一种基于NREC多边界条件耦合的透平膨胀机气动优化设计方法与流程

本发明涉及透平膨胀机气动设计，具体为一种基于nrec多边界条件耦合的透平膨胀机气动优化设计方法。

背景技术：

1、透平膨胀机在变工况运行过程中，入口温度、压力和流量等边界参数发生变化，叶轮内部流动状态及气动损失分布随之改变，多工况气动优化设计是保证透平膨胀机宽工况运行性能的重要手段。

2、现有专利“cn113158355a”公开了“一种低温液体膨胀机全工况优化设计方法”，通过多工况性能预测、叶轮几何参数化、全工况代表点选取及优化目标函数构建，对入口温度、入口压力和流量变化条件下的膨胀机进行协同优化；

3、上述方法以多参数组合工况下的整体性能作为优化依据，各边界参数独立作用和相互作用产生的损失共同反映于综合评价结果中，难以区分单边界损失与多边界耦合损失，也难以确定耦合损失对应的局部作用区域及叶型修形方向；同时，直接针对综合性能进行叶型调整，会同步改变单边界工况下的流动特性。

4、因此，本发明提出一种基于nrec多边界条件耦合的透平膨胀机气动优化设计方法。

技术实现思路

1、为了解决目前背景技术中提及的多边界组合工况下单边界损失与多边界耦合损失难以区分、耦合损失作用区域及叶型修形方向难以确定，且综合性能优化易改变单边界工况流动特性的技术问题，本发明的目的是提供一种基于nrec多边界条件耦合的透平膨胀机气动优化设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于nrec多边界条件耦合的透平膨胀机气动优化设计方法，包括：

4、s1：以nrec基准工况为参考，设置温度、压力和流量的单参数、双参数及三参数变化工况；计算各变化工况下叶轮流场的熵产增量，得到单参数熵产增量、双参数联合熵产增量及三参数联合熵产增量；

5、s2：从所述双参数联合熵产增量中扣除对应的所述单参数熵产增量，得到二阶耦合熵产项；从所述三参数联合熵产增量中扣除全部所述单参数熵产增量及所述二阶耦合熵产项，得到三阶纯耦合熵产贡献场；

6、s3：根据所述三阶纯耦合熵产贡献场定位耦合损失核心区；对所述耦合损失核心区对应的叶片局部曲率分别施加正向微扰和负向微扰，根据所述正向微扰和负向微扰对应的三阶纯耦合熵产贡献变化计算曲率响应灵敏度；

7、s4：根据所述曲率响应灵敏度确定所述叶片局部曲率的修形方向和修形量；按照所述修形方向和修形量对所述耦合损失核心区对应的叶片型面实施局部曲率修形，得到优化叶型。

8、进一步的，所述单参数熵产增量、所述双参数联合熵产增量及所述三参数联合熵产增量通过以下方式获得：

9、依据nrec中设定的运行边界确定基准温度、基准压力和基准流量，形成所述nrec基准工况；获取各流场单元在所述nrec基准工况下的基准熵产值及各所述变化工况下的熵产值；

10、将各所述变化工况下的所述熵产值减去对应的所述基准熵产值，并按照工况类型归集，形成分级熵产增量集。

11、进一步的，基于所述分级熵产增量集获得所述二阶耦合熵产项和所述三阶纯耦合熵产贡献场，具体为：

12、将温度、压力和流量单独变化对应的所述单参数熵产增量分别作为温度主效应、压力主效应和流量主效应，构成单边界主效应；从各所述双参数联合熵产增量中扣除对应的两个所述单边界主效应，得到三个所述二阶耦合熵产项；

13、从所述三参数联合熵产增量中扣除所述温度主效应、所述压力主效应、所述流量主效应及三个所述二阶耦合熵产项，得到三阶纯耦合熵产贡献值；将各所述三阶纯耦合熵产贡献值配置至对应空间位置，形成所述三阶纯耦合熵产贡献场。

14、进一步的，基于所述三阶纯耦合熵产贡献场定位所述耦合损失核心区，具体为：

15、筛选所述三阶纯耦合熵产贡献值为正且超过预设阈值的所述流场单元，并按照空间邻接关系合并连续分布的所述流场单元，形成所述耦合损失核心区；

16、根据所述耦合损失核心区与所述叶片型面的空间投影关系形成叶片局部修形区，并根据所述叶片局部修形区的型线分布确定曲率调节位置。

17、进一步的，基于所述曲率调节位置计算所述曲率响应灵敏度，具体为：

18、对各所述曲率调节位置对应的局部型线施加幅值相同、方向相反的曲率微扰，并记录曲率微扰量；每次仅改变当前所述曲率调节位置对应的所述局部型线，形成正向微扰叶型和负向微扰叶型；

19、分别获取所述正向微扰叶型和所述负向微扰叶型对应的所述三阶纯耦合熵产贡献场；以所述耦合损失核心区为统一评价区域进行体积积分，得到正向微扰耦合熵产贡献积分量和负向微扰耦合熵产贡献积分量；

20、根据所述正向微扰耦合熵产贡献积分量、所述负向微扰耦合熵产贡献积分量及所述曲率微扰量计算所述曲率响应灵敏度。

21、进一步的，基于所述曲率响应灵敏度确定所述修形方向和所述修形量，具体为：

22、根据所述曲率响应灵敏度的符号确定所述修形方向，根据所述曲率响应灵敏度的绝对值确定相对修形比例；

23、根据叶片进口角、叶片出口角和有效喉部面积的允许偏差确定几何允许最大修形幅值；在所述几何允许最大修形幅值内设置本轮公共修形幅值，并结合所述相对修形比例确定所述修形量。

24、进一步的，基于所述修形方向和所述修形量获得所述优化叶型，具体为：

25、按照所述修形方向和所述修形量调整所述叶片局部修形区，形成修形叶型；重新获取所述修形叶型的所述三阶纯耦合熵产贡献场并定位所述耦合损失核心区，得到纯耦合熵产贡献峰值、纯耦合熵产贡献积分量和修形后单参数熵产增量积分量；

26、将所述修形后单参数熵产增量积分量与原始叶型对应的原始单参数熵产增量积分量比较；超出预设允许变化范围时，减小所述本轮公共修形幅值，重新确定所述修形量，并基于本轮修形前的叶轮型面重新修形；

27、未超出所述预设允许变化范围，且所述纯耦合熵产贡献峰值和所述纯耦合熵产贡献积分量均满足对应预设要求时，将所述修形叶型确定为所述优化叶型；未超出所述预设允许变化范围但任一指标未满足对应预设要求时，将所述修形叶型作为新的叶轮型面重新执行s3和s4。

28、与现有技术相比，本发明的优点在于：

29、1、本发明通过分别获取单参数变化、双参数联合变化及三参数联合变化条件下的熵产增量，并对不同层级的熵产增量进行逐级分解，得到三阶纯耦合熵产贡献场；由此可将单边界变化产生的损失与多边界共同作用产生的耦合损失进行区分，为后续针对多边界耦合损失开展气动优化提供明确依据。

30、2、本发明根据所述三阶纯耦合熵产贡献场定位耦合损失核心区，并将所述耦合损失核心区映射至叶片型面；通过对对应局部型线施加正向微扰和负向微扰，计算曲率响应灵敏度，据此确定局部曲率的修形方向和修形量，使叶型调整能够针对耦合损失集中区域实施，减少无针对性的整体叶型调整。

31、3、本发明在局部曲率修形过程中，对叶片进口角、叶片出口角和有效喉部面积进行约束，并对单参数工况下的熵产增量进行校核；同时结合纯耦合熵产贡献峰值和纯耦合熵产贡献积分量进行迭代判断；由此可在削减多边界耦合损失的同时，限制局部修形对单边界工况性能和原有流通特性的影响，实现多边界工况下的针对性气动优化。