多级压气机一维气动方案优化筛选方法研究陈军梁

陈军梁

摘要：本文将压气机一维气动设计程序集成到Isight优化软件上，构建了压气机一维气动方案优化筛选平台。本文以某10级压气机为例，验证了一维气动方案优化筛选平台的实用价值。

关键词：多级压气机；一维气动方案；优化筛选方法；一维气动设计程序

目前，国内自主设计多级轴流压气机的经验匮乏，在一维气动布局设计、二维流场匹配、基元叶型设计和三维优化等各个方面都缺乏足够的技术储备。本文开展了某10级压气机一维气动方案优化筛选方法研究，为多级压气机一维气动布局设计奠定基础。一维气动方案是压气机的“骨架”，决定着压气机潜在的性能水平，在整个压气机气动设计中占据了举足轻重的位置。因此，一维气动方案优化筛选方法的重要性就不言而喻。很多研究人员在多级压气机一维气动方案筛选和一维优化设计方面做了大量的工作，如罗俊[1]、陈江[2]、史磊[3]等人的研究工作。

1一维气动设计程序介绍

一维气动设计程序主要是求解压气机平均半径处的气动参数。本文采用的一维气动设计程序采用了大量基于试验数据库的经验关系式。该一维气动设计程序仅需要较少的框架性气动参数，即可给出一个完整的一维气动方案和一维特性。因此采用该一维气动设计程序可以研究这几个框架性参数对压气机气动性能的影响，从而开展框架性参数的优化筛选。

2方案筛选方法

在Isight优化软件基础上，集成一维气动设计程序，构建了一维气动方案优化筛选平台。整个方案优化筛选过程分为三个步骤，包含开展试验设计（DOE）、建立响应面模型和优化筛选。

试验设计（DOE）可以有效地系统研究设计空间内的各个设计变量的变化对目标函数和约束的影响，从而获得设计空间的整体信息，为构造响应面模型建立数据库。常用的DOE方法有：拉丁方设计、超优拉丁方设计和正交试验设计等。本文选择正交试验设计方法。

响应面模型可以建立目标变量和参数变量之间的函数关系，将DOE设计空间的离散样本的信息近似构造成连续的函数关系，从而便于优化筛选。

优化筛选主要是研究一维气动方案中的框架性参数对压气机气动性能的影响。框架性的参数包含第一级转子叶尖切线速度、压比抬高量、第一级转子进口预旋角、中间级反力度、进/出口负荷系数、进口/中间/出口轴向速度和流路。这些参数基本上决定了压气机平均半径处的速度三角形，从而决定了压气机的潜在性能水平。为了简化优化筛选过程，本文在一维气动方案中将流路作为给定值。

3算例结果分析

采用上述构建的一维气动方案优化筛选平台，选用某10级轴流压气机进行算例分析。该压气机进口总温288.15K，进口总压为101325Pa，设计流量为55kg/s，设计压比为21。该压气机具有典型的大涵道比发动机用高压压气机的特征。本文通过一维气动方案优化筛选，研究主要的框架性参数在一定取值范围内对设计转速工作点效率和设计转速喘振裕度的影响。

上文所述的主要框架性参数的取值范围见表1。表1中相关参数的取值范围是该类型高压压气机的常用范围。

其次研究主要框架性参数取值。限于篇幅，本文仅以进口切线速度和抬高压比量为例，给出这两个参数在不同喘振裕度水平下效率最优方案中的取值情况，如图2所示。在SM≮20%的情况下，切线速度应约为453m/s以上，抬高压比系数应约为1.055以上。

通过上述参数优化筛选过程，可以获得在给定喘振裕度下所能达到的最优效率值，然后获得主要框架性参数的取值，从而完成一维气动方案的优化筛选。

4结论

基于Isight优化平台集成了一维气动设计程序，建立了一维气动方案优化筛选系统，并以某10级压气机为例进行了一维气动方案优化筛选。经过优化筛选，可以获得不同喘振裕度下的效率最优方案，进而筛选出主要框架性参数的取值，为多级压气机气动设计打下较好的基础。

参考文献

[1]罗俊，陈林根，孙丰瑞等，一维多级轴流压气机性能的解析优化[J].热科学与技术[J].2003,2(1):85-89

[2]陈江，刘太秋，李孝堂等，五级轴流压气机气动设计数值研究[J].工程热物理学报.2010,31(6):943-946

[3]史磊，刘波，张鹏等，商用发动机10级高压压气机一维特性优化设计[J].航空动力学报.2013,28(7):1564-1569

作者简介

陈军梁（1987-），男，汉族，河南林州，硕士研究生，工程师，中国航发沈阳发动机研究所，主要从事航空发动机压气机性能设计。