[发明专利]轴流压气机叶片的优化设计方法和系统

说明书

本发明提供了一种轴流压气机叶片的优化设计方法和系统，该方法包括：根据轴流压气机的流动特点，将描述流动过程的偏微分方程转换为常微分方程；建立轴流压气机的状态方程；根据预设的约束条件，基于所述状态方程，确定轴流压气机的最优扩压因子分布；以出口角作为控制变量，根据叶片三维空间的几何造型所对应的参数和所述常微分方程，迭代运算，得到满足所述轴流压气机的最优扩压因子分布的叶片型线。采用该方法设计的轴流压气机叶片具有高效率、大失速裕度的特性，适用于各种设计工况和变工况。

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，具体地，涉及轴流压气机叶片的优化设计方法和系统。

背景技术

轴流压气机是大型发电、军工等重要行业中最关键的旋转机械，其工作的高效性、可靠性与安全性，一直是学术界与企业界关注的热点。机组的高效性(包括设计工况与变工况)与可靠性(长周期无故障运行)对企业的经济效益起到十分重要的作用。在这类机械的叶片设计中，不仅要有高的单个设计工况效率，并且还应该有能满足多个设计工况的设计以及高效的变工况性能以及大的喘振裕度的综合先进性。因此，在叶轮的设计中，应该通过对叶片数、动静部件间隙与周向位置分布、动静叶的叶型设计等控制达到最好效果，以控制防止在透平流体机械中极为重要的失速、喘振的发生。

经过对现有技术的检索，申请号为CN200710079869.X，名称为“一种轴流式叶轮机械的设计方法及叶片”的专利文献中公开了采用径向平衡算法或沿子午流线准正交方向平衡计算方法。在这些设计方法中，前后排叶片的间隙中都存在一个设计自由度，该设计值沿叶高的分布规律就确定了叶片的成型，这种分布规律即为叶片的“扭曲规律”或“流型”，常用的有等环量扭曲规律、等反动度扭曲规律等等。基于叶片流型，也就是某参数沿径向的分布，可以求解出压比、效率、气流速度、进出口角等各参数沿叶高的分布。在压气机中，根部和顶部流动情况极为复杂，在来流马赫数较高时，出口流场不均匀，损失沿径向的变化明显，采用早期流行的径向等功设计可能达不到预期效果，因此，沿径向不等功设计在近年多被采用。由于负荷和负荷极限对压气机的性能、喘振裕度和效率等影响很大，不等功设计方法希望掌握负荷沿径向的分布，并将负荷和可控制的设计参数相关联，从而将负荷作为一个设计自由度，达到提高效率、扩大变工况范围的目的。然而，对于气动负荷来说，在设计伊始，很难给出沿径向的合理分布。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种轴流压气机叶片的优化设计方法和系统。

第一方面，本发明提供一种轴流压气机叶片的优化设计方法，包括：

步骤1：根据轴流压气机的流动特点，将描述流动过程的偏微分方程转换为常微分方程；

步骤2：建立轴流压气机的状态方程；

步骤3：根据预设的约束条件，基于所述状态方程，确定轴流压气机的最优扩压因子分布；

步骤4：以出口角作为控制变量，根据叶片三维空间的几何造型所对应的参数和所述常微分方程，迭代运算，得到满足所述轴流压气机的最优扩压因子分布的叶片型线。

可选地，所述步骤1包括：

假定流动为相对定常、非等熵、忽略当地粘性力的作用，以及采用熵增来确定粘性的历史积累影响，以对描述流动过程的偏微分方程进行简化，得到常微分方程。

可选地，所述步骤2中的状态方程如下：

其中，