CN109595040A - 一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法 - Google Patents

一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法，利用有限元软件模拟了离心力、气流力以及热载荷对叶型扭转和径向伸长的影响，精确计算叶片变形，基于节点坐标修正的反算迭代来补偿实现燃气轮机叶片从最终气动叶型向加工叶型转换，克服传统方法将气动设计叶型作为结构设计和机械加工叶型造成性能衰减的不足。

Description

一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机叶片，适用于燃气轮机涡轮叶片和压气机叶片设计。
背景技术
燃气轮机是将高温的燃烧气体热能转化机械能的高速回转式动力机械。燃气轮机可用来驱动发电机、泵、鼓风机或螺旋桨等负荷。涡轮叶片和压气机叶片，是燃气轮机的核心，其型线的设计水平直接影响整机效率。气动设计给出的是最终气动叶型，而结构设计图需要的是机械加工叶型。传统设计往往将最终气动设计叶型作为结构设计和机械加工的叶型。而实际上，在离心力、气流力和温度载荷的作用下叶片将产生一定的扭转恢复，叶片根据空气动力学要求制成扭转叶片，由于扭转叶片纤维成螺旋线状，旋转运动时其离心力对叶片产生一个附加扭曲，称为扭转恢复，扭曲的大小用扭转恢复角来表述，扭转恢复角越大，对叶片的气动、强度性能影响越大。这种现象不但使叶片气动性能恶化，而且还会影响叶片的载荷及改变叶片截面稳态应力的分布。目前设计中，随着燃气轮机涡轮前温度和功率的不断提高，这种变化在设计中必须精细考虑，本发明正是为了解决以上问题。
发明内容
本发明方法，克服现有技术的不足，提供一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法，利用有限元软件模拟了离心力、气流力以及热载荷对叶型扭转和径向伸长的影响，精确计算叶片变形，并基于节点坐标修正的反算迭代来补偿实现燃气轮机叶片从最终气动叶型向加工叶型转换，克服传统方法将气动设计叶型作为结构设计和机械加工叶型造成性能衰减的不足。
本发明首先提供一种：
本发明方法，提供一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法，包括以下步骤：
步骤1)输入最终气动模型，并将其设为A0；
步骤2)将最终气动叶型沿径向分成n个截面；同时将每个截面上的叶型分成前缘、尾缘、压力面、吸力面4段，对三维叶型进行离散化处理，其中前、尾缘曲率半径小的区域节点数量为分别为a和b，压力面、吸力面曲率半径大的区域节点数量分别为c和d，初始叶型A0离散点坐标为(xi,j,0,yi,j,0,zi,j,0)，其中i为1到n的变量，n为截面数，j为1到m的变量，m为前缘、尾缘、压力面、吸力面的截面节点总数；
步骤3)对叶型施加离心力、汽流力、热载荷，并进行大变形非线性静力分析，得到变形后各节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)(其中i为1到n的变量，n为截面数，j为1到m的变量，m为截面节点数，k为迭代次数，初值k＝1)；
步骤4)计算迭代坐标差值Δuk＝x’i,j,k-xi,j,0，Δvk＝y’i,j,k-yi,j,0，Δwk＝z’i,j,k-zi,j,0,得到位移矢量将叶型每个节点减去位移矢量从而计算加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，xi,j,k＝xi,j,k-1-Δuk，yi,j,k＝yi,j,k-1-Δvk，zi,j,k＝zi,j,k-1-Δwk；
步骤5)对该加工叶型进行大变形非线性静力分析，得到气动叶型，当气动叶型满足(1＜i≤n，1＜j≤m，收敛条件ε的取值为机床加工精度水平)时，即计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)；计算不收敛，在步骤4获得的加工叶型Ak的基础上，继续对其进行大变形非线性静力分析，获得所有节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)，其中k＝k+1，如果满足则计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，否则继续进行迭代计算。
作为优选：
所述的步骤2)中沿叶高叶型截面的数目n为9～11。
所述的步骤2)中叶型前、尾缘节点分布数量在10～15范围内，背弧、内弧节点分布数量在60～70范围内。
所述的步骤4)中收敛条件ε的值取0.02。
如上所述，本发明一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法，具有以下收益效果：
本发明采用了大变形非线性分析方法，考虑了离心力、气流力以及热载荷对叶型扭转和径向伸长的影响，利用有限元软件模拟了离心力、气流力以及热载荷对叶型扭转和径向伸长的影响，精确计算叶片变形，并基于节点坐标修正的反算迭代来补偿实现燃气轮机叶片从最终气动叶型向加工叶型转换，克服传统方法将气动设计叶型作为结构设计和机械加工叶型造成性能衰减的不足，实现了最终气动叶型向加工叶型的转换。
附图说明
图1为本发明设计方法流程图；
图2为本发明叶型迭代示意图；
图3为本发明设计方法步骤2的示意图；
图4为本发明设计方法步骤3和4的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过实施结合附图对本发明进一步的描述。
本实施例以某燃气轮机压气机叶片为例，叶高350mm，该机组运行转速为3000rpm。
参考图1，一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法，该方法流程介绍了压气机叶片从最终气动叶型向加工叶型的转换过程。部分步骤可参考图2-图4。
参考图2-4，为叶型转换迭代过程示意图。步骤1)输入最终气动模型，并将其设为A0；
步骤2)将最终气动叶型A0沿径向分成11个截面；同时将每个截面上的叶型分成前缘、尾缘、压力面、吸力面4段，对三维叶型进行离散化处理，前缘节点数量为15个，尾缘节点数量为10个，吸力面节点数量为70个，压力面节点数量为60个，m为155。初始叶型A0离散点坐标为(xi,j,0,yi,j,0,zi,j,0)，其中i为1到11的变量，j为1到155的变量；
步骤3)利用有限元软件模拟离心力、汽流力、热载荷，并对A0叶型施加离心力、汽流力、热载荷，进行大变形非线性静力分析，得到变形A0’叶型各节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)(其中i为1到11的变量，j为1到155的变量，k为迭代次数，初值k＝1)；
步骤4)计算迭代坐标差值Δu1＝x’i,j,1-xi,j,0，Δvk＝y’i,j,1-yi,j,0，Δw1＝z’i,j,1-zi,j,0，并获得每个节点的位移矢量将A0叶型每个节点减去位移矢量从而计算加工叶型A1坐标(xi,j,1,yi,j,1,zi,j,1)，xi,j,1＝xi,j,1-1-Δu1，yi,j,1＝yi,j,1-1-Δv1，zi,j,k＝zi,j,1-1-Δw1；
步骤5对加工叶型A1进行叶型施加离心力、汽流力、热载荷，进行大变形非线性静力分析，得到第一次气动叶型A1’，计算(1＜i≤11，1＜j≤155，收敛条件ε的取值为机床加工精度水平0.02)时，此时第一次气动叶型A1’不收敛，因此，在A1的基础上，继续对其进行大变形非线性静力分析，本实施例最终迭代5次，达到收敛条件，输出加工叶型A5坐标(xi,j,5,yi,j,5,zi,j,5)。
根据设计经验，在满足叶片气动设计及结构设计的要求下，步骤2)中沿叶高叶型截面的数目n为9～11。同时，为准确表征前、尾缘及压力面和吸力面的型线特征，且减少计算量，增加迭代速度，所述的步骤2)中叶型前、尾缘节点分布数量在10～15范围内，背弧、内弧节点分布数量在60～70范围内。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法，包括以下步骤：
步骤1)输入最终气动模型，并将其设为A0；
步骤2)将最终气动叶型沿叶高径向分成n个截面；同时将每个截面上的叶型分成前缘、尾缘、压力面、吸力面4段，对三维叶型进行离散化处理，其中前、尾缘曲率半径小的区域节点数量为分别为a和b，压力面、吸力面曲率半径大的区域节点数量分别为c和d，初始叶型A0离散点坐标为(xi,j,0,yi,j,0,zi,j,0)，其中i为1到n的变量，n为截面数，j为1到m的变量，m为前缘、尾缘、压力面、吸力面的截面节点总数；
步骤3)对叶型施加离心力、汽流力、热载荷，并进行大变形非线性静力分析，得到变形后各节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)(其中i为1到n的变量，n为截面数，j为1到m的变量，m为截面节点数，k为迭代次数，初值k＝1)；
步骤4)计算迭代坐标差值Δuk＝x’i,j,k-xi,j,0，Δvk＝y’i,j,k-yi,j,0，Δwk＝z’i,j,k-zi,j,0；将叶型每个节点减去位移矢量从而计算加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，xi,j,k＝xi,j,k-1-Δuk，yi,j,k＝yi,j,k-1-Δvk，zi,j,k＝zi,j,k-1-Δwk；
步骤5)对该加工叶型进行大变形非线性静力分析，得到气动叶型，当气动叶型满足(1＜i≤n，1＜j≤m，收敛条件ε的取值为机床加工精度水平)时，即计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)；计算不收敛，在步骤四获得的加工叶型Ak的基础上，继续对其进行大变形非线性静力分析，获得所有节点的坐标(x’i,j,k,y’i,j,k,z’i,j,k)，其中k＝k+1，如果满足则计算收敛，输出加工叶型Ak坐标(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，否则继续进行迭代计算。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤二中沿叶高叶型截面的数目n为9～11。
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤二中沿叶高叶型截面的数目n为11。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述的步骤二中叶型前缘、尾缘节点分布数量在10～15范围内，压力面、吸力面节点分布数量在60～70范围内。
5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述前缘节点数量为15个，尾缘节点数量为10个，吸力面节点数量为70个，压力面节点数量为60个，m为155。
6.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述的步骤五中收敛条件ε的值取0.02。
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