CN109815590A - 一种基于端区附面层的多级轴流压气机三维叶片造型方法及叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于端区附面层的多级轴流压气机三维叶片造型方法，其特征在于：包括步骤一，分析原型多级轴流压气机的子午通流性能；步骤二，由步骤一通流性能提取子午速度剖面的径向梯度，据以确定附面层的边界、并计算轮缘和轮毂侧的附面层位移厚度；步骤三，确定初始的三维叶片造型参数，依据对应侧附面层边界的相对叶高来确定三维叶片的弯高，依据对应侧附面层的位移厚度来确定三维叶片的弯角，并依据弯高和弯角形成积叠线的三维变形，得到叶片的三维造型。本发明实现了多级轴流压气机三维叶片的一体化造型设计，考虑了多级轴流压气机的“多级性影响”，在保证压气机稳定工作的同时提高压气机的流动效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种叶片的三维造型设计方法，具体是一种基于端区附面层的多级轴流压气机三维叶片造型方法。属于轴流式叶轮机械领域。
背景技术
轴流压气机的端区流动一直是限制压气机气动性能的问题之一。如何控制恶劣的端区流动环境成为了压气机气动设计的技术瓶颈。在多级轴流压气机中，不同于单列扩压叶栅或单级压气机，各个级的流动状态并非相互独立，例如尾迹、分离等流动现象会传播到下游多个叶栅流道中，称之为多级轴流压气机的“多级性影响”。端壁附面层由于其可延续性，在一定程度上可以代表多级压气机的这种级间影响。
压气机的工作原理决定了压气机内的主流流体处在逆压的流场环境中，静压随着流向不断升高。端区的环壁附面层在如此的环境中不断增厚，进而影响到压气机的气动性能。这一现象在多级的压气机环境中尤其明显。
三维叶片技术具有控制扩压叶栅端区流动的作用，但三维叶片增加了压气机的设计参数，尤其在多级轴流压气机中，造型设计参数成倍增加。但目前，大部分的三维叶片造型方法只针对单一叶片的流动状态进行相应改型，并没有兼顾多级轴流压气机的流动特点。因此，如何对多级环境下的多列压气机叶片进行三维造型成为了一个难点。
针对以上不足，需要依托于多级轴流压气机的流场特点，提供一种多级轴流压气机的三维叶片造型方法，使其提高压气机的气动性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对多级轴流压气机的流动特点，主要是端区的环壁附面层，提供一种简单易操作的多级轴流压气机三维叶片的造型方法，以控制由于造型参数增加而提高的设计难度，完成设计的同时提高压气机的气动性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于端区附面层的多级轴流压气机三维叶片造型方法，其特征在于：包括步骤一，分析原型多级轴流压气机的子午通流性能；步骤二，由步骤一通流性能提取子午速度剖面的径向梯度，据以确定附面层的边界、并计算轮缘和轮毂侧的附面层位移厚度；步骤三，确定初始的三维叶片造型参数，依据对应侧附面层边界的相对叶高来确定三维叶片的弯高，依据对应侧附面层的位移厚度来确定三维叶片的弯角，并依据弯高和弯角形成积叠线的三维变形，得到叶片的三维造型。
本发明第二个目的在于采用上述压气机三维叶片造型方法的叶片，其特征在于，所述多级轴流压气机的三维叶片的静叶弯高和弯角随着流向均不断增大，与附面层随流向逐渐增厚的发展规律一致，并且始终保持叶片吸力面与端壁呈钝角，叶片压力面与端壁呈锐角。
本发明具有以下的有益效果：
(1).通过分析原型多级轴流压气机的子午速度剖面，快速而便捷的得到每一列静叶栅的三维造型参数，进而进行多级轴流压气机的快速三维造型，可以显著加快设计流程；
(2).通过对多级轴流压气机的叶片进行三维造型，可以利用三维叶片表面产生的径向压力梯度控制扩压叶栅角区的附面层厚度，进而改善扩压叶栅的角区流动性能；
(3).通过同时改善多列静叶栅的角区流动，可以显著提高多级轴流压气机的整体流动效率和喘振裕度，进而在保证压气机稳定工作的同时节约能源。
附图说明
图1为本发明的技术路线图；
图2为本发明所述的子午速度剖面示意图；
图3为本发明所述的三维叶片积叠线的定义示意图；
图4为根据本发明所得的三维叶片示意图；
图5为根据本发明所得的多级轴流压气机三维叶片示意图；
图6为本发明所述的三维叶片作用机理示意图；
图7为本发明所述的叶栅变攻角特性变化的示意图；
图8为本发明所述的压气机级特性变化的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明是一种基于端区附面层的多级轴流压气机三维叶片造型方法，基于多级轴流压气机的流场特点，确定三维叶片的造型参数，进行多级轴流压气机的快速三维造型，具体的技术路线如图1所示。本发明的具体步骤如下：
步骤一，分析原型压气机的子午通流性能
采用子午通流性能分析软件对原型压气机的子午通流速度性能进行分析，在没有子午通流性能分析软件的情况下也可采用三维CFD替代子午通流性能分析软件。性能分析仅针对多级压气机在设计转速(100％额定转速)下的设计点工况(共同工作点工况)。
步骤二，计算子午速度剖面的径向梯度，据以确定附面层的边界、并计算轮缘和轮毂侧的附面层位移厚度。
由步骤一的分析结果中提取出原型多级轴流压气机子午流面的速度剖面，如图2所示。靠近轮缘和轮毂两端的环壁附面层在“多级性影响”下随着流向不断增厚，附面层边界不断靠向流道中部，位移厚度不断增大。根据公式1：|d(ρvz)/dr-(d(ρvz)/dr)mid|/((ρvz)mid/h)＝const来确定附面层的边界，公式中，vz为组成速度剖面的轴向速度，ρ为流体的密度，r为半径，h为叶片的叶高，d(ρvz)/dr为子午速度剖面的径向梯度，速度乘以密度，以兼顾流体的可压缩性；(d(ρvz)/dr)mid为径向梯度在流道中部的取值以消除流道中部主流速度沿径向不等的影响；(ρvz)mid/h为流道中部的气动参数和叶高的商，以便进行无量纲化处理；公式右侧为一经验常数，推荐值为0.1～0.5。通过该公式，可以由所提取的子午流面的速度剖面确定附面层的边界，从而将流道划分为主流区域和附面层区域。具体确定边界的方法为：基于对子午速度剖面的径向梯度的分析，通过改变公式右侧的常数大小便可改变判别附面层边界的速度梯度的大小，以发生明显梯度变化的起始位置作为附面层的边界，并以叶高和流道中部的速度对梯度变化做无量纲处理，以统一附面层边界的标准，如图3左侧所示，图中的坐标轴r表示径向，z表示轴向，t表示圆周方向。
随后，对附面层内的轴向速度vz沿径向做积分，同时兼顾流体的可压缩性，根据公式2：计算出近轮缘和轮毂侧的附面层位移厚度，公式中vz为轴向速度，ρ为流体的密度，r为半径，s为距离相邻端壁的距离，vz,mid为流道中部的主流轴向速度。
步骤三，确定初始的三维叶片造型参数
依据对应侧附面层边界的相对叶高来确定三维叶片的弯高，依据对应侧附面层的位移厚度δ*来确定三维叶片的弯角，并依据弯高和弯角进行叶片的三维造型。如图3右边所示，三维叶片的造型叶高保持与对应侧附面层边界的相对叶高一致；弯角包括α1、α2和α3，具体位置见图3中弯角具体的角度线指示的位置点。造型弯角依据对应侧的附面层的位移厚度调整，位移厚度越大，弯角α1和α3越大，c1和c3为经验系数，为近轮缘处的附面层位移厚度，为近轮毂处的附面层位移厚度，弯角α1和α3不大于45°。α2的大小与流道中部的径向速度梯度相关，c2为经验系数，弯角α2不大于45°。
进而依据积叠线的三维变形，得到叶片的三维造型，如图4所示为示例的三维叶片，叶片吸力面与端壁呈钝角，叶片压力面与端壁呈锐角。如图5所示为示例的多级轴流压气机的三维叶片，静叶弯高和弯角随着流向均不断增大，与附面层随流向的变化规律一致。
步骤四，三维流场气动性能分析
在原型压气机中应用了三维造型叶片之后，采用三维CFD软件对新生成的多级轴流压气机流场进行气动性能分析，并提取出多级压气机的总性能参数和子午速度剖面。
三维流场的CFD分析采用湍流模型Shear Stress Transport(SST)模型，并辅以γ-Reθt转捩模型，通过高分辨率High resolution格式求解流动控制方程。网格划分采用O4H的网格拓扑形式，叶顶间隙采用蝶形网格，第一层网格厚度的取值保证y+值满足所选择的湍流模型需求。
通过三维CFD软件，可以模拟出三维叶片的作用机理，如图6所示。三维叶片弯曲的叶片表面会通过更高的径向压力梯度提供给位于叶片表面的流体一个指向流道中部的径向分力，从而控制位于叶片表面的附面层流体的径向迁移，提高端区附面层内的二次流强度，减少端区的附面层堆积。附面层厚度的抑制能有效提高叶栅的通流能力，降低流动损失，提高叶栅的气动性能。
步骤五，三维造型参数寻优
根据步骤四中所得到的多级轴流压气机的总性能参数和子午速度剖面调整步骤三中的三维叶片造型参数，得到新的三维叶片造型参数。利用遗传算法循环迭代步骤三和步骤四，直到得到满足性能需求的三维叶片设计，在不牺牲压气机压比的情况下，提高压气机的效率和喘振裕度。如图7和图8所示为示例的优化结果，单列扩压叶栅的变攻角特性线整体下移并拓宽，流动损失降低，失速裕度增加。多级压气机整体的效率特性线上移并拓宽，流动效率提高的同时喘振裕度增加。
综上所述，本发明基于多级轴流压气机的流场特点，确定三维叶片的造型参数，进行多级轴流压气机的快速三维造型，可以显著提高多级轴流压气机的整体流动效率和喘振裕度，进而在保证压气机稳定工作的同时节约能源。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于端区附面层的多级轴流压气机三维叶片造型方法，其特征在于：包括
步骤一，分析原型多级轴流压气机的子午通流性能；
步骤二，由步骤一通流性能提取子午速度剖面的径向梯度，据以确定附面层的边界、并计算轮缘和轮毂侧的附面层位移厚度；
步骤三，确定初始的三维叶片造型参数，依据对应侧附面层边界的相对叶高来确定三维叶片的弯高，依据对应侧附面层的位移厚度来确定三维叶片的弯角，并依据弯高、弯角形成积叠线的三维变形，得到叶片的三维造型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述速度性能分析条件为多级压气机在设计转速即100％额定转速下的设计点工况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，根据公式1：|d(ρvz)/dr-(d(ρvz)/dr)mid|/((ρvz)mid/h)＝const来确定附面层的边界，公式中，vz为组成速度剖面的轴向速度，ρ为流体的密度，r为半径，h为叶片的叶高，d(ρvz)/dr为子午速度剖面的径向梯度；(d(ρvz)/dr)mid为径向梯度在流道中部的取值；(ρvz)mid/h为流道中部的气动参数和叶高的商。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，公式1右侧const为一经验常数，推荐值为0.1～0.5。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过改变公式1右侧const的常数大小便可改变判别附面层边界的速度梯度的大小，以发生明显梯度变化的起始位置作为附面层的边界。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，随后，对附面层内的轴向速度vz沿径向做积分，根据公式2：计算出近轮缘和轮毂侧的附面层位移厚度，公式中vz为轴向速度，ρ为流体的密度，r为半径，s为距离相邻端壁的距离，vz,mid为流道中部的主流轴向速度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，三维叶片的造型叶高与对应侧附面层边界的相对叶高一致；弯角包括α1、α2和α3，造型弯角依据对应侧的附面层的位移厚度调整，位移厚度越大，弯角α1和α3越大，弯角α2依据流道中部速度剖面的径向梯度来确定。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述弯角α1和α3分别采用公式c1和c3为经验系数为近轮缘处的附面层位移厚度，为近轮毂处的附面层位移厚度；所述弯角α2采用公式c2为经验系数；所述弯角α1、α2和α3均不大于45°。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括
步骤四，三维流场气动性能分析
在原型压气机中应用了步骤三中的三维造型叶片之后，对新生成的多级轴流压气机流场进行气动性能分析，并提取出多级压气机的总性能参数和子午速度剖面；
步骤五，三维造型参数寻优
根据步骤四中所得到的多级轴流压气机的总性能参数和子午速度剖面，利用遗传算法循环迭代、调整步骤三中的三维叶片造型参数，得到新的三维叶片造型参数。
10.采用上述1-9中任一所述的压气机三维叶片造型方法的叶片，其特征在于，
所述多级轴流压气机的三维叶片的静叶弯高和弯角随着流向均不断增大，与附面层随流向逐渐增厚的发展规律一致，并且始终保持叶片吸力面与端壁呈钝角，叶片压力面与端壁呈锐角。
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