● 摘要
多级轴流压气机气动设计是航空发动机与燃气轮机设计中的关键技术之一。在轴流压气机气动设计体系中，S2通流气动设计是其基础，而特性计算是校核设计能否达标的核心内容。攻角、落后角和损失等经验模型的准确性是决定特性计算是否符合压气机实际流动的关键。由于多级轴流压气机气动设计涉及的参数多，各个设计目标之间参数选取相互关联或矛盾，使得在设计过程中需反复修改、迭代，以便根据需求和经验在设计参数中取得最佳平衡点。设计过程耗时费力。如果能进行压气机气动性能的数值优化，可以提高设计效率，降低对设计人员经验的依赖。因此随着计算机技术及CFD计算的发展，对轴流压气机气动性能的数值优化成为研究的热点。本文主要以九级轴流压气机为研究对象，进行多级轴流压气机的S2正问题特性计算和气动性能数值优化研究。
首先，根据S1和S2相对流面的三元流理论求解S2流面流场，采用Fortran语言编写完善了多级轴流压气机S2正问题特性计算程序，在程序中嵌入由前人的研究成果总结提出的最佳攻角、落后角和损失等经验模型，以及稳定工作边界预估的准则。在此基础上，利用该程序对两个压气机算例进行了计算，并与俄罗斯的特性计算执行程序的计算结果进行了对比验证。结果显示，编程完善的S2正问题计算程序与购买的俄罗斯执行程序其计算结果是一致的。
其次，采用改进的Powell方法数值优化多级轴流压气机气动性能。针对多级轴流压气机叶片特点，提出了相应的叶片叶型几何的参数化方法。采用线性加权和法考虑多个优化目标。并通过添加罚函数的方式处理约束。根据上述方法，用Fortran语言编写了基于S2正问题特性计算程序的多级轴流压气机气动性能优化程序。
最后，采用开发的多级轴流压气机气动性能优化程序，对某在研的九级轴流压气机进行了数值优化计算，并进行了全三维CFD数值模拟性能比较。详细分析了不同权重系数组合对轴流压气机数值优化结果的影响。并选择二维特性计算较好的算例进行优化，采用Numeca软件进行算例优化前、后的CFD数值模拟分析。结果表明：在相对转速0.8时的效率-流量特性和压比-流量特性均得到较大提高，同时相对转速1.0和0.9时的压气机特性基本保持不变；在裕度上各个转速下均有较大提高，提高的最大幅度为8.2%。初步验证了采用改进的Powell算法进行多级轴流压气机气动性能优化的快速有效性，以及采用的多目标优化方法和叶型参数化方法的实用性。采用研发的多级轴流压气机S2正问题特性计算与优化程序，为轴流压气机在设计过程中快速考察低速特性提供了设计与分析手段，通过调整低速工况权重系数统筹考虑多级轴流压气机整体性能优化，可以实现对多级轴流压气机设计点、非设计点多目标性能的有效优化。