跨声速离心压缩机负预旋回流机匣处理的多目标快速优化

《Aerospace Science and Technology》：Multi-objective and Rapid Optimization of Negative Pre-swirl Recirculation Casing Treatment for a Transonic Centrifugal Compressor

　　

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  针对负预旋回收腔处理（RCT），开发了基于径向基函数（RBF）的NSGA-II优化方法。
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  帕累托最优设计方案揭示了稳定性与效率之间的明显权衡关系。
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  上游吸入口位置布置可削弱激波-涡相互作用。
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  优化后的RCT可将高速质量流量范围提高4.23%–11.90%。
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  快速间接优化方法可将后续CFD采样量缩减至约1/7.5。

引言

离心压缩机是现代压缩系统中的关键部件，凭借高压力比、紧凑结构以及相对较低的制造成本，广泛应用于航空推进、海洋动力和能源领域。然而，其低质量流量工况下的工作范围受到喘振和旋转失速的限制[1]。随着压缩机朝着更高压力比、更高气动载荷和更宽工作范围的不断发展，流动不稳定性已成为进一步性能提升的关键制约因素。高负荷压缩机在低质量流量工况下尤其容易发生旋转失速和喘振，导致压比和效率的显著损失，以及强烈的压力脉动和气动力振动。这些非稳态效应可能损害叶片、盘体及整机结构的完整性。为拓宽稳定工作范围，可通过修改压缩机结构或采用流动控制技术，将喘振边界向更低质量流量方向推移，例如可变进口导叶、可变扩压器叶片、边界层抽吸以及回收腔处理（RCT）。其中，RCT被认为是一种有前景的被动稳定性增强方法，因为它无需外部能量输入，结构简单，且利用压缩机内部压差实现抽吸和再注入。

Jansen等人[2]对诱导轮包带进行了开槽式腔处理，这被认为是离心压缩机腔处理的早期经典应用之一。与开槽式腔处理相比，Fisher[3]首先在增压器和多级压缩机中引入了RCT的概念，将失速质量流量降低至光滑壁（SW）离心压缩机的约70%–80%。此后，大量研究探讨了RCT在离心压缩机中的有效应用。Uchida等人[4]和Iwakiri等人[5]表明，RCT减少了诱导轮前缘附近的回流，从而降低了喘振质量流量。Hunziker等人[6]指出，回收气流中的正预旋降低了冲角，RCT通过抑制前缘失速分离和减小诱导轮内的压力不均匀性来实现稳定性增强。Guillou等人[7]和Gancedo等人[8]对离心压缩机入口流场进行了瞬态PIV测量，证实了RCT对非稳态流动的抽吸作用及其抑制诱导轮尖端区域回流的能力。

RCT的关键结构参数已被广泛研究。Zheng等人[9]和Yang等人[10]通过数值模拟表明，吸入口宽度和轴向位置是影响性能的关键几何参数。Du等人[11]进一步证实了吸入口位置的重要性。Slovisky等人[12]采用试验设计（DOE）方法，识别出叶轮侧吸入口位置和宽度为决定RCT有效性的主要因素。Favaretto等人[13]报告了吸入口沿叶轮方向存在最优轴向位置。Noushad等人[14]比较了吸入口位于叶轮前缘以及前缘下游30%弦长和40%弦长处的情形，发现30%弦长位置的性能更好。Tamaki[15]进一步指出，激波与吸入口之间的相对位置至关重要，当吸入口位于吸力面激波上游时，RCT可实现最佳稳定性增强效果。

对RCT的进一步优化也得到了广泛研究，特别关注在回收通道内安装导叶的方案。Sivagnanasundaram等人[16,17]、Park等人[18]和Jung等人[19]将导叶引入RCT，有助于组织内部流场并在全工况范围内拓宽质量流量范围。Yin等人[20]报告称，导叶设计减少了回收腔内的流动损失。Chen等人[21]指出，RCT的性能提升源于叶片载荷与RCT诱导损失的综合作用，负预旋导叶通过增加叶片载荷来增强稳定性。Tamaki[22]将带负预旋导叶的RCT应用于压力比为5.7的离心压缩机，并证实了其额外的稳定性增强效果。Yamaguchi等人[23]进一步表明，在叶轮入口引入的负旋流改善了压缩机稳定性。两项研究均将性能提升主要归因于工作系数的增大。Christou等人[24]也证明，回收气流的抽吸作用和负预旋是拓宽离心压缩机稳定工作范围的关键机制。

基于代理模型的多目标优化（MOO）已被证明在腔处理设计中非常有效，因为它能够识别满足特定性能要求的设计方案。近年来，该方法已应用于轴流压缩机周向开槽腔处理的设计。Zhu等人[25]对跨声速轴流压缩机的耦合腔处理方案进行了优化，成功拓宽了其稳定工作范围。Ding等人[26]以槽宽和槽深为设计变量，为带单周向槽的跨声速叶轮构建了RBF神经网络代理模型。结合NSGA-II算法，优化后的槽形配置有效抑制了叶尖泄漏流。Liu等人[27]进一步将NSGA-II与RBF神经网络模型相结合，实现了失速裕度提高7.49%和峰值效率提升0.24%。Zhao[28]利用RBF神经网络对NASA Rotor 37跨声速压缩机的周向槽几何形状进行了优化，以失速裕度和峰值效率为优化目标。Song等人[29]采用RBF响应面模型，对带周向开槽腔处理的压缩机同时优化了叶片后掠角、叶片倾斜角和槽形几何。

尽管已有大量研究探讨了离心压缩机中的RCT，但现有工作大多聚焦于特定转速下的结构优化或稳定性增强。负预旋、吸入口布置与回收流强度对跨声速离心压缩机在宽转速范围内稳定性和气动性能的耦合影响仍然认识不足。此外，仅有少量研究关注多目标优化在负预旋RCT中的应用。此外，当以稳定质量流量范围作为优化目标时，传统多目标优化通常需要大量的CFD计算，这限制了其在快速设计筛选中的实际应用。因此，本研究针对应用于跨声速离心压缩机的负预旋RCT，开发了一种多目标快速优化框架。首先，采用RBF代理模型结合NSGA-II算法，针对质量流量范围和峰值效率对RCT几何参数进行优化。然后，从性能特征、流动机制和转速依赖性方面分析代表性帕累托最优设计。最后，基于选定的流场特征参数提出了一种快速间接优化方法，在保证预测主要性能趋势能力的同时降低计算成本。

章节摘要

研究对象与数值设置

本研究考察的离心压缩机设计总压比为4.8，流量系数为0.097，工作系数为0.83，如图1所示。它由入口段、离心叶轮、径向扩压器和轴向扩压器组成。叶轮包含13片主叶片和13片 splitter 叶片，沿周向均匀分布。径向扩压器由21片楔形叶片组成，其前缘位于1.41倍

多目标优化流程与最优设计参数

图7展示了带负预旋RCT的离心压缩机子午线构型。RCT主要由五个几何参数定义：下游吸入口宽度W_d、下游吸入口起始位置X_d、上游吸入口宽度W_u、上游吸入口终止位置X_u以及回收通道高度H_r。负预旋导叶采用NACA四位数翼型厚度分布设计，最大厚度为弦长的6%，共26片导叶

代表性优化设计在全转速范围内的性能分析

为评估优化后负预旋RCT构型的全转速自适应能力和工程适用性，在偏离设计转速条件下对代表性设计进行了独立CFD仿真，以获取其质量流量范围、压比和效率特性。随后进一步分析了部件级稳定性、负荷能力和气动损失。需要强调的是，代表性设计是通过

快速多目标优化方法

多目标优化（MOO）可提供优选的RCT设计，但在实际应用仍面临明显局限。通常需要大量CFD样本来评估目标函数并构建代理模型。对于离心压缩机，稳定质量流量范围是关键优化目标，但无法通过单次仿真获得。虽然每个设计样本对应一组目标值，但其评估需要多次

结论

本研究针对应用于高压比离心压缩机的负预旋RCT，开发了一种多目标优化与快速优化框架。系统研究了RCT设计参数对压缩机性能、稳定性、内部流动结构和气动损失的影响。主要结论如下：

• 1.
  本研究所采用的RBF响应面代理模型与NSGA-II优化框架有效识别了

CRediT作者贡献声明

金宏泽：撰写 – 原稿。刘雪光：概念化。

金宏泽 | 刘雪光