CN105781626A - 一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法，在常规涡轮的定常气动设计循环的基础上还包括如下步骤：首先利用全三维数值模拟对扩张端壁型线进行自动设计优化；对大扩张通道真实三维流线进行子午面拟合，并在大扩张通道端区选取的代表性截面上进行三维S1流面叶型造型，利用数值模拟方法进行端区流面叶型优化；基于所选定的端区三维S1流面叶型，进行大扩张通道正交叶片设计与优化；利用全三维非定常数值模拟方法对涡轮正交叶片的积叠线或者叶型的安装角等步骤。本发明可有效降低大扩张通道端区损失，改善涡轮叶片列间动态匹配，从而获得较高的定常/非定常气动性能；本发明也可明显提高涡轮工作时的气动稳定性。

Description

一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机涡轮的设计方法，尤其涉及一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法。
背景技术
燃气轮机涡轮由轮毂、机匣及其所包容的呈交错排列的转子和静子构成。转静交错排列导致其内部流动具有本质非定常属性。鉴于人们对非定常流动的认识所限，一直以来，涡轮的气动设计体系皆是基于定常流动框架。目前，涡轮叶片定常设计方法主要包括以下步骤：首先是根据总体设计要求开展一维气动分析，主要工作为合理选取涡轮各级的无量纲设计参数以确定各级叶中截面的速度三角形等参数，进而生成涡轮子午流道形式，在此过程中可根据需要在低纬设计空间上对基本气动和几何参数进行合理选择甚至充分优化；而后从二维层面出发，选取合理的扭向规律以得到涡轮级不同叶高截面的速度三角形，并通过反问题计算以得到涡轮各排关键气动参数，进而按照叶片排进出口气流角等参数进行不同叶高截面的叶栅造型，并利用S1数值模拟手段检验叶型设计的合理性；在此基础上开展叶片三维的积叠，并利用S2或准三维数值模拟手段计算获得涡轮部件的总体性能和参数分布，随后进行初步的流动分析和诊断；在设计结果满足要求的情况下采用全三维数值模拟对涡轮内部流场进行更为细致诊断，综合评估涡轮的总体性能；继而反复修改直至获得满意的设计结果。
在现代高性能燃气轮机或航空发动机中，为提高涡轮效率，多级动力涡轮大都采用外端壁大扩张角流道设计。然而，按照传统设计方法设计的大子午扩张涡轮易发生端壁流动分离，并产生较强顶部二次流。这一方面是由于传统的叶型设计只是采用二维平面叶型或者二维柱面造型，而这种造型方法难以适应大扩张通道变化；另一方面，按照传统设计方法设计的大子午扩张涡轮一般做成与轮毂呈直角相交，那么气流则是以一定夹角流向叶顶端区，这也会增加叶顶端区二次流损失。
为了减小大子午扩张通道带来的不利影响，国内外研究人员也进行了很多尝试，比如大扩张端壁造型、宽弦叶片等，不过，这些研究还比较零散，也尚未见有关这些尝试是否可靠有效的试验验证方面的报道。由于现有技术的不足，人们希望有一种可有效控制大扩张通道端区二次流动损失以及匹配的针对大子午扩张涡轮的先进设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供可有效降低大子午扩张通道端区损失，改善涡轮叶片列间动态匹配，而且还可明显提高涡轮工作时的气动稳定性的一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法。
本发明的目的是这样实现的：在涡轮的定常气动设计循环的基础上还包括如下步骤：
(1)利用已知的全三维数值模拟对大扩张端壁型线进行自动设计优化；
(2)对优化后的大扩张端壁下的通道真实三维流线进行子午面拟合，并在大扩张通道端区选取的代表性截面上进行三维S1流面叶型造型，再利用数值模拟方法进行端区流面叶型优化；
(3)对步骤(2)所得的优化后的端区三维S1流面叶型，以叶片积叠线和端区叶型的安装角为优化变量进行大扩张通道正交叶片设计与优化，得到大扩张通道端区损失分布与其具体值；
(4)如果步骤(3)中得到的大扩张通道端区损失分布与其具体值不符合预定设计目标，则重复步骤(1)～(3)，直至步骤(3)得到的大扩张通道端区损失分布与其具体值与预定设计目标相符合；
(5)利用全三维非定常数值模拟方法对步骤(4)中得到的涡轮正交叶片的积叠线或端区叶型的安装角进行细微调整以定制动静叶片列间轴向间隙取值，并获得大子午扩张涡轮动静叶片及其总体性能，其中动静叶片列间轴向间隙取值是指静叶片尾缘线与动叶片前缘线之间的距离，总体性能包括效率、功率、非定常特性，在此调整过程中可同时调整动叶顶部的掠度；
(6)如果步骤(5)得到的大子午扩张涡轮总体性能不符合预定设计目标，则循环步骤(2)～(5)，直至达到预定设计目标。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.在步骤(2)中所选取的代表性截面是指位于大扩张端壁下的通道端区40％叶高以内，并且至少包括三个截面。
2.通过将步骤(2)中所选取的S1流面为圆锥面，并在圆锥面上定义和优化叶型，并基于已知的真实S1流面叶型进行流管计算进行性能校核。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在充分考虑涡轮流场三维性的基础上，通过在三维S1流面上进行叶型造型，并结合正交叶片设计，重新组织了端区复杂流动，从而有效降低了端区损失；并且基于尾迹恢复效应，通过定制轴向间隙，进一步提高了涡轮效率，并且改善了动静叶片列间动态匹配，从而也明显提高了涡轮工作时的气动稳定性。
附图说明
图1是经过传统设计方法设计的大子午扩张涡轮的子午视图；
图2是大子午扩张涡轮的三维正交非定常气动设计流程图；
图3是大子午扩张涡轮静叶的真实S1流面与简化圆锥面示意图；
图4是大子午扩张涡轮静叶的空间三维叶型示意图；
图5是一个大子午扩张涡轮的三维正交非定常气动设计示例。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法是基于现有的常规涡轮的定常气动设计循环。在一个常规涡轮的定常气动设计循环之后，得到未经三维正交非定常设计处理的叶片的基本叶型，包括轮毂1、静叶片3、动叶片4和扩张机匣2，静叶片3包括静叶片前缘线5和静叶片后缘线6，动叶片包括动叶片前缘线7和动叶片后缘线8，如图1所示。在此基础上还需经过以下步骤(见图2)：
1)利用已知的全三维数值模拟技术对扩张端壁型线2进行自动设计优化。
2)对大扩张通道真实三维流线进行子午面拟合，如图3所示。优选地，选取静叶片叶顶端区75％、85％和95％叶高处截面。由于真实S1流面是不规则的扭曲曲面，对三维S1流面叶型进行参数化和设计优化难度特别大，优化效率也很低。为了快速获得最优的三维S1流面叶型，通过在与真实S1流面9相近似的圆锥面10上定义和优化叶型，随后则基于真实S1流面叶型进行流管计算进行性能校核。设计出的大子午扩张涡轮静叶的空间三维叶型如图4所示。
3)基于步骤(2)中所选定的端区三维S1流面叶型，进行大扩张通道端区叶型的正交化处理(见图4)，即端区各截面处的叶身基本与气流方向是直角。一般地，可借助于现有的全三维数值模拟技术对端区叶型的积叠线进行优化获得。
4)如果步骤(3)中得到的性能指标不符合预定设计目标，则重复步骤(1)～(3)，直至步骤(3)得到的性能指标与预定设计目标相符合。
5)利用现有的全三维非定常数值模拟方法对步骤(4)中得到的涡轮正交叶片的积叠线或者端区叶型的安装角进行微调以定制动静叶片列间轴向间隙(即静叶片3尾缘线6与动叶片4前缘线7之间的轴向距离)，也可对动叶顶部端区叶型进行掠形处理。一般地，借助于现有的全三维非定常数值模拟方法，通过大规模计算优选出叶顶端区各截面处最佳的轴向间隙取值，见图5所示。
6)如果步骤(5)得到的性能指标不符合预定设计目标，则循环步骤(2)～(5)，直至涡轮气动性能达到预定设计目标。
采用本发明设计的单级大子午扩张涡轮，在涡轮流量保持基本不变的前提下，其气动效率可提高0.7个百分点，如图5所示。
本发明也可用于多级大子午扩张涡轮的高效气动设计。
一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法，包括一个常规涡轮的定常气动设计循环，这个设计循环在背景技术中已有介绍，主要包括以下步骤：首先是根据总体设计要求开展一维气动分析，主要工作为合理选取涡轮各级的无量纲设计参数以确定各级叶中截面的速度三角形等参数，进而生成涡轮子午流道形式，在此过程中可根据需要在低纬设计空间上对基本气动和几何参数进行合理选择甚至充分优化；而后从二维层面出发，选取合理的扭向规律以得到涡轮级不同叶高截面的速度三角形，并通过反问题计算以得到涡轮各排关键气动参数，进而按照叶片排进出口气流角等参数进行不同叶高截面的叶栅造型，并利用S1数值模拟手段检验叶型设计的合理性；在此基础上开展叶片三维的积叠，并利用S2或准三维数值模拟手段计算获得涡轮部件的总体性能和参数分布，随后进行初步的流动分析和诊断；在设计结果满足要求的情况下采用全三维数值模拟对涡轮内部流场进行更为细致诊断，综合评估涡轮的总体性能；继而反复修改直至获得满意的设计结果。这就是现有技术中的常规涡轮的定常气动设计循环。
在所述定常气动设计循环之后还包括如下步骤：
(1)利用全三维数值模拟对大扩张端壁型线进行自动设计优化；
(2)对优化后大扩张端壁下的通道真实三维流线进行子午面拟合，并在大扩张通道端区选取的代表性截面上进行三维S1流面叶型造型，随后利用数值模拟方法进行端区流面叶型优化；
(3)基于步骤(2)中所选定的端区三维S1流面叶型，进行大扩张通道正交叶片设计与优化，具体的说是对步骤(2)所得的优化后的端区三维S1流面叶型，以叶片积叠线和端区叶型的安装角为优化变量进行大扩张通道正交叶片设计与优化，得到大扩张通道端区损失分布与其具体值；
(4)如果步骤(3)中得到的性能指标不符合预定设计目标，则重复步骤(1)～(3)，直至步骤(3)得到的性能指标与预定设计目标相符合；
(5)利用全三维非定常数值模拟方法对步骤(4)中得到的涡轮正交叶片的积叠线或端区叶型的安装角进行细微调整以定制动静叶片列间轴向间隙取值，并获得大子午扩张涡轮动静叶片及其总体性能，其中动静叶片列间轴向间隙取值是指静叶片尾缘线与动叶片前缘线之间的距离，总体性能包括效率、功率、非定常特性，在此调整过程中可同时调整动叶顶部的掠度；
(6)如果步骤(5)得到的性能指标不符合预定设计目标，则循环步骤(2)～(5)，直至涡轮气动性能达到预定设计目标。
本发明还可以包括：
1、在步骤(2)中所选取的代表性截面位于大扩张通道端区40％叶高以内，并且至少包括三个截面。
2、通过将步骤(2)中所选取的具有代表性的S1流面近似为圆锥面，并在圆锥面上定义和优化叶型，随后则基于真实S1流面叶型进行流管计算进行性能校核。
本发明的目的在于提供一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法，包括一个常规涡轮的定常气动设计循环，在其之后还包括如下步骤：首先利用全三维数值模拟对扩张端壁型线进行自动设计优化；对大扩张通道真实三维流线进行子午面拟合，并在大扩张通道端区选取的代表性截面上进行三维S1流面叶型造型，随后利用数值模拟方法进行端区流面叶型优化；基于所选定的端区三维S1流面叶型，进行大扩张通道正交叶片设计与优化；利用全三维非定常数值模拟方法对涡轮正交叶片的积叠线或者叶型的安装角，抑或下游动叶片顶部端区掠度进行微调，以定制恰当的动静叶片列间轴向间隙；循环以上设计步骤，直至涡轮气动性能达到预定设计目标。采用本发明提供的大子午扩张涡轮三维正交非定常设计方法可有效降低大扩张通道端区损失，改善涡轮叶片列间动态匹配，从而获得较高的定常/非定常气动性能；此外，本发明也可明显提高涡轮工作时的气动稳定性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法，其特征是：在涡轮的定常气动设计循环的基础上还包括如下步骤：
(1)利用已知的全三维数值模拟对大扩张端壁型线进行自动设计优化；
(2)对优化后的大扩张端壁下的通道真实三维流线进行子午面拟合，并在大扩张通道端区选取的代表性截面上进行三维S1流面叶型造型，再利用数值模拟方法进行端区流面叶型优化；
(3)对步骤(2)所得的优化后的端区三维S1流面叶型，以叶片积叠线和端区叶型的安装角为优化变量进行大扩张通道正交叶片设计与优化，得到大扩张通道端区损失分布与其具体值；
(4)如果步骤(3)中得到的大扩张通道端区损失分布与其具体值不符合预定设计目标，则重复步骤(1)～(3)，直至步骤(3)得到的大扩张通道端区损失分布与其具体值与预定设计目标相符合；
(5)利用全三维非定常数值模拟方法对步骤(4)中得到的涡轮正交叶片的积叠线或端区叶型的安装角进行细微调整以定制动静叶片列间轴向间隙取值，并获得大子午扩张涡轮动静叶片及其总体性能，其中动静叶片列间轴向间隙取值是指静叶片尾缘线与动叶片前缘线之间的距离，总体性能包括效率、功率、非定常特性，在此调整过程中可同时调整动叶顶部的掠度；
(6)如果步骤(5)得到的大子午扩张涡轮总体性能不符合预定设计目标，则循环步骤(2)～(5)，直至达到预定设计目标。
2.根据权利要求1所述的一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法，其特征是：在步骤(2)中所选取的代表性截面是指位于大扩张端壁下的通道端区40％叶高以内，并且至少包括三个截面。
3.根据权利要求1或2所述的一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法，其特征是：通过将步骤(2)中所选取的S1流面为圆锥面，并在圆锥面上定义和优化叶型，并基于已知的真实S1流面叶型进行流管计算进行性能校核。
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