风扇叶片气动性能优化设计

发布时间：2017-08-30 14:39

  本文关键词：风扇叶片气动性能优化设计

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【摘要】：高效率一直是多级轴流风扇所追求的目标,对于高负荷跨音风扇转子,由于叶尖进口马赫数高,激波强度大,设计难度大,采用自动优化的方法能够大大减小对设计者专业知识和经验的依赖,对于多级风扇,网格量大,计算时间长,由于遗传算法将产生若干个个体,都将进行流场计算,将大大增加优化所耗时间。本文探索考虑相邻叶片排影响的单排叶片优化方法、兼顾级环境匹配特性,提高现有两级风扇效率;本文研究另一主要内容就是参照该两级风扇第一级转子性能指标,自行进行气动设计,以验证设计软件平台并进一步提高该转子性能。本文首先对现有两级风扇进行了全流场特性计算,并探索了三种边界条件设置方案单转子流场计算方法。通过对设计点流场计算得知,方案三与两级环境下单转子性能最为接近,并通过对设计点叶片通道内流场对比,两者基本吻合。然后运用课题组现有的基于并行遗传算法的三维叶片优化软件,采用方案三对该转子进行三维优化,优化目标为保证流量和压比不变,提高其效率。优化后的单转子叶片在设计点效率提升近一个百分点,最后将优化后的转子叶片放入两级环境中计算得知,结果表明:与原始两级风扇相比,采用优化转子的两级风扇在设计点效率也提高0.5个百分点以上,裕度近于相同,达到了预期的效果。参照上述转子性能指标,对该跨音风扇转子进行自行设计,包括初始叶片设计和三维叶片优化。采用课题组现有的设计软件,进行通流设计,并分别设计出10%、50%、90%叶高的二维叶型。由于高跨音风扇转子叶片叶尖处进口马赫数高,运用超音叶型设计方法,设计出两个90%叶高叶型,即S型预压缩和C型超音叶型。结果表明:采用S型叶型可以有效地降低激波前马赫数值,降低激波损失,并有效控制波后附面层分离。将10%和50%叶高叶型分别与两个90%超音叶型径向积叠成两个三维叶片。最后运用课题组三维优化软件,分别对两个叶片进行三维优化。经过优化,叶片A效率提高2个百分点以上,叶片B提升近一个百分点,流量和压比更接近设计值。
【关键词】：跨音风扇 多级环境 第一级转子 并行遗传算法 数值优化 叶片设计
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V232.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 研究背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 风扇/压气机自动优化设计研究14-15
• 1.2.2 高负荷轴流压气机/风扇设计研究及激波研究15-17
• 1.2.3 多级轴流风扇/压气机设计及研究17-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 第二章 三维叶片自动优化设计方法19-30
• 2.1 三维叶片自动优化方法介绍19-29
• 2.1.1 数值最优化方法19-20
• 2.1.2 并行遗传算法简介20-21
• 2.1.3 二维叶型/三维叶片参数方法21-23
• 2.1.4 三维流场计算方法23-29
• 2.2 小结29-30
• 第三章 原始两级风扇及单转子/静子研究30-49
• 3.1 带导叶两级原始风扇性能计算30-37
• 3.2 主要参数对转子叶片性能的影响37-41
• 3.2.1 第一层网格宽度对转子叶片性能的影响37-39
• 3.2.2 上子午面下压对转子性能的影响39-41
• 3.3 级环境下转/静子与单排计算的比较41-47
• 3.3.1 单排静子计算41-43
• 3.3.2 单排转子计算43-47
• 3.4 小结47-49
• 第四章 基于准级环境下转子叶片单排三维优化设计49-70
• 4.1 转子叶片优化参数设置49-50
• 4.1.1 叶片设计参数及其修改量设置49-50
• 4.1.2 目标函数设置50
• 4.1.3 遗传相关参数的设定50
• 4.2 第一次优化结果分析50-53
• 4.3 第二次优化结果分析53-69
• 4.3.1 个体进化图53-54
• 4.3.2 优化前后子午面和叶片对比54-56
• 4.3.3 优化前后单转子叶片性能比较56-60
• 4.3.4 优化前后两级风扇性能比较60-65
• 4.3.5 优化后上子午面整体下移性能比较65-69
• 4.4 小结69-70
• 第五章 基于准三维方法的转子叶片三维设计70-81
• 5.1 S2流面通流设计70-72
• 5.2 S1流面叶型设计72-76
• 5.2.1 超音叶型介绍72-73
• 5.2.2 回转面计算结果与通流计算结果对比73-76
• 5.3 三维流场计算76-80
• 5.4 小结80-81
• 第六章 初始转子叶片气动优化设计81-98
• 6.1 转子叶片A三维气动优化设计81-87
• 6.1.1 三维叶片参数修改量81
• 6.1.2 目标函数设置及遗传算法相关参数设定81-82
• 6.1.3 优化结果分析82-87
• 6.2 转子叶片B三维气动优化87-93
• 6.2.1 修改量及权重系数设置87
• 6.2.2 优化结果分析87-93
• 6.3 与现有某两级风扇第一级转子性能比较93-97
• 6.4 本章小结97-98
• 第七章 总结与展望98-100
• 参考文献100-103
• 致谢103-104
• 在校期间的研究成果及发表的学术论文104

【参考文献】

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本文编号：759893