CN109578085A - 一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，本发明涉及的是一种减弱涡轮动叶非定常作用力的方法。本发明的目的是为了解决现有技术无法降低涡轮动叶叶片非定常作用力，导致叶片可靠性差的问题。过程为：一、传统涡轮气动设计及叶片造型；二、全三维非定常计算分析；三、用根、顶两个截面重新造型；四、调整导叶根截面，使其对准下游动叶根部前缘；五、调整导叶顶截面，使其对准下游动叶顶部前缘；六、根、顶两个截面混合为三维叶型；七、全三维非定常计算分析，得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据。本发明用于减弱涡轮动叶非定常作用力领域。

Description

一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法
技术领域
本发明涉及的是一种减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，更具体地说，本发明涉及一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法。
背景技术
燃气轮机从诞生之日起，便因功率密度大、反应速度快等特点，受到各国青睐，成为飞机、地面发电以及大型船舶的主要动力设备。燃气轮机作为一种旋转机械，其内部的流动具有显著的三维非定常特性，由于粘性及叶片等因素引起的非定常流动，会影响叶片上的作用力，进而引起叶片非定常振动。当气动频率等于叶片固有频率时，叶片发生共振，会导致叶片寿命降低甚至叶片损伤。
目前，涡轮叶片设计方法主要包括以下步骤：首先根据总体性能参数及设计要求开展一维气动设计，得到涡轮通流及各级中截面速度三角形，在此过程中可根据需要利用优化算法对涡轮气动参数及通流尺寸进行优化；而后以中截面速度三角形为基础，选取适合的扭曲规律以得到各级涡轮不同截面速度三角形及相关气动参数；进而在各截面速度三角形及气动参数基础上进行各截面叶片造型，并利用S2流面正问题分析方法对各列叶片的叶型进行计算分析，根据结果的合理性对叶型及相关参数进行适当调整；在S2流面分析及优化结果基础上进行全三维计算，分析涡轮叶栅内的流动合理性、型面压力分布的优劣，综合评定涡轮性能及流动情况；反复优化直到满足设计要求，得到合理的三维叶型。
近年来，随着计算流体力学的不断发展，非定常计算技术在涡轮气动设计中不断应用。其中，通过改变导叶周向位置来提高涡轮效率的Clocking effect(时序效应)成为国内外学者的研究重点，研究结果均表明时序效应可以提高涡轮效率：当上游级导叶的时间平均尾迹撞击到后面级导叶前缘时效率最大。
现代燃气轮机不断追求性能的提升，涡轮叶片的造型也更为复杂，全三维特征更为明显，且厚度不断减薄，给发动机的结构可靠性造成了较大的影响，特别容易引起高温涡轮叶片的强度及振动问题。然而，传统的涡轮叶片设计方法更为关注涡轮性能指标，新的非定常设计计算手段及研究也大多针对或用于涡轮效率的提高，不利于叶片可靠性的提高。
尽管国内外学者及科研人员在涡轮非定常流动方面已开展了大量的研究，对涡轮叶栅内非定常流动有了一定的认识，但是这些研究并没有关注到如何降低涡轮动叶叶片非定常作用力，也鲜有关于通过导叶叶片设计减弱动叶非定常作用力方面的报道。科研人员希望有一种可以有效减弱动叶叶片非定常作用力的先进且简便的设计方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术无法降低涡轮动叶叶片非定常作用力，导致叶片可靠性差的问题，而提出一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法。
一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法具体过程为：
步骤一、利用全三维数值模拟软件对涡轮叶片气动设计方法得到的涡轮导叶叶片和动叶叶片进行非定常计算，得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
动叶叶片包括第一动叶叶片和第二动叶叶片；
步骤二、保持第一动叶叶片和第二动叶叶片不变；
调整涡轮导叶叶片根截面叶型周向位置，得到调整后涡轮导叶叶片根截面叶型，使导叶叶片根截面叶型出口正对下游第一动叶叶片根部前缘；
步骤三、保持涡轮导叶喉部面积不变，基于步骤二调整后的导叶叶片根截面叶型，调整导叶叶片顶截面叶型周向位置，得到调整后涡轮导叶叶片顶截面叶型，使导叶叶片顶截面叶型出口正对下游第二动叶叶片顶部前缘；
步骤四、将步骤二调整后的导叶叶片根截面叶型和步骤三调整后的导叶叶片顶截面叶型通过三维建模软件的混合功能构建出导叶叶片三维模型；
步骤五、利用全三维数值模拟软件将步骤四得到的导叶叶片三维模型和步骤一得到的动叶叶片构成的涡轮进行非定常计算，得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
步骤六、若步骤五得到的涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据符合预定标准，则得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
若步骤五得到的涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据不符合预定标准，则重复执行步骤二～步骤五，直至动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据达到预定标准。
本发明的有益效果为：
本发明在充分利用常规涡轮气动及叶片设计方法及流程的基础上，通过导叶全三维重新积叠造型，并结合三维非定常计算技术，重新组织了涡轮叶栅内流动，从而有效降低了动叶非定常作用力，改善了叶片的受力状态，提高了涡轮动叶叶片的可靠性；并且利用导叶倾斜，使导叶根部端区分离流动受到抑制，提高了涡轮气动效率。
本发明提供可有效降低涡轮动叶叶片非定常作用力，改善涡轮动叶叶片受力状态，而且不降低涡轮气动效率的一种涡轮导叶全三维造型设计方法。
采用本发明设计的涡轮叶片，可以减弱导叶下游动叶叶身非定常作用力，可将下游动叶叶身扭矩脉动减弱45％，可将下游动叶叶身轴向力脉动减弱26％。
附图说明
图1为常规涡轮叶片气动设计方法设计的导叶叶片示意图；
图2为常规涡轮叶片气动设计方法设计的动叶叶片示意图；
图3为常规涡轮叶片气动设计方法设计的涡轮导叶积叠位置示意图；
图4为通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的设计流程图；
图5为第一动叶叶片9和第二动叶叶片10位置示意图；
图6为采用本发明调整后的导叶示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法具体过程为：
本发明减弱涡轮动叶非定常作用力的设计方法是基于现有的常规涡轮叶片气动设计方法。在常规涡轮叶片气动设计方法之后，得到未经减弱非定常作用力处理的涡轮级叶片(如图1、图2所示)，包括导叶叶片1以及动叶叶片2。
如图3所示，导叶叶片1由根截面叶型4和顶截面叶型5构造而成，根截面叶型4的质心6和顶截面叶型5的质心7构成的积叠轴8是竖直的直线。
在此基础上还需经过以下步骤(见图4)：
步骤一、利用全三维数值模拟软件(如CFX)对涡轮叶片气动设计方法得到的涡轮导叶叶片1和动叶叶片2(见图1、图2)进行非定常计算，得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据，并将该数据结果作为减弱涡轮动叶非定常作用力的对比依据；
动叶叶片2包括第一动叶叶片9和第二动叶叶片10；
步骤二、保持如图5所示的第一动叶叶片9和第二动叶叶片10不变；
调整涡轮导叶叶片1根截面叶型4周向位置(见图6)，得到调整后涡轮导叶叶片1根截面叶型11，使导叶叶片1根截面叶型11出口正对下游第一动叶叶片9(见图5)根部前缘；
步骤三、保持涡轮导叶喉部面积不变，基于步骤二调整后的导叶叶片1根截面叶型11，调整导叶叶片1顶截面叶型5周向位置(见图6)，得到调整后涡轮导叶叶片1顶截面叶型12，使导叶叶片1顶截面叶型12出口正对下游第二动叶叶片10(见图6)顶部前缘；
步骤四、将步骤二调整后的导叶叶片1根截面叶型11(见图6)和步骤三调整后的导叶叶片1顶截面叶型12(见图6)通过三维建模软件(如UG等)的混合功能构建出向叶背侧倾斜的导叶叶片三维模型15(见图6)；
步骤五、利用全三维数值模拟软件(如CFX)将步骤四得到的导叶叶片三维模型15和步骤一得到的动叶叶片2构成的涡轮进行非定常计算，得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
步骤六、若步骤五得到的涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据符合预定标准，则得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
若步骤五得到的涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据不符合预定标准，则重复执行步骤二～步骤五，直至动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据达到预定标准。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述第二动叶叶片10和第一动叶叶片9相邻，且第二动叶叶片10位于第一动叶叶片9的叶盆侧。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述根截面叶型4的质心6和顶截面叶型5的质心7构成的积叠轴8是竖直的直线。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤四中导叶叶片三维模型15根截面叶型11的质心13与顶截面叶型12的质心14均不在竖直积叠轴8上。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述全三维数值模拟软件为CFX软件。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述三维建模软件为UG软件。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、利用全三维数值模拟软件对涡轮叶片气动设计方法得到的涡轮导叶叶片(1)和动叶叶片(2)进行非定常计算，得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
动叶叶片(2)包括第一动叶叶片(9)和第二动叶叶片(10)；
步骤二、保持第一动叶叶片(9)和第二动叶叶片(10)不变；
调整涡轮导叶叶片(1)根截面叶型(4)周向位置，得到调整后涡轮导叶叶片(1)根截面叶型(11)，使导叶叶片(1)根截面叶型(11)出口正对下游第一动叶叶片(9)根部前缘；
步骤三、保持涡轮导叶喉部面积不变，基于步骤二调整后的导叶叶片(1)根截面叶型(11)，调整导叶叶片(1)顶截面叶型(5)周向位置，得到调整后涡轮导叶叶片(1)顶截面叶型(12)，使导叶叶片(1)顶截面叶型(12)出口正对下游第二动叶叶片(10)顶部前缘；
步骤四、将步骤二调整后的导叶叶片(1)根截面叶型(11)和步骤三调整后的导叶叶片(1)顶截面叶型(12)通过三维建模软件的混合功能构建出导叶叶片三维模型(15)；
步骤五、利用全三维数值模拟软件将步骤四得到的导叶叶片三维模型(15)和步骤一得到的动叶叶片(2)构成的涡轮进行非定常计算，得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
步骤六、若步骤五得到的涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据符合预定标准，则得到涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据；
若步骤五得到的涡轮动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据不符合预定标准，则重复执行步骤二～步骤五，直至动叶叶身扭矩及轴向力随非定常计算时间步变化数据达到预定标准。
2.根据权利要求1所述一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，其特征在于：所述第二动叶叶片(10)和第一动叶叶片(9)相邻，且第二动叶叶片(10)位于第一动叶叶片(9)的叶盆侧。
3.根据权利要求1或2所述一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，其特征在于：所述所根截面叶型(4)的质心(6)和顶截面叶型(5)的质心(7)构成的积叠轴(8)是竖直的直线。
4.根据权利要求3所述一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，其特征在于：所述步骤四中导叶叶片三维模型(15)根截面叶型(11)的质心(13)与顶截面叶型(12)的质心(14)均不在竖直积叠轴(8)上。
5.根据权利要求4所述一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，其特征在于：所述全三维数值模拟软件为CFX软件。
6.根据权利要求5所述一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法，其特征在于：所述三维建模软件为UG软件。
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