【摘要】：軸流壓氣機(jī)作為大推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)三大“核心”部件之一,在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研和型號(hào)研制中占有著非常重要的地位。隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的高速發(fā)展,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求。要求設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有高推重比、低油耗和寬廣的穩(wěn)定工作范圍。與之相對(duì)應(yīng)的,對(duì)于高性能的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)而言,所面臨困難程度就大幅增加。就壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)而言,在各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中對(duì)于經(jīng)驗(yàn)依賴性依舊較大,對(duì)于優(yōu)化而言,其優(yōu)化變量的影響因素與自由度的增加造成壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度大幅增加。如何提高經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的精度要求并且將高精度設(shè)計(jì)程序與優(yōu)化算法充分結(jié)合以實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)氣動(dòng)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了多級(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)于多級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)過程對(duì)經(jīng)驗(yàn)的高度依賴問題,本文利用已有成熟葉型的仿真計(jì)算結(jié)果及積累的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與葉型參數(shù)信息歸納形成的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ),利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力與泛化能力,建立了適用于S2流面通流程序中落后角與損失的預(yù)估的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通過完善的各工況下訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)建立起葉片幾何參數(shù)、氣動(dòng)參數(shù)與落后角和總壓損失系數(shù)的映射模型。將該模型與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行替換后,對(duì)比全三維CFD數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,替換后的S2流面正問題分析程序的整體精度大幅提高。針對(duì)數(shù)值優(yōu)化計(jì)算占用的計(jì)算資源過大、耗時(shí)過長(zhǎng)而難以應(yīng)用于多級(jí)軸流壓氣機(jī)工程設(shè)計(jì)的問題,本文將上述S2流面高精度預(yù)估程序與遺傳算法相結(jié)合開展了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)分析優(yōu)化。以某三級(jí)軸流風(fēng)扇作為算例,將該軸流風(fēng)扇第三級(jí)轉(zhuǎn)子與靜子葉片各徑向截面的葉型彎角作為優(yōu)化參數(shù),流場(chǎng)性能參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值,通過上述優(yōu)化方法獲得所需最佳設(shè)計(jì)葉型。對(duì)優(yōu)化后的三級(jí)軸流風(fēng)扇進(jìn)行全三維CFD數(shù)值計(jì)算分析,將設(shè)計(jì)狀態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的有效性。由于該氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射模型快速得到流場(chǎng)參數(shù)信息,替代了傳統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化過程中流場(chǎng)參數(shù)反復(fù)迭代計(jì)算過程,大幅提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率,降低了人為經(jīng)驗(yàn)依賴度與盲目性,并且整個(gè)過程中,只需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì),節(jié)省了人力資源,同時(shí)縮短了研制周期。對(duì)于實(shí)現(xiàn)多級(jí)軸流壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的智能化具有重要意義。
【圖文】：

3圖 1.1 多級(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程1.2.2 準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法主要存在的問題目前軸流壓氣機(jī)的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法包括了正問題方法、反問題方法、正反問題混合方法[9]等。工程實(shí)際中應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法主要有正問題設(shè)計(jì)方法和反問題設(shè)計(jì)方法。正問題方法是根據(jù)已知的葉型幾何求解壓氣機(jī)的速度和氣流等參數(shù)分布。設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修改幾何參數(shù)并分析修改后的效果，走的是設(shè)計(jì)→驗(yàn)證→再設(shè)計(jì)→再驗(yàn)證的道路，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。正問題設(shè)計(jì)方法需要反復(fù)修改與驗(yàn)證，依賴設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，且工作量大；設(shè)計(jì)過程中對(duì)流場(chǎng)的反復(fù)分析，有助于設(shè)計(jì)人員總結(jié)流動(dòng)規(guī)律，獲得更多更全的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立更完善的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。反問題設(shè)計(jì)方法則是利用正問題設(shè)計(jì)中總結(jié)的規(guī)律與準(zhǔn)則給出設(shè)計(jì)參數(shù)，通過沿徑向給定的氣動(dòng)參數(shù)確定幾何參數(shù)，這種做法的優(yōu)勢(shì)在于不需要反復(fù)迭代，工作量較小，，效率較高。但反問題設(shè)計(jì)方法也存在缺陷，如無法確保給定的參數(shù)分布在某個(gè)定解限制條件下有解或者求解流場(chǎng)時(shí)有馬赫數(shù)的最大限制[10]。總的來說，無論是正問題還是反問題，在求解時(shí)都要輸入損失系數(shù)沿葉高的分布，而損失

圖 2.1 貝塞爾曲線的凸包性能力改變控制點(diǎn)iP 就能改變曲線的形式�？s小性爾曲線的特征多邊形是一個(gè)平面圖形，則平面內(nèi)任意直線與 P (t )的交點(diǎn)特征多邊形的交點(diǎn)個(gè)數(shù)，這一性質(zhì)叫變差縮減性質(zhì)。此性質(zhì)反映了貝塞的波動(dòng)小，也就是說貝塞爾曲線比特征多邊形的折線更光順。特征多項(xiàng)式次數(shù)要比控制點(diǎn)個(gè)數(shù)小 1，三點(diǎn)生成拋物線，四點(diǎn)生成三次些控制點(diǎn)布局，得到了退化貝塞爾特征多項(xiàng)式。例如，三個(gè)共線控制點(diǎn)塞爾曲線。由具有相同坐標(biāo)控制點(diǎn)生成的貝塞爾“曲線”是一個(gè)點(diǎn)。如圖個(gè)、五個(gè)控制點(diǎn)生成的二維貝塞爾曲線。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V233;TP183

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本文編號(hào)：2592681