高负荷压气机静子叶片优化设计

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要在保证高效率和足够稳定工作裕度的前提下提高压气机单级负荷，是航空燃气涡轮发动机对高性能压气机的要求。静子造成的失速是限制高负荷压气机工作范围的重要因素，本文研究主要任务是通过优化设计的方法设计与高负荷压气机转子匹配、性能较好的静子，并总结相关设计规律。本文采用准三维方法进行初始静子叶片设计，再对初始叶片进行全三维优化。首先由S2通流计算得到静子叶排进出口气动参数和设计目标，然后优化设计得到满足要求的各个叶高截面S1流面叶型，并径向积叠成三维叶片，该叶片作为后面三维优化的初始叶片。最后为进一步提升静子叶片性能，在级环境下对准三维方法得

2、到的静子进行三维优化设计，以得到符合设计目标、性能良好的叶片。S1流面叶型及三维叶片优化都基于课题组所开发优化平台。为保证优化效果，对优化平台所用流场计算程序的精度和优化平台的适用范围进行了检验。由S2流面通流计算给出各叶高截面静子叶片流场计算初边值条件及气动设计目标，在课题组开发的优化平台上通过优化设计分别得到了满足S2通流计算的各叶高S1流面叶型，并沿径向积叠成三维叶片，该叶片作为后文三维优化设计的初始叶片。研究子午面面流道修改、端弯、积叠线弯掠、载荷分布及来流附面层厚度几个因素对压气机静子叶片内二次流动及叶片性能的影响，并以研究结果为参考，对静子三维优化的设

3、计参数进行选择和设置。考虑到前排转子影响，在级环境下完成静子叶片的三维优化。与商用软件Numeca及实验值的比较结果证明，该优化平台流场计算程序具有良好的精度。在本平台上进行的亚音叶型和超音叶型优化设计例表明，使用该平台可以得到满足设计目标的叶型。由优化例结果分析发现，叶片尾缘“负载荷”区域对叶片性能改善有益。采用准三维方法设计所得初始静子叶片设计点的总压恢复系数为0.969，流量基本满足设计要求。级环境下的静子三维优化是一种基于三维流场分析的全三维设计方法，该方法借数值最优化方法寻找最适合三维流场的叶片几何特征，适合用于进行设计变量多、几何特征复杂的三维叶片设计

4、。静子三维优化后，静子叶片通道内分离区明显减小，设计点级的等熵效率提升4.62%,达到87.48%。设计点级的喘振裕度拓宽4.10%，级流量与设计流量仅相差0.22%。关键词：高负荷压气机，静子，S1流面，S2流面，优化设计i万方数据高负荷压气机静子叶片优化设计ABSTRACTWiththedevelopmentofaviationgasturbineengine,itputsforwarddemandofhigh-loadedcompressor.Asthestallcausedbystatorisanimportantfactorlimitingthestab

5、leoperationrangeofhigh-loadedcompressors,themaintaskofthispaperistogetastatorbymeanofoptimizationdesign,whichcanwellmatchedwiththerotorofahigh-loadedcompressor’sfirststage.Aquasi-three-dimensionalmethodwasadoptedtodesigntheoriginalstatorinthispaper,thentheoriginalstatorwasoptimizedint

6、hree-dimensionalenvironment.DuringtheprocessofprofilesoptimizationdesignonS1streamsurfaces,boundaryconditionsandobjectivesofdifferentstatorsectionsweregivenbyS2streamsurfacecalculation.Aftercompletingprofilesdesignofdifferentstatorsections,athree-dimensionalbladewasobtainedthroughstac

7、kingfivesectionsalongthespan.Thisthree-dimensionalbladewastreatedasoriginalbladeduringtheprocessofthree-dimensionaloptimizationdesign.Then,consideringcharacteristicsofrealthree-dimensionalflow,theflowfieldcalculationofthree-dimensionaloptimizationdesignwasexecutedinstageenvironment.Ai

8、mingt