压气机叶片多工况气动优化设计研究

第52卷第1期2010年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0152NO1FEB2010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150046；2哈尔滨工业大学，哈尔滨150001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V232文献标识码A文章编号10015884201001002403THESTUDYONTHEMULTIPLELOADINGCONDITIONSOPTIMIZATIONDESIGNOFTHEBLADEOFTRANSONICCOMPRESSORSUNXIAODONGHANWANJIN1HARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINA；2HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINAABSTRACTNUMERICALOPTIMIZATIONDESIGNWASCARRIEDOUTONTHEMULTIOBJECTIVEOPTIMIZATIONDESIGNOFTHEROTOROFTRANSONICCOMPRESSORTHECHANGESOFGEOMETRY，OVERALLPERFORMANCEANDFLOWFIELDWEREANALYZEDANDCOMPAREDINDETAILTHERESULTSHOWSTHATTHELEADINGEDGESHOCKWAVESWEEPBACKCOULDREDUCELOSSOBVIOUSLYAFTEROPTIMIZATIONTHEVARIABLECONDITIONSPERFORMANCEISGOODMASSFLOWOFEACHCONDITIONESSENTIALLYCONSTANTANDTHESTABLEOPERATIONRANGEOFBLADEENLARGESKEYWORDSCOMPRESSOR；MULTIPLELOADINGCONDITIONS；SHOCKWAVE；MASSFLOW0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NASAROTOR37为例，尝试进行多工况点优化设计。1优化设计方案11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NASAROTOR37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IHS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05。12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NASA37转子计算网格三维视图NASA37转子计算网格三维视图前缘网格尾缘网格CNASA37转子SL流面计算网格西NASA37转子前后缘网格图1NASAROTOR37计算网格示意图13边界条件对NASAROTOR37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20091019作者简介孙晓东1973一男，工程师，现主要从事叶轮机械设计营销工作。第1期孙晓东等压气机叶片多工况气动优化设计研究25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PARETO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1NASA37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PARETO前沿分布对比警O24022O20018一一一一寸卜T寸1一优化后进汽边LL一一一J一I；IJ一J一J。0瞄0O50040030020O10JR叶片几何形状的比较戛兰匪要绝热效率C1925阻塞流量图3优化结果片汽轮机技术第52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98阻塞流量优化设计优化设计点一口L口，LF、原型设讦点0,NIR0显，因而效率和压比变化的都不是十分明显。在60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81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925阻塞流量二蠼J一NLJI自II10优化转子IO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，2007，92蔡运金，钟玉玲，钱鲁泓，何世忠，庞庆华叶片打FLX压气机喘振裕度和效率的影响J工程热物理学报，1986，3上接第23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