博客分享｜某6级轴流压缩机一维设计及优化功能展示

多级轴流压缩机是现代流程工业的核心动力设备，广泛应用在冶炼高炉、石油催化裂化、燃气发电、气体储能、航空航天等众多国民经济的关键领域。其运行的稳定、高效直接决定了企业产能和运营的安全性。

气体在轴流压缩机中流动时受逆压梯度影响，易分离；且轴流压缩机通常为多级设计，级间参数的互相耦合、匹配对机组性能和失速、堵塞裕度均有较大影响。因此传统轴流压缩机设计极端依赖经验，设计过程需反复迭代、校核，周期冗长，难度很大，是困扰很多企业研发的核心瓶颈。

Concepts NREC旗下的Axial/Axcent/TurboOPTII系列模块作为一套成熟可靠的多级轴流压缩机、轴流涡轮设计体系，依托Concepts NREC 70年的工程经验，内置大量轴流式叶轮机通用模型和Concepts NREC专用轴流模型，结合自动优化（退火算法、遗传算法、代理模型等）辅助 ，可帮助客户构建包含一维、二维、三维正向设计和优化、多级叶排逆向和优化在内的全套轴流压缩机开发体系，加快开发速度。

本文以一个6级轴流压缩机的一维方案快速设计及优化过程为例，介绍软件功能。

Axial作为Concepts NREC推出的一款快速一维设计软件，其内加载有大量轴流压缩机/涡轮通用损失模型和Concepts NREC的专有损失模型。在一维阶段就能对叶尖/叶中/叶根多个截面进行快速计算，并可根据用户需要对各截面、各叶排的损失模型进行针对性的选择及调整修正，可根据用户指定的无量纲参数（如流量系数、载荷系数、速度系数、反力度、轴向密流比、轮毂比）等进行快速高效的设计。整个一维设计中可实时参考大量轴流压缩机配备的工程经验参数图。

   其设计过程分为初步一维设计、详细一维设计。本例主要展示这些设计与自动寻优功能的结合。

 

初步一维设计

初步一维设计是多级轴流压缩机设计的基础，可根据用户选择的无量纲参数（如流量系数、载荷系数、速度系数、反力度等）及已有约束（如级数、尺寸约束），快速得到多套初步方案。本例先通过给定无量纲参数的方法快速构建一个初步模型，然后运用基于实验（DOE）的设计方法快速构建、筛选多套初步一维设计方案。分析时除气动约束外，还可以初步考虑部分结构、加工约束。

基本设置

一维初步方案子午视图

Smith图参考

多套初步一维设计方案迭代及影响因子分析

 

详细一维设计

在初步一维方案的基础上进行详细一维设计。调整内容可以根据用户设计习惯灵活指定，例如：入口轮毂比、各叶片排轮毂/机匣过渡方式、各级压比分配、级反力度分配、各叶片排出口气动特征参数匹配、各级叶片从叶根至叶尖载荷分配等。该调整过程可结合手动经验调整和自动优化共同完成。由于首级跨音，因此载荷分配时参考常规跨音级分配方法，整个子午流道采用常规收敛通道。各叶排各截面的扩散系数可根据用户需求分开约束。

调整优化后子午流道形状

扩散系数

调整后各叶片排马赫数 (绝对/相对) 分布

 

 

调整前

 

 

调整后

调整前后各级载荷分配对比

自动优化迭代过程

优化结果对比展示

（本例仅为功能演示，叶尖间隙和叶片表面粗糙度都给的极小，因此效率偏高）

图中为优化后的结果。从结果中可看出，优化后的方案多变效率更高，失速和堵塞相对范围估算因子也向更宽的方向得到优化。

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