压气机叶片多工况气动优化设计研究-.pdf

第 5 2卷 第 1期 2 0 1 0年 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY V0 1 ． 5 2 N o ． 1 Fe b ． 2 01 0 压气机叶片多工况气动优化设计研究 孙晓东 ， 韩万金 1哈 尔滨汽轮机厂有限责任公司， 哈 尔滨 1 5 0 0 4 6 ； 2哈 尔滨工业大学 ， 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 采用数值优化方法对跨声速压气机转子叶片进行了多工况气动优化设计 ， 并对设计前后的几何形状、 总体性 能及流场的变化进行了详细的分析对比。结果表明， 压气机转子前缘激波后掠可以有效地降低损失。优化后叶片 的变工况性能非常好 。各个工况点 的质量流量基本不变 ， 并且叶片稳定 工作范 围有所扩大 。 关键词 压气机 ； 多工况 ； 激波 ； 质量流量 分类号 V 2 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 2 0 1 0 0 1 - 0 0 2 4 - 0 3 T h e S t u d y o n t h e Mu l t i p l e L o a d i n g C o n d i t i o n s O p t i mi z a t i o n D e s i g n o f t h e B l a d e o f T r a n s o n i c C o mp r e s s o r S U N X i a o ． d o n g ． H A N Wa n -j i n 1 H a r b i n T u r b i n e C o m p a n y L i m i t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a ； 2 H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a A b s t r a c t N u me r i c a l o p t i m i z a t i o n d e s i g n w a s c a r r i e d o u t o n t h e m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n d e s i g n o f t h e r o t o r o f t r a n s o n i c c o mp r e s s o r ．Th e c h a n g e s o f g e o me t r y，o v e r a l l p e rfo r ma n c e a nd f l o w fi e l d we r e a na l y z e d a n d c o mpa r e d i n d e t a i l ．Th e r e s ul t s h o w s t h a t t h e l e a d i n g e d g e s h o c k w a v e s w e e p b a c k c o u l d r e d u c e l o s s o b v i o u s l y ． A f t e r o p t i mi z a t i o n t h e v a ria b l e c o n d i t i o n s p e rf o r ma n c e i s g o o d ．Ma s s fl o w o f e a c h c o n d i t i o n e s s e n t i a l l y c o n s t a n t a n d t h e s t a b l e o p e r a t i o n r a n g e o f b l a d e e n l a r g e s ． Ke y wo r ds c o mpr e s s or；mul t i pl e l oa di ng c on di t i o ns；s ho c k wa v e；ma s s flo w 0 前言 在叶轮机械的优化设计中有一个不得不考虑但却难于 实现因而很少被考虑的问题， 那就是多工况点的气动优化设 计问题 。 。一台好的风扇／ 压气机必须具有良好的变工况性 能， 具有较高的喘振裕度 。从单工况点优化结果来看， 所 优化叶片的变工况性能是不确定的， 有可能改进也有可能降 低 ， 因此优化 叶片在实际工程中的应 用就受到一定程度 的影 响。这进一步说明多工况点 同时优化是 必要的也是必需 的。 目前 ， 有关 采用数值优化方法进行多工况点设计 的公 开发表 的文献还不多见 ， 因此本文以 N A S A R o t o r 3 7为例 ， 尝试进行 多工况点优化设计 。 1 优化设计方案 1 ． 1 优化方案 在数学上来讲， 多工况点的优化问题与多 目标优化问题 类似， 分别在两个工况点进行响应面模型的建立， 然后进行 优化设计。本文选取 N A S A R o t o r 3 7动叶前缘积迭线为对象 尝试进行多工况的气动优化设计。同时考虑尖峰效率点与 近失速点两个工况 ， 设计变量与上文相同。采用 I H S方法 生 成的样本分别在两个工况点进行流场计算 ， 然后对两个工 况 点的质量流量、 总压比、 绝热效率分别进行回归分析， 建立响 应 面模型 ， 以两个工 况点 的绝热效 率最大 为 目标 ， 同时对 各 自工况点的总压比与质量流量加 以约束， 变化范围不超过 0． 5％ 。 1 ． 2网格结构划分 本文采用简单代数法生成常规 H型网格。图 1给出了 网格结构示意图。 一 一 口 N A S A3 7 转子计算网格三维视图 NA S A3 7 转子计算 网格三维视图 前缘 网格 尾缘 网格 c N A S A3 7 转子s l 流面计算网格 西N AS A3 7 转子前后缘网格 图 1 N A S A R o t o r 3 7计算网格示意图 1 ． 3 边界条件 对 N A S A R o t o r 3 7的数值 模拟也 是在设 计转速 下进行 。 边界条件的取法为 进 口给定 总压 和总温 ， 绝对速度 方 向为 收稿 日期 2 0 0 9 - 1 0 - 1 9 作者简介 孙 晓东 1 9 7 3 一 男， 工程师 ， 现 主要从事叶轮机械设计营销工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 孙晓东等 压气机叶片多工况气动优化设计研究 2 5 轴向； 出口在轮毂处给定静压值， 然后利用简化径向平衡方 程计算出口静压沿展向的分布； 物面边界采用了无滑移绝热 条件 。 2 结果分析 P a r e t o 线， 如图2所示。挑选其中的在两个工况点都有明显 改进的叶片进行气动分析。优化前后的总体性能参数的变 化列于表 1 。 图 3给出了前缘积迭线的变化形式， 可以看出， 主要的 变化在于叶片的弯曲形式不同， 而掠的变化则很小了。对于 为什么会 出现这样 的积迭形 式我 们可以这样 来分析 。对于 采用遗 传算法和模拟退 火算 法进行寻优 得到 了相似 的 跨声速压 气机 动叶 ， 从上面的优化 设计 可 以看 出 ， 弯 向旋转 表 1 N A S A 3 7前缘 积迭线 多工况叶片优化结果 髫 褂 ； j 四 掣 辟 嵌 图 2 遗传算法与模拟退火算法求解 P a r e t o前沿分布对比 警 O ． 2 4 0 ． 2 2 O ．2 0 0． 1 8 ⋯ ⋯一 ⋯一 ⋯一 一 ⋯ 寸 ⋯ 卜 ～ t 寸 ⋯ } ⋯ ．1 一 优化后进汽边l l ⋯ 一 ⋯ ～ ⋯ 一 一 ⋯ j ⋯ ⋯一 ． i ； i ⋯j ⋯一 j ⋯一 j ⋯ ⋯』⋯ 。 ．0 瞄． 0． O 5 0 ． 0 4． 0． 0 3． 0． 02 0． O1 0 J r 叶片几何形状的比 较 ‘[ 戛 兰匪 要 绝热效率 c 1 9 2 ．5 ％阻塞流量 图 3 优化结果 片 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机技术 第 5 2卷 方向是有利于气动性能的改善的， 而对于变工况的性能来 说， 叶片的前掠是有益的。如果不考虑质量流量的变化， 则 可能会出现大前掠 大弯度的叶片。但对于改型设计来说， 保持前后工况点的基本不变是十分重要 的 ， 由于压气 机子 午 流道是收缩 的， 如果动 叶过 度前 掠则 喉部 面积 会有 较大 增 加 ， 同样 ， 弯 向旋 向的增 大也会 使 得通 流面 积有较 大增 加 。 因此为了在满足约束条件的情况达到 良好的性能， 则不能出 现大前掠与大弯度结合的叶片。 图4还给出了在两个设计工况下绝热效率， 总压比的变 化情况。可以看出， 由于积迭形式在下半部分变化不很明 3 结论 铸 接 鼎 ∞9 8 ％ 阻塞流量 优化设计 优化设 计点 一 口 ／ { l口 ／ ， l f 、 、 原型设讦点 0 ．,n i -R 0 显 ， 因而效率和压比变化的都不是十分明显。在6 0 ％叶高以 上 ， 绝热效率在两个工况点都有了明显的提高。总压 比在近 失速点变化不明显， 而在峰值效率点有轻微的降低。图4给 出了在两个 工况 下8 1 ％ 叶高 马赫数 等值 线 的变 化 ， 可 以看 出， 其前缘激波都有不同程度后掠， 因而有效地降低了损失。 图 5给出了优化前后 的特性 线对 比， 可 以看 出， 优化 后 叶片的变工况性能 是非常 好的 。绝热效 率在整 个工况 范围 内基本都有所升高， 而增压比基本维持了不变。另外 由于约 束条件的严格加入， 使得各个工况点的质量流量基本不变 ， 并且优化后的叶片稳定工作范围有所扩大。 图 4 马赫数等值线对 比 丑 出 9 2 ．5 ％ 阻塞流量 二 蠼 j⋯ 一 n ～ ／ l＼ ＼ j i 自 ⋯ i i { { 1 0 优 化 转 子 I } O 质量流量／ 阻塞质量流量 ％ 质量流量／ 阻塞质量流量 ， ％ 图 5 特性线对 比 非常好 的。使得各个工况点 的质量流量 基本 不变 ， 并且优 化 后 的叶片稳定工作范围有所扩大 。 本文通过数值优化方法对跨声速压气机转子叶片进行 了多工况气动优化设计 。详 细地分 析 了设 计前后 的几何 形 状 、 总体性能及流场的变化 ， 得 出以下结论 1 压气机转子前缘激波后掠， 可以有效地降低损失。 2 由于约束条件的加入， 优化后叶片的变工况性能是 参 考 文 献 [ 1 ] 宋立 明， 李军， 丰镇平 ， 罗常．基于多 目标优 化的透平叶栅 变工况设计方法[ J ] ．航空 动力学报 ， 2 0 0 7 ， 9 ． [ 2 ] 蔡运金 ， 钟玉玲 ， 钱鲁泓 ， 何世 忠， 庞庆华．叶片打-f L x 压气机 喘振裕度和效率的影响 [ J ] ．工程热物理学报 ，1 9 8 6 ， 3 ． 上接第 2 3页 确性。该方程保持了能效分布矩阵方程的主体结构和结构 清晰， 通用性强 ， 适于计算机编程计算等特点。在核电事业 快速发展的今天， 该方程为优化核电机组热力系统设计， 提 高核电机组的热经济性提供了一种理论分析方法。 参 考 文 献 [ 1 ] 顾军杨 ， 陈连发．先进 型沸水堆 核 电厂 [ M] ．北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 郭江龙 ， 张树芳 ， 宋之平 ， 等．火电厂热力系统热经济性 矩阵分 析方法 [ J ] ．中国电机工程学报 ， 2 0 0 4 ， 2 4 1 2 0 5 2 1 0 ． [ 3 ] 李运泽 ， 严俊杰 ， 林万超 ， 等．压水堆核电机组二回路的矩阵分 析法 [ J ] ．热 力发电 ， 2 0 0 0， 2 9 4 2 62 8 ． [ 4 ] 林 万超 ．火电厂热系统节能理论[ M] ．西安 西安交通大学出 版社 ， 1 9 9 4 ． [ 5 ] 郑体宽．热力发 电厂 [ M] ．北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m