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基于DoE的多级轴流压气机气动优化设计

张锦川  
【摘要】:当前,为满足现代航空发动机高推重比、低成本的需要,国内外在军、民用航空发动机压气机方面发展迅速,主要表现在级负荷的显著增加。常规基于经验模式的设计方法已无法满足新一代航空动力的需要,采用新的设计方法和技术将成为必然。DoE实验设计是一种经典的设计优化方法,其独有的多维数组均值算法可以有效地应对压气机初始设计多变量、大范围的特点,对弥补常规设计重经验的缺陷意义重大。 首先详细介绍了空间填充设计和响应面优化设计的数学模型和应用特点。接着在介绍了国内外航空轴流压气机设计方法发展历程的基础上,重点介绍了准三维气动设计方法。在详细分析基础上,指出目前准三维通流设计的必要性及局限性,且完成了将DoE实验设计方法引入到压气机初始设计和后期优化的理论可行性与实际可操作性分析。 具体设计分初始流面设计和后期优化分析两个阶段。在初始流面设计阶段,首先根据发动机总体设计的要求选取流道及主要级参数,然后给定压气机几何尺寸、扩散因子、载荷系数等可调节参数的可变范围,在效率最优原则下运用DoE实验设计方法,分别对各离散点应用一维反问题程序进行计算,并选取效率最优解。通过对设计结果的分析表明本文所提出的基于DoE的气动优化方案可以在保持原有效率的前提下显著提高压气机的单级级增压比及总增压比,且可以大大减少压气机的级数和缩短压气机的轴向长度。 在后期优化分析阶段,由方案设计阶段的最终设计结果,沿叶片从叶根到叶尖选取五个计算站,采用基于轴对称假设的准三维气动计算方法在压气机全工况范围内计算分析压气机的整体工作特性,对压气机全工况的分析表明,本设计方案具有更加宽广的稳定工作范围,完全优于目前的常规压气机。最后对压气机进口总压和第一级静子预旋角度等应用响应面优化设计,优化后的压气机总体性能较之前有较大提高。 后期的研究可着眼于叶栅及叶片积叠方法的优化,以期进一步降低损失,提高压气机效率。通过研究表明,将实验设计的方法用于压气机的初始设计和后期优化是完全可行的,相关方面的探索将为我国未来独立研制高性能航空轴流压气机提供重要参考。


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