Метод оптимизации многоступенчатых компрессоров

Приведен алгоритм поиска оптимальной конфигурации лопаток многоступенчатых осевых компрессоров, разработанный с использованием в качестве основного инструмента 3D CFD-моделирования, а также коммерческих программ оптимизации. Суть алгоритма заключается в том, что на базе вектора исходных данных с помощью параметризатора формируется новая геометрия лопатки, которая передается в программу 3D-расчета. Полученные результаты используются программой, реализующей алгоритм поиска оптимума и формирующей новый вектор исходных данных для достижения поставленной цели. Приведены способ параметризации формы лопатки и программы на его базе, позволяющие описывать форму профилей лопаток компрессора с минимальным числом переменных и автоматически менять форму в цикле оптимизации. Созданный алгоритм позволяет улучшить основные параметры работы компрессора за счет коррекции формы профилей лопаток и их положения относительно друг друга. Алгоритм учитывает возможное наличие ограничений разного рода. С помощью разработанного метода решены практические задачи оптимизации многоступенчатых (от 3 до 15 ступеней) осевых компрессоров газотурбинных двигателей различного назначения. В результате увеличены коэффициент полезного действия, степень повышения давления и запас устойчивости газотурбинных двигателей
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания (номер проекта FSSS-2020-0015 "Исследование устойчивых и неустойчивых динамических и вибро-акустических процессов в гидравлических и газовых системах на основе физического и математического моделирования")

Литература

[1] Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. М., Машиностроение, 2003.

[2] Deng X., Guo F., Liu Y., et al. Aero-mechanical optimization design of a transonic fan blade. ASME Turbo Expo, 2013, no. GT2013-95357, V06BT43A014. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2013-95357

[3] Ning T., Gu Ch., Li X., et al. Three-dimensional aerodynamic optimization of a multi-stage axial compressor. ASME Turbo Expo, 2016, no. GT2016-57626, V02CT45A026. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2016-57626

[4] Yan Ch., Yin Z., Guo F., et al. A newly improved collaborative optimization strategy: application to conceptual multidisciplinary design optimization of a civil aero-engine. ASME Turbo Expo, 2017, no. GT2017-64177, V02CT47A015. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2017-64177

[5] Yu J., Ji L., Li W., et al. Shape optimization of axial compressor blades using adjoint method with emphasis on thickness distribution. ASME Turbo Expo, 2015, no. GT2015-42234, V02CT45A005. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2015-42234

[6] Yang J., Luo J., Xiong J., et al. Aerodynamic design optimization of the last stage of a multi-stage compressor by using an adjoint method. ASME Turbo Expo, 2016, no. GT2016-56893, V02CT39A033. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2016-56893

[7] Vasilopoulos I., Flassig P., Meye M. CAD-based aerodynamic optimization of a compressor stator using conventional and adjoint-driven approaches. ASME Turbo Expo, 2017, no. GT2017-63199. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2017-63199

[8] Kang Y.-S., Park T.-Ch, Yang S.-S., et al. Multidisciplinary design optimization and performance evaluation of a single-stage transonic axial compressor. ASME Turbo Expo, 2012, no. GT2012-69252, pp. 361--369. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2012-69252

[9] Safari A., Hajikolaei K.H., Lemu H., et al. A high-dimensional model representation guided PSO methodology with application on compressor airfoil shape optimization. ASME Turbo Expo, 2016, no. GT2016-56741, V02CT45A013. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2016-56741

[10] Ikeguchi T., Matsuoka A., Sakai Y., et al. Design and development of a 14-stage axial compressor for industrial gas turbine. ASME Turbo Expo, 2012, no. GT2012-68524, pp. 125--134. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2012-68524

[11] Ling J., Du X., Wang S., et al. Relationship between optimum curved blade generate line and cascade parameters in subsonic axial compressor. ASME Turbo Expo, 2014, no. GT2014-25799, V02BT39A015. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2014-25799

[12] IOSO optimization technology: веб-сайт. URL: http://www.iosotech.com (дата обращения: 12.04.2021).

[13] Marchukov E., Egorov I., Kretinin G., et al. Optimization of geometry blade for modern high pressure compressor. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2019, vol. 604, art. 012049. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/604/1/012049

[14] Kuzmenko M.L., Egorov I.N., Shmotin Y.N., et al. Improvement of the gas-turbine engine compressor using modern CFD technique and "IOSO NM" optimization software. 11th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conf., 2006, vol. 1, pp. 537--546. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2006-6947

[15] Aulich A.-L., Goerke D., Blocher M., et al. Multidisciplinary automated optimization strategy on a counter rotating fan. ASME Turbo Expo, 2013, no. GT2013-94259, V06BT43A007. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2013-94259

[16] Komarov O.V., Sedunin V.A., Blinov V.L. Application of optimisation techniques for new high-turning axial compressor profile topology design. ASME Turbo Expo, 2014, no. GT2014-25379, V02BT39A008. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2014-25379

[17] Guo Z., Song L., Li J., et al. Research on meta-model based global design optimization and data mining methods. ASME Turbo Expo, 2015, no. GT2015-42554, V02CT45A007. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2015-42554

[18] Benamara T., Breitkopf P., Lepot I., et al. LPC blade and non-axisymmetric hub profiling optimization using multi-fidelity non-intrusive POD surrogates. ASME Turbo Expo, 2017, no. GT2017-65106, V02CT47A026. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2017-65106

[19] Шаблий Л.С. Программное средство создания и модификации компьютерных моделей лопаток турбомашин Profiler. Патент РФ 2013617453. Заявл. 17.06.2013, опубл. 14.08.2013.

[20] Батурин О.В., Попов Г.М., Новикова Ю.Д. и др. Программа параметрического изменения 3D форм лопаток осевых турбомашин Profiler 3D. Патент РФ 2017613128. Заявл. 27.10.2016, опубл. 10.03.2017.

[21] Flanders H. Elementary functions and analytic geometry. Elsevier, 1973.

[22] NUMECA: веб-сайт компании. URL: https://www.numeca.com/home (дата обращения: 12.04.2021).

[23] Marchukov E., Egorov I., Popov G., et al. Optimization of a three spool axial compressor to increase the efficiency of a gas turbine engine. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2019, vol. 604, art. 012048. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/604/1/012048

[24] Marchukov E., Egorov I., Popov G., et al. Improving of the working process of axial compressors of gas turbine engines by using an optimization method. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2017, vol. 232, art. 012041. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/232/1/012041

[25] Goryahkin E., Popov G., Baturin O., et al. Three-stage low pressure compressor modernization by means of optimization methods. ASME Turbo Expo, 2015, no. GT2015-43384, V02CT45A017. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2015-43384