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原文传递船用燃机低压压气机气动布局方法研究

论文题名：	船用燃机低压压气机气动布局方法研究
关键词：	船用燃机;低压压气机;气动布局;性能指标
摘要：	自航空发动机和燃气轮机重大专项启动实施以来，作为国家制造强国建设战略中重要的组成部分，舰船燃气轮机压气机设计研发以技术难度大、开发周期长的特点一直深受广大学者关注。研究多级轴流压气机气动设计方法与规律对于积累设计经验、降低设计成本、提高设计效率都有重大意义。一维初始设计和S2通流设计是压气机设计体系中的重要环节，其特点是计算快，但对经验模型依赖程度高。为了探究气动布局规律，需要足够数量的计算样本，本文以一维和S2设计与分析为主，以三维CFD计算为辅对船用多级轴流压气机的气动布局方法进行了深入研究。　　首先，基于前人对S2通流计算经验模型的研究，通过对比分析总结了一套通用性强、灵活度高、适用于船用多级轴流压气机的经验模型，并以此开发了S2正问题计算程序。对不同类型压气机的通流预测结果、实验测量值和三维CFD特性计算结果进行对比，验证了S2正问题程序的可行性。采用缩放技术对S2损失模型进行了修正，提高了预测精度。　　然后，基于一维设计与分析方法研究了流量系数、载荷系数与反动度的沿级分布方式对设计转速下压比、效率、喘振裕度和扩压因子的综合影响，其中流量系数和载荷系数分布曲线采用三次函数，反动度则为二段式。对于本文研究的8级低压压气机，发现流量系数峰值位置在第6级，载荷系数在第5级或第6级时性能最好，第4级反动度取在0.5～0.52区间内效率较高，并以此提炼了一维设计中各关键设计参数分布曲线的数学模型。通过Smith图的分析手段定性地研究了流量系数、载荷系数和反动度的级间匹配规律，发现反动度和载荷系数的分布形式对设计转速下各级效率的影响较强，且反动度对后面级影响更大。　　接下来，基于S2反问题与本文开发的S2正问题计算程序，研究了8级低压压气机的S2扭曲规律，发现从首级到末级采用从等反动度到等环量扭曲规律过渡的方式效果较好，并在此基础上对比了不同的叶尖环量及反动度选取方案下的特性曲线，得到了性能较优的扭曲方案。　　最后，为了进一步寻找多级压气机气动布局的规律和优化方向，开展了基于优化理论的设计方案寻优方法研究工作。根据遗传算法理论开发了寻优程序，通过带局部陷阱的测试函数验证了寻优程序的全局性。将优化方法与HARIKA算法相结合，研究了流量系数、载荷系数和反动度分布方式对全工况性能的影响，以不同的性能指标对各设计参数分布曲线进行了优化，研究表明流量系数分布对低转速工况的喘振裕度影响较大。将遗传算法与贝塞尔参数化造型方法相结合，对末级静叶中间截面叶型进行了优化，得到了最佳的表面载荷布局特征，优化叶型中弧线和厚度分布曲线较初始叶型有较大变化，最大厚度位置前移，低马赫数下不同攻角的总压损失系数均有所下降。将寻优模块与一维分析程序结合，对压气机进口导叶和前三级静叶100％转速到50％转速下转角进行优化，显著提高了低工况稳定工作范围。
作者：	陈鹏
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	姜斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021