气动优化 性能提升贡献 高负荷设计 串列静子 流场结构分析

【摘要】：现代压气机不断向大流量、高负荷、高效率的方向发展,传统叶片叶型设计方法已不能满足高性能压气机发展的需要,这促使人们去研究和开发新的叶型设计技术和优化手段,以适应高性能叶轮机械发展的要求。本文以某双级跨音压气机为研究对象,以提高其等熵效率和扩大稳定工作范围为目标,选用合适的参数化方法,结合人工神经网络技术和遗传算法,级环境下对该压气机进行多目标气动优化。针对内部复杂流动状况,制定合适的优化策略:端区一体化优化,叶型优化和积叠线优化;并在完成优化设计工作之后,对三种不同的优化设计手段进行性能提升贡献的核算,并着重分析了提高跨音级压气机气动性能的关键因素,为今后的跨音速优化设计工作提供参考。本文在原有双级压气机的基础上,进行增压改型设计探索:几何参数保证进口半径和轮毂线不变,流量不变的情况下单级实现原有双级压气机的压比,以期大大缩小轴向尺寸。设计过程中选用当代压气机的许多新设计理论和新设计概念进行了探讨和设计尝试,包括低展弦比、低反力度设计、流道收缩设计、预压缩设计等思路,并采用串列静子技术保证大的静子弯度情况下依然能实现高效的流动。初步建立“充分利用二维设计经验,以三维数值模拟为基础进行优化”的新的气动设计体系,成功完成改型设计工作,在未使用流动控制的基础上实现了2.4的总压比和85%的等熵效率。针对本文自行设计的单级高负荷压气机,对设计转速下深入分析流动细节。转子设计较为合理,尖部负荷水平较高,原因是主要增压形式是激波增压;最大效率点在机匣和端部叶型的共同作用下,尖部泄漏流动得到了很好的控制,叶尖流动损失并不严重;近失速点泄漏流动恶劣,引起发动机的“突尖波型失速”现象。前排静子叶片的落后角确定了后排叶片的进口气流角,在前排叶片分离严重的情况下,前排叶片的尾迹在后排叶片通道中堆积,流道堵塞减弱了后排通道中气流面层分离的发生,后排叶片工作状态稍有改善,后排叶片尾迹反而减薄。
【关键词】：气动优化 性能提升贡献 高负荷设计 串列静子 流场结构分析
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V233
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 本文研究的背景及意义9-11
• 1.1.1 航空叶轮机的发展概况9-11
• 1.1.2 叶片优化设计的意义11
• 1.2 国内外相关研究的现状11-17
• 1.2.1 叶片设计的发展11-12
• 1.2.2 高负荷压气机设计12-15
• 1.2.2.1 高负荷压气机设计的发展12-15
• 1.2.2.2 三维空间气动造型15
• 1.2.3 叶片优化设计的发展现状15-17
• 1.3 本文的研究目的及主要工作17-19
• 第二章 优化系统19-35
• 2.1 参数化方法19-27
• 2.1.1 Bezier曲线20-21
• 2.1.2 B样条21-22
• 2.1.3 叶片参数化造型方法22-27
• 2.1.3.1 流面的定义和子午流道轮廓定义22-23
• 2.1.3.2 二维叶型中弧线定义23-24
• 2.1.3.3 二维基元级吸压力面型线的生成及控制24
• 2.1.3.4 三维叶片积叠线的NURBS描述24-25
• 2.1.3.5 参数化前后叶型对比25-27
• 2.2 人工神经网络27-29
• 2.2.1 神经网络概述27-28
• 2.2.2 BP神经网络28-29
• 2.3 优化算法29-31
• 2.3.1 遗传算法的基本原理29
• 2.3.2 基本遗传算法的参数及运行流程29-31
• 2.3.3 问题约束条件的处理31
• 2.4 优化系统31-32
• 2.5 本章小结32-35
• 第三章 级环境下跨音速压气机优化设计35-59
• 3.1 研究对象和数值模拟35-37
• 3.1.1 研究对象35-36
• 3.1.2 计算网格和数值模拟方法36-37
• 3.2 优化策略的制定37-41
• 3.2.1 优化策略37-40
• 3.2.2 参数化数目和目标函数40-41
• 3.3 优化结果对比分析41-43
• 3.3.1 优化结果41-42
• 3.3.2 优化前后叶型对比42-43
• 3.4 优化前后流场对比分析43-56
• 3.4.1 流场结构总体对比43-47
• 3.4.1.1 优化前后S2流面熵等值线云图43-44
• 3.4.1.2 S1流面相对马赫数云图44-46
• 3.4.1.3 吸力面极限流线46-47
• 3.4.2 第一排转子优化前后流动细节分析47-51
• 3.4.3 第二排静子优化前后流动细节分析51-52
• 3.4.4 第二排转子优化前后流动细节分析52-55
• 3.4.5 第二排静子优化前后流动细节分析55-56
• 3.5 三种优化策略对性能提升的贡献核算及敏感性分析56-57
• 3.6 本章小结57-59
• 第四章 跨音速压气机高负荷改型设计59-73
• 4.1 设计指标59-60
• 4.2 设计思想60-63
• 4.2.1 低展弦比和低反力度设计思想60-61
• 4.2.2 收缩流道设计思想61-62
• 4.2.3 转子尖部设计原则62
• 4.2.4 串列静子设计思想62-63
• 4.3 设计流程63-67
• 4.3.1 转子设计64-65
• 4.3.2 静子设计65-67
• 4.4 设计结果的三维校核67-72
• 4.5 设计结果分析72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 高负荷压气机流动结构分析73-83
• 5.1 转子73-75
• 5.1.1 转子静压沿轴向分布73-74
• 5.1.2 转子间隙泄漏流动分析74-75
• 5.2 串列静子75-80
• 5.2.1 静子静压沿轴向分布75-77
• 5.2.2 串列静子吸力面极限流线图77-78
• 5.2.3 S3流面熵云图分布78-79
• 5.2.4 前排静子尾迹简要分析79-80
• 5.3 本章小结80-83
• 第六章 总结与展望83-87
• 6.1 研究总结83-84
• 6.2 研究工作展望84-87
• 致谢87-89
• 参考文献89-97
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况97
• 攻读硕士期间获奖情况97-98

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