CN110287647A - 一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法 - Google Patents

一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，通过对原始跨声速压气机平面叶栅进行数值模拟分析，确定原始强激波在叶片吸力面的入射位置，从而给出鼓包在叶片上的安装范围，进而可得到鼓包的不同参数组合，然后将其代入鼓包造型公式形成不同的鼓包，通过比较不同参数组合的鼓包叶栅的激波系结构和减阻效果，确定一个最佳参数组合的鼓包；利用得到的最佳参数组合的鼓包型面数据，结合编程工具，即可得到一个新的吸力面，再与叶片的压力面重新组成一个新的平面叶栅，从而得到带有激波控制鼓包的叶栅。本发明在叶栅吸力面添加鼓包，可降低激波强度，减小激波损失和附面层分离损失，降低叶栅的流动损失，提高压气机的效率。

Description

一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，具体而言，尤其涉及一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法。
背景技术
压气机作为燃气轮机三大核心部件之一，其工作性能的优劣对整机效率与工作可靠性具有重要影响。从压气机角度来看，发动机推重比的提高需要不断提高压气机的单级压比，进而在提高其推重比。提高单级压比的常用方法是提高转子的旋转速度，这样会提高转子的叶尖切线速度，从而使其叶尖相对马赫数达到超声速，因此在跨声速压气机中会导致激波的出现，在存在激波的压气机中，其流道内气流的流动状况较为复杂，且在激波干扰下会造成较大的流动损失。其中激波引起的损失由两部分构成，一部分是激波本身损失，另一部分是激波干扰下的附面层分离形成的流动损失。现有的压气机中激波控制方法主要有三种：一是采用凹型轮毂，二是采用掠形设计，三是通过附面层抽吸装置来控制激波结构。但是凹型轮毂和掠形设计的设计变量较多，而且也会导致叶型的较大改变，工作量比较大，而附面层抽吸虽然可以有效的控制激波结构，但是却要额外增加抽吸结构，增加了设计难度。
激波控制鼓包作为一种新型的跨声速压气机激波控制方式，相比上述的方法，只对叶片局部的结构进行微小改变，具有设计简单，加工难度低，而且其具有基本不改变流量的同时来削弱激波和附面层的相互作用使附面层分离延后的优点，其相关技术的研发和应用必会降低跨声速压气机的能量损失，进而提升压气机的性能。
发明内容
根据上述提出现有技术中存在的跨声速压气机叶栅中激波损失较大的技术问题，而提供一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法。本发明主要利用在跨声速压气机平面叶栅的吸力面添加鼓包，从而通过激波控制鼓包弱化叶片表面局部强激波并将其转化成一系列的弱激波来减少总压损失，具有设计简单，加工难度低等优点。
本发明采用的技术手段如下：
一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，包括如下步骤：
步骤一、确认鼓包位置：首先在CFX、NUMECA或其他数值模拟软件中对原始跨声速压气机平面叶栅进行数值模拟分析，通过分析叶栅的马赫数云图或等压线图或静压云图，得到原始强激波产生在叶片吸力面的位置，通过激波产生的位置确定鼓包在叶片上的安装范围，所述安装范围包括设定鼓包的起始点、最高点和结束点，所述起始点的位置可在-0.5～0.5mm范围内进行调整，通过所述安装范围可得到鼓包的长度参数，所述鼓包的长度参数包括鼓包起始点到鼓包最高点的长度距离C和鼓包的总长度L；通过数值模拟分析附面层厚度来确定鼓包的高度H，所述鼓包的高度H小于附面层厚度，所述鼓包的高度H可在-0.01～0.01mm范围内进行调整；所述鼓包的长度参数与鼓包的高度参数可构成不同参数组合；
步骤二、将得出的鼓包的不同参数组合代入鼓包造型公式，在叶片的吸力面上添加激波控制鼓包，对不同参数组合的鼓包进行数值模拟分析，通过压力、马赫数和总压损失系数来分析激波系结构和减阻效果，进而比较不同参数组合的鼓包对于叶栅槽道内流动的改善效果，确定一个最佳参数组合的鼓包；
步骤三、在叶栅型线的点文件中先将吸力面中鼓包起始点和结束点之间的原始型线点数据去除，删除位于鼓包起始点和结束点之间的原始吸力面型线，选取鼓包造型公式，所述鼓包造型公式与步骤二中采用的鼓包造型公式可相同或不同，将步骤二中得到的最佳参数组合代入公式中，利用MATLAB、VC++或其他编程工具，重新计算出一条吸力面上鼓包位置的点数据文件并重新组成新的鼓包型线，所述鼓包型线为位于鼓包起始点和结束点之间的吸力面局部型线，再将重新得到的吸力面局部型线与未删除的剩余原始吸力面型线组合，可得到一个新的吸力面，再将新的吸力面与叶片的压力面重新组成一个新的平面叶栅，从而可得到一个效果较好的带鼓包的平面叶栅。
进一步地，所述原始激波入射在鼓包起始点和最高点之间。
进一步地，所述鼓包起始点与鼓包结束点的距离L为鼓包起始点与鼓包最高点的距离C的2.5倍，鼓包最高点与鼓包结束点的距离为鼓包起始点与鼓包最高点的距离C的1.5倍。
进一步地，所述鼓包造型公式可以采用如下方案：
采用Hicks-henne方程来进行鼓包造型，在叶片的吸力面进行鼓包造型，所述Hicks-henne方程的表达式为：
fB(x)＝H(sin(πxm))t,0≤x≤1
其中，H为鼓包的高度，t为斜率控制参数，x为无因次长度，L为鼓包的总长度，m为鼓包的不对称参数，C为鼓包起始点到鼓包最高点的长度距离。
进一步地，所述鼓包造型公式还可采用如下方案：
所述鼓包造型采用Bezier曲线形成，其公式为：
B(t)＝P0(1-t)n+3P1t1(1-t)n-1+3P2t2(1-t)n-2+…+Pntn
其中，Pi为曲线的控制点，Bi,n(t)为B样条基函数，t为无因次长度，n为B样条曲线的阶数，B样条曲线由P0～Pn相连接而成。
进一步地，所述鼓包造型公式还可采用如下方案：
所述鼓包造型采用Nurbs曲线形成，其公式为：
其中，Pi(xi,yi)为控制点，ωi为权重因子，用于定义控制点的权重；n+1个权重因子分别与同等数量的控制点Pi(xi,yi)相对应；节点矢量u是根据递推关系得到的条基函数；节点矢量u由u0至um的实数序列构成，u为节点矢量，ui为节点值，其中ui≤ui+1，i＝0,1,...,m-1；只需要给定一组控制点、指定曲线的阶次、各个控制点的权重，即可得到Nurbs曲线。
本发明还提供了一种跨声速压气机平面叶栅，所述叶栅包括栅板和设置在所述栅板上的叶片，所述叶片上设有鼓包结构，所述鼓包结构是通过上述激波控制方法获得的。
进一步地，所述鼓包、叶片、栅板可一体成型，或者鼓包和叶片通过滑槽相连接并共同嵌入栅板中固定。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，针对跨声速轴流式压气机，考虑到激波对流动损失的影响，通过添加鼓包可对激波进行控制来减少强激波本身的损失以及其和附面层相互干涉而引起的流动损失；
2、本发明提供的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，通过数值模拟分析，结合鼓包造型公式，并通过比较不同参数组合的鼓包叶栅的激波系结构和减阻效果，确定一个鼓包的最佳参数组合，将得到的最佳参数组合代入鼓包造型公式，结合编程工具，从而得到带有激波控制鼓包的叶栅，可降低跨声速压气机的能量损失，进而提升压气机的性能；
3、本发明提供的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，具有结构简单，安装方便，加工难度低，体积小，附加质量小和可靠性高等优点，可用于跨声速压气机气动设计。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的存在的跨声速压气机叶栅中激波损失较大的问题。
基于上述理由本发明可在跨声速压气机平面叶栅激波控制等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中压气机叶栅的鼓包及鼓包参数的二维示意图。
图2为本发明中压气机叶栅中带鼓包的吸力面的二维示意图。
图3为本发明中压气机的带鼓包叶栅的结构示意图。
图4为本发明中压气机的原始叶栅的压力等值线图。
图5为本发明中压气机的带鼓包叶栅的压力等值线图。
图6为本发明中压气机的原始叶栅的总压损失系数云图。
图7为本发明中压气机的带鼓包叶栅的总压损失系数云图。
图中：1、叶片；2、鼓包；3、吸力面；4、栅板。
主要符号说明
X 叶片前缘点到鼓包最高点的长度距离
X<sub>0</sub> 叶片前缘点到鼓包起始点的距离
C 鼓包起始点到鼓包最高点的长度距离
L 鼓包的总长度
H 鼓包的高度
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
实施例1
步骤一、选取一个跨声速平面叶栅，本实施例中选用的是某跨声速转子的50％叶高平面叶栅，在NUMECA中进行数值模拟，叶栅参数如下：
表1叶栅参数
步骤二、通过分析数值模拟结果，可得出叶栅的原始强激波入射在吸力面3的位置大概在吸力面3的2/5弦长处，在2/5弦长前后选取鼓包起始点和鼓包最高点，并可得到鼓包结束点的位置；同时，通过分析数值计算的结果，可以得到该叶片的主流区附面层厚度为0.41mm，则鼓包高度的选取应小于0.41mm。本步骤的鼓包造型采用Hicks-henne方程形成，方程表达式如下：
fB(x)＝H(sin(πxm))t,0≤x≤1
其中，H为鼓包的高度，t为斜率控制参数，x为无因次长度，L为鼓包的总长度，m为鼓包的不对称参数，C为鼓包起始点到鼓包最高点的长度距离。
步骤三、通过数值模拟分析，对比分析了多种不同参数组合的鼓包叶栅的效果，可得到鼓包2的最佳参数组合：H＝0.4mm；t＝2.5；L＝16mm；C＝6mm；X0＝16mm。
步骤四、先将吸力面3中鼓包起始点和结束点之间的点数据去除，删除位于鼓包起始点和结束点之间的原始吸力面型线，选择鼓包造型公式，本步骤采用与步骤二相同的Hicks-henne方程进行鼓包造型，将步骤三中得到的鼓包2的最佳参数组合代入公式，利用MATLAB编程工具，重新计算出一条吸力面3上鼓包位置的点数据文件并重新组成新的吸力面局部型线，再将重新得到的吸力面型线与未删除的剩余原始吸力面型线组合，可得到一个新的吸力面3，如图2所示；再将重新得到的吸力面3与原始叶片的压力面重新组成一个新的平面叶栅，从而可得到一个效果较好的带鼓包2的平面叶栅。
步骤五、将得到的带鼓包2的叶栅一体铸造成型，如图3所示。
步骤六、利用CFD软件对上述的无鼓包2的叶栅和带鼓包2的叶栅进行数值计算，得到结果如下：
表2原型叶栅和鼓包叶栅的总压损失与流量变化
结果表明，本实施例提供的压气机叶栅，在叶栅吸力面3增加鼓包2，可以有效的改善激波和附面层的相互干涉，在几乎不影响流量的情况下，有效的减少损失，提高压气机的整体性能。对比鼓包叶栅，在设计工况下，叶栅的总压损失系数降低了2.34％，流量减少了1.08％，通过图4和图5的原型叶栅和鼓包叶栅压力等值线图，对比两图黑色方框中的部分可以得出，鼓包2可以有效的降低叶栅流道内的激波强度同时使激波入射在吸力面3上的位置后移，从而使主流区域附面层分离的位置延后使得流动损失下降。对比图6和图7的原型叶栅和鼓包叶栅总压损失系数云图，鼓包叶栅的流场后半段的高损失区域明显的变小。此外，通过改变激波结构，还可以有效的改善吸力面3的压力梯度，从而更有利于附面层的发展。
综上，本实施例中应用的叶片构建方法不仅能降低激波强度使入射激波的位置延后，同时改善激波和附面层相互干涉，降低流动损失。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (8)

1.一种跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确认鼓包位置：首先对原始跨声速压气机平面叶栅进行数值模拟分析，得到原始强激波在叶片吸力面上的入射位置，通过激波产生的位置确定鼓包在叶片上的安装范围，所述安装范围包括设定鼓包的起始点、最高点和结束点，所述起始点的位置可在-0.5～0.5mm范围内进行调整，通过所述安装范围可得到鼓包的长度参数，所述鼓包的长度参数包括鼓包起始点到鼓包最高点的长度距离C和鼓包的总长度L；通过数值模拟分析附面层厚度来确定鼓包的高度H，所述鼓包的高度H小于附面层厚度，所述鼓包的高度H可在-0.01～0.01mm范围内进行调整；所述鼓包的长度参数与鼓包的高度参数可构成不同参数组合；
步骤二、将得出的鼓包的不同参数组合代入鼓包造型公式，在叶片的吸力面上添加激波控制鼓包，对不同参数组合的鼓包进行数值模拟分析，通过压力、马赫数和总压损失系数来分析激波系结构和减阻效果，进而比较不同参数组合的鼓包对于叶栅槽道内流动的改善效果，确定一个最佳参数组合的鼓包；
步骤三、在叶栅型线的点文件中先将吸力面中鼓包起始点和结束点之间的原始型线点数据去除，删除位于鼓包起始点和结束点之间的原始吸力面型线，选取鼓包造型公式，将步骤二中得到的最佳参数组合代入公式中，利用编程工具，重新计算出一条吸力面上鼓包位置的点数据文件并重新组成新的鼓包型线，所述鼓包型线为位于鼓包起始点和结束点之间的吸力面局部型线，再将重新得到的吸力面局部型线与未删除的剩余原始吸力面型线组合，可得到一个新的吸力面，再将新的吸力面与叶片的压力面重新组成一个新的平面叶栅，从而可得到一个效果较好的带鼓包的平面叶栅。
2.如权利要求1所述的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，其特征在于，所述原始激波入射在鼓包起始点和最高点之间。
3.如权利要求1所述的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，其特征在于，所述鼓包起始点与鼓包结束点的距离L为鼓包起始点与鼓包最高点的距离C的2.5倍，鼓包最高点与鼓包结束点的距离为鼓包起始点与鼓包最高点的距离C的1.5倍。
4.如权利要求1所述的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，其特征在于，所述鼓包造型公式可以采用如下方案：
采用Hicks-henne方程来进行鼓包造型，在叶片的吸力面进行鼓包造型，所述Hicks-henne方程的表达式为：
fB(x)＝H(sin(πxm))t,0≤x≤1
其中，H为鼓包的高度，t为斜率控制参数，x为无因次长度，L为鼓包的总长度，m为鼓包的不对称参数，C为鼓包起始点到鼓包最高点的长度距离。
5.如权利要求1所述的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，其特征在于，所述鼓包造型公式还可采用如下方案：
所述鼓包造型采用Bezier曲线形成，其公式为：
B(t)＝P0(1-t)n+3P1t1(1-t)n-1+3P2t2(1-t)n-2+…+Pntn
其中，Pi为曲线的控制点，Bi,n(t)为B样条基函数，t为无因次长度，n为B样条曲线的阶数，B样条曲线由P0～Pn相连接而成。
6.如权利要求1所述的跨声速压气机平面叶栅激波控制的设计方法，其特征在于，所述鼓包造型公式还可采用如下方案：
所述鼓包造型采用Nurbs曲线形成，其公式为：
其中，Pi(xi,yi)为控制点，ωi为权重因子，用于定义控制点的权重；n+1个权重因子分别与同等数量的控制点Pi(xi,yi)相对应；节点矢量u是根据递推关系得到的条基函数；节点矢量u由u0至um的实数序列构成，u为节点矢量，ui为节点值，其中ui≤ui+1，i＝0,1,...,m-1；只需要给定一组控制点、指定曲线的阶次、各个控制点的权重，即可得到Nurbs曲线。
7.一种跨声速压气机平面叶栅，其特征在于，所述叶栅包括栅板和设置在所述栅板上的叶片，所述叶片上设有鼓包结构，所述鼓包结构是通过权利要求1-6任意一项所述的激波控制方法获得的。
8.如权利要求7所述的跨声速压气机平面叶栅，其特征在于，所述鼓包、叶片、栅板可一体成型，或者鼓包和叶片通过滑槽相连接并共同嵌入栅板中固定。
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