CN112699503B - 一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机s2反问题设计方法 - Google Patents

一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机s2反问题设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法，通过展向扭曲规律设计、展向损失设计与典型S2流面流线曲率法求解来获得轴流压气机的S2气动设计方案。本发明通过载荷系数与反动度两个关键无量纲参数进行轴流压气机各级动叶进口预旋的定制化设计，实现了压气机空间负荷在S2设计阶段的主动控制，使轴流压气机的S2反问题通流设计达到了参数化、精细化的程度，有效提高了轴流压气机气动设计精度，提升了气动性能，十分适合工程设计应用。同时，该方法不仅局限于燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。

Description

一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计 方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是压气机设计方法。
背景技术
压气机作为燃气轮机的三大核心部件之一，其性能优劣直接影响着燃气轮机的经济性指标。未来燃气轮机发展对压气机部件提出了极高的要求：一方面是级负荷水平的提升，一方面是在宽工况范围内保证长期高效稳定运行。为此，设计出性能指标优秀并具有高可靠性的压气机，同时降低设计成本，缩短设计周期，已经成为现代叶轮机械设计领域的主要研究方向之一。
S1和S2流面计算程序已经被广泛应用于压气机的先进气动设计当中，并已成为国内外公认的压气机气动设计体系核心。为了满足燃气轮机的发展对压气机气动设计提出的挑战，必须针对气动设计体系中的核心环节开展深入的探索与研究工作，不断更新设计思想与设计方法，使压气机的气动设计实现质的飞跃。
发明内容
本发明的目的在于提供解决轴流压气机气动设计中的空间负荷匹配设计问题的一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法，其特征是：
(1)展向扭曲规律设计：采用载荷系数ψ与反动度Ω两个无量纲参数作为负荷控制参数；
(2)展向损失设计：根据各级均径处压比与损失情况，进行轴流压气机各级叶片的展向损失设计，获得压气机各级动叶压比的沿径分布与各级动、静叶损失系数的沿径分布；
(3)典型S2流面流线曲率法求解：根据展向扭曲规律设计与展向损失设计获得的沿径分布设计结果，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，采用流线曲率法进行反问题求解，获得轴流压气机各级动、静叶片排沿径向的气动参数分布，从而获得轴流压气机的S2气动设计方案。
本发明还可以包括：
1、载荷系数ψ与反动度Ω通过动叶圆周速度U、动叶进出口绝对切向速度C1u和C2u进行计算：
载荷系数：
Figure BDA0002849742650000021
表征轴流压气机级负荷能力的无量纲参数；
反动度：
Figure BDA0002849742650000022
表征轴流压气机级中动、静叶之间负荷分配情况的无量纲参数；
根据一维设计结果，提取各级均径处的载荷系数ψave与反动度Ωave，进行轴流压气机各级叶片的展向扭曲规律设计，获得压气机各级动叶进口的预旋C1u沿径分布：
Figure BDA0002849742650000023
式中，Rave1为该级动叶进口平均半径；Uave1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ωave为该级均径处反动度；ψave为该级均径处载荷系数；n、m为扭曲规律设计指数：
当n＝1、m＝1时，为等环量扭曲规律；
当n＝-1、m＝1时，为等反动度扭曲规律；
当n∈(-1,1)、m＝1时，为居间扭曲规律，其中当n＝0、m＝1时为指数涡扭曲规律；
当n＝0、m＝0时，为恒定涡扭曲规律；
通过选取不同的n、m值，实现不同的展向扭曲规律设计，从而获得压气机各级动叶进口沿径不同位置R1处的预旋分布。
2、：采用动叶效率ηR与静叶总压恢复系数δS作为展向损失设计参数，通过给定ηR与δS的沿径分布规律，实现轴流压气机各级动、静叶片的展向损失设计。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法，通过载荷系数ψ与反动度Ω两个关键无量纲参数进行轴流压气机各级动叶进口预旋的定制化设计，实现了压气机空间负荷在S2设计阶段的主动控制，解决了轴流压气机的空间负荷展向匹配设计问题，使轴流压气机的气动性能得到了有效提升。
2、本发明提出的基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法，实现了轴流压气机气动设计中S2反问题通流设计的参数化、精细化，有效提高了轴流压气机的气动设计精度，缩短设计周期，十分适合工程设计应用。
3、本发明提出的基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法，不仅局限于燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法通过以下步骤实现：
步骤一：展向扭曲规律设计。采用载荷系数ψ与反动度Ω两个无量纲参数作为负荷控制参数。载荷系数ψ与反动度Ω通过动叶圆周速度U、动叶进出口绝对切向速度C1u和C2u进行计算：
载荷系数：
Figure BDA0002849742650000041
表征轴流压气机级负荷能力的无量纲参数；
反动度：
Figure BDA0002849742650000042
表征轴流压气机级中动、静叶之间负荷分配情况的无量纲参数。
根据一维设计结果，提取各级均径处的载荷系数ψave与反动度Ωave，进行轴流压气机各级叶片的展向扭曲规律设计，获得压气机各级动叶进口的预旋C1u沿径分布。本发明采用的方法公式如下：
Figure BDA0002849742650000043
式中，Rave1为该级动叶进口平均半径；Uave1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ωave为该级均径处反动度；ψave为该级均径处载荷系数；n、m为扭曲规律设计指数，其取值范围通常在-1到+1区间：
当n＝1、m＝1时，为等环量(自由涡)扭曲规律；
当n＝-1、m＝1时，为等反动度扭曲规律；
当n∈(-1,1)、m＝1时，为居间扭曲规律，其中当n＝0、m＝1时为指数涡扭曲规律；
当n＝0、m＝0时，为恒定涡扭曲规律。
通过选取不同的n、m值，实现不同的展向扭曲规律设计，从而获得压气机各级动叶进口沿径不同位置R1处的预旋分布。
步骤二：展向损失设计。根据一维设计结果获得的各级均径处压比与损失情况，进行轴流压气机各级叶片的展向损失设计，获得压气机各级动叶压比的沿径分布与各级动、静叶损失系数的沿径分布。本发明采用动叶效率ηR与静叶总压恢复系数δS作为展向损失设计参数，通过给定ηR与δS的沿径分布规律，实现轴流压气机各级动、静叶片的展向损失设计。
步骤三：典型S2流面流线曲率法求解。根据展向扭曲规律设计与展向损失设计获得的沿径分布设计结果，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，采用流线曲率法进行反问题求解，获得轴流压气机各级动、静叶片排沿径向的气动参数分布，从而获得轴流压气机的S2气动设计方案。
本发明提出的基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法具有通用性，不仅局限于燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。

Claims (2)

1.一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法，其特征是：
(1)展向扭曲规律设计：采用载荷系数ψ与反动度Ω两个无量纲参数作为负荷控制参数；
(2)展向损失设计：根据各级均径处压比与损失情况，进行轴流压气机各级叶片的展向损失设计，获得压气机各级动叶压比的沿径分布与各级动、静叶损失系数的沿径分布；
(3)典型S2流面流线曲率法求解：根据展向扭曲规律设计与展向损失设计获得的沿径分布设计结果，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，采用流线曲率法进行反问题求解，获得轴流压气机各级动、静叶片排沿径向的气动参数分布，从而获得轴流压气机的S2气动设计方案；
载荷系数ψ与反动度Ω通过动叶圆周速度U、动叶进出口绝对切向速度C1u和C2u进行计算：
载荷系数：
Figure FDA0003245618340000011
表征轴流压气机级负荷能力的无量纲参数；
反动度：
Figure FDA0003245618340000012
表征轴流压气机级中动、静叶之间负荷分配情况的无量纲参数；
根据一维设计结果，提取各级均径处的载荷系数ψave与反动度Ωave，进行轴流压气机各级叶片的展向扭曲规律设计，获得压气机各级动叶进口绝对切向速度C1u沿径分布：
Figure FDA0003245618340000013
式中，Rave1为该级动叶进口平均半径；Uave1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ωave为该级均径处反动度；ψave为该级均径处载荷系数；n、m为扭曲规律设计指数：
当n＝1、m＝1时，为等环量扭曲规律；
当n＝-1、m＝1时，为等反动度扭曲规律；
当n∈(-1,1)、m＝1时，为居间扭曲规律，其中当n＝0、m＝1时为指数涡扭曲规律；
当n＝0、m＝0时，为恒定涡扭曲规律；
通过选取不同的n、m值，实现不同的展向扭曲规律设计，从而获得压气机各级动叶进口沿径不同位置R1处的预旋分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机S2反问题设计方法，其特征是：采用动叶效率ηR与静叶总压恢复系数δS作为展向损失设计参数，通过给定ηR与δS的沿径分布规律，实现轴流压气机各级动、静叶片的展向损失设计。
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