一种宽工作域压气机设计方法及系统与流程

本发明涉及压气机设计，公开了一种宽工作域压气机设计方法及系统。

背景技术：

1、发动机研制中，压气机的工作范围决定了发动机的安全性能，裕度指标是衡量压气机工作稳定性的重要指标，直接决定了发动机的机动性、安全性。

2、多级压气机设计重点在于各转静子级本身的良好工作状态和各级之间的工作合理匹配。当多级压气机需要的压比较高时，在部分转速会出现性能恶化的现象，表现为全转速工作线的喘振边界在个别转速出现凹坑，特性线流量减少，喘振点压比下降，效率偏低。在中低转速，当转速远小于设计转速时，由于转速和压气机进口流量变化不协调时，压气机进、出口密度相对于设计之初发生了很大的变化，在流道截面面积不变的条件下，会使轴向速度沿压气机的轴向变化较大，从而使各级的工作偏离最佳的设计状况，引起部分级叶片的攻角处于恶劣状态，进而引起级性能下降，出现前面级、后面级匹配差，引起整个压气机性能恶化，出现裕度不足问题。

3、一些新研发动机由于在设计中没有考虑到足够的喘振裕度，导致在工程研制阶段裕度成为了发动机的瓶颈问题，后期还需要通过处理机匣扰等手段扩大压气机喘振裕度，这种后期处理方式不仅仅会延长发动机的研制周期，同时增加了大量成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种宽工作域压气机设计方法及系统，能够获得待设计压气机合理的反力度和压比，再通过三维仿真分析，迭代优化参数，确保设计的压气机具备极大裕度的潜力，满足压气机极宽工作域的设计要求。

2、为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

3、一种宽工作域压气机设计方法，包括：

4、获取压气机工作状态或试验状态下的压气机各转静子级历史数据，所述历史数据包括压气机各转静子级的进口马赫数、进口总温、出口总温、压比、效率、转子叶片叶尖处的切向速度以及各转静子级的反力度；

5、根据压气机各转静子级进口马赫数、效率，构建压气机各转静子级效率与对应转静子级进口马赫数之间的第一函数关系式；根据压气机各转静子级所在的级数、各转静子级效率构建压气机各转静子级效率与对应转静子级所在的级数之间的第二函数关系式；

6、根据压气机各转静子级的反力度和各转静子级的级数，构建压气机各转静子级的反力度与各转静子级所在级数之间的第三函数关系式；

7、根据待设计压气机各转静子级的设计马赫数、各转静子级所在的级数，采用第一函数关系式分析获得各转静子级的第一效率，采用第二函数关系式分析获得各转静子级的第二效率，采用第三函数关系式分析获得各转静子级的反力度；

8、以待设计压气机进口总温作为第一级转静子级的进口总温，根据各转静子级转子叶片叶尖处的设计切向速度以及第一效率和第二效率中的最小值，分析获得待设计压气机各转静子级的压比；

9、根据压气机各转静子级的压比以及反力度，采用通流计算得到各转静子级进出口气流角，以进出口气流角，完成各转静子级的叶片设计；

10、根据各转静子级的设计叶片完成压气机设计，采用仿真分析方法获得设计压气机的裕度，若设计压气机裕度满足设计裕度要求，则输出压气机设计结果，否则调整各转静子级压比或反力度的数据值并重新进行叶片设计和压气机设计，直至设计压气机裕度满足设计裕度要求。

11、进一步地，压气机各转静子级压比与压气机进口马赫数之间的第一函数关系式为，其中为第个转静子级的第一效率预测值，为压气机第个转静子级的进口马赫数。

12、进一步地，压气机各转静子级效率与对应转静子级所在的级数之间的第二函数关系式为，其中为第个转静子级的第二效率预测值。

13、进一步地，压气机各转静子级的反力度与各转静子级所在级数之间的第三函数关系式为，其中为第个转静子级的反力度。

14、进一步地，分析获得待设计压气机各转静子级的压比，包括：

15、以待设计压气机进口总温作为第一级转静子级的进口总温，根据各转静子级转子叶片叶尖处的设计切向速度，采用分析获得各转静子级的进口总温和各转静子级的出口总温，为第个转静子级的进口总温，为第个转静子级的出口总温，；

16、根据各转静子级转子叶片叶尖处的设计切向速度、各转静子级的进口总温、各转静子级的出口总温以及第一效率和第二效率中的最小值，采用分析获得待设计压气机各转静子级的压比；其中为第个转静子级的压比，为常数，，为采用第一函数关系式获得的第个转静子级的第一效率预测值，为采用第二函数关系式获得的第个转静子级的第二效率预测值。

17、为实现上述技术效果，本发明还提供了一种宽工作域压气机设计系统，包括：

18、数据获取模块，用于获取压气机工作状态或试验状态下的压气机各转静子级历史数据，所述历史数据包括压气机各转静子级的进口马赫数、进口总温、出口总温、压比、效率、转子叶片叶尖处的切向速度以及各转静子级的反力度；

19、模型构建模块，用于根据压气机各转静子级进口马赫数、效率，构建压气机各转静子级效率与对应转静子级进口马赫数之间的第一函数关系式；根据压气机各转静子级所在的级数、各转静子级效率构建压气机各转静子级效率与对应转静子级所在的级数之间的第二函数关系式；以及根据压气机各转静子级的反力度和各转静子级的级数，构建压气机各转静子级的反力度与各转静子级所在级数之间的第三函数关系式；

20、第一分析模块，用于根据待设计压气机各转静子级的设计马赫数、各转静子级所在的级数，采用第一函数关系式分析获得各转静子级的第一效率，采用第二函数关系式分析获得各转静子级的第二效率，采用第三函数关系式分析获得各转静子级的反力度；

21、第二分析模块，用于以待设计压气机进口总温作为第一级转静子级的进口总温，根据各转静子级转子叶片叶尖处的设计切向速度以及第一效率和第二效率中的最小值，分析获得待设计压气机各转静子级的压比；

22、数据处理模块，用于根据压气机各转静子级的压比以及反力度，采用通流计算得到各转静子级进出口气流角，以进出口气流角，完成各转静子级的叶片设计；

23、仿真输出模块，用于根据各转静子级的设计叶片完成压气机设计，采用仿真分析方法获得设计压气机的裕度，若设计压气机裕度满足设计裕度要求，则输出压气机设计结果，否则调整各转静子级压比或反力度的数据值并重新进行叶片设计和压气机设计，直至设计压气机裕度满足设计裕度要求。

24、进一步地，所述模型构建模块中，压气机各转静子级压比与压气机进口马赫数之间的第一函数关系式为，其中为第个转静子级的第一效率预测值，为压气机第个转静子级的进口马赫数。

25、进一步地，所述模型构建模块中，压气机各转静子级效率与对应转静子级所在的级数之间的第二函数关系式为，其中为第个转静子级的第二效率预测值。

26、进一步地，所述模型构建模块中，压气机各转静子级的反力度与各转静子级所在级数之间的第三函数关系式为，其中为第个转静子级的反力度。

27、进一步地，所述第二分析模块中，以待设计压气机进口总温作为第一级转静子级的进口总温，根据各转静子级转子叶片叶尖处的设计切向速度，采用分析获得各转静子级的进口总温和各转静子级的出口总温，为第个转静子级的进口总温，为第个转静子级的出口总温，；

28、根据各转静子级转子叶片叶尖处的设计切向速度、各转静子级的进口总温、各转静子级的出口总温以及第一效率和第二效率中的最小值，采用分析获得待设计压气机各转静子级的压比；其中为第个转静子级的压比，为常数，，为采用第一函数关系式获得的第个转静子级的第一效率预测值，为采用第二函数关系式获得的第个转静子级的第二效率预测值。

29、与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过分别构建压气机各转静子级效率与马赫数以及压气机各转静子级效率与对应级数之间的函数关系式，来进行待设计压气机效率的选取；此外通过构建压气机各转静子级反力度和级数之间的函数关系式，来进行压气机各转静子级反力度的选取，并根据压气机效率分析获得各转静子级的压比；过该方法能够获得待设计压气机合理的反力度和压比，再通过三维仿真分析，迭代优化参数，确保设计的压气机具备极大裕度的潜力，满足压气机极宽工作域的设计要求。