CN113536470B - 一种基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，包括以下步骤：通过雷诺平均数值模拟方法获得透平出口气流角度径向分布；使用九参数导流型线造型方法，根据结构和强度设计的需求给定各参数取值范围；使用拉丁超立方抽样方法，在九维样本空间内设计完成试验方案；在大来流角度范围下完成平面罩壳型线流场分析；选择平面罩壳型线流场分析结果中损失最小的型线，进行耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟，以总压损失为计算指标判定优化型线的性能，最终获得满足设计目标的具有减阻特性的排气段撑板罩壳。本发明具有设计周期短，耗费计算资源少，设计出的型线气动性能优异的特点，可有效提高燃气轮机整机经济性。

Description

一种基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，特别涉及一种基于透平出口流场的轴流
排气缸撑板罩壳设计方法。
背景技术
燃气轮机装置是将气体压缩、加热后在透平中膨胀，把其部分热能转换为机械能的高速回转式动力机械。不断提高燃气轮机的热效率和经济性一直是燃气轮机发展最重要的课题之一，传统方法有研制高温材料、改进冷却技术、提高压比和开发新型高效叶片等，但随着数十年来以上方面不断研发完善，透平、压气机等部件设计水平已处于瓶颈阶段，设计效率逐渐趋近理论极限，后续能够得到的优化收益变的有限。
排气段属于燃气轮机的进排气装置，其压力损耗对燃气轮机性能有极大影响。排气段流动损耗增大时，不仅使整机效率降低，而且透平出口背压也会随之提高，减少整机功率输出，对机组提高性能参数不利。以某燃机为例，排气段总压损失每增加1％，涡轮的部件效率就要降低0.25％左右，对涡轮整机性能有很大影响。国内外专家学者通过数值模拟、试验验证等详细研究了影响排气段损失的各种因素，发现排气段撑板罩壳的设计是其中最重要因素之一。排气段撑板罩壳的设计在决定排气段压力损耗中起到关键作用。在当前气动设计水平下，对排气段撑板罩壳开展精细设计为解决不断提高整机效率的问题提供了一个重要思路。实际运行机组中如三菱701F型号的燃气轮机等，已开始注意排气段支撑型线的专门设计，甚至采用更高性能材料的叶片来提高涡轮末级排气面积，以更好地匹配排气支撑和当地流场，提高排气段扩压性能和达到更低流动损失。目前排气段撑板罩壳优化一般采用CFD方法，由于排气段流动区域大，流动情况复杂，存在大量分离流，流场非定常特性显著，排气段三维CFD分析耗费计算资源、计算时间久，使设计高性能型线的难度高，耗时久。如何提出一种能够基于不同涡轮排气流场特点，快速完成低流动损失的排气段撑板罩壳设计的方法，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，本发明相比采用常规设计支撑罩壳型线的排气段，总压损失降低1％，涡轮部件性能提高0.2～0.3％；排气段支撑罩壳的设计周期和消耗计算资源可降低50％，具有开发速度快、所设计罩壳型线损失小等特点，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，包括以下步骤：
步骤1：通过雷诺平均数值模拟方法获得透平出口气流角度径向分布；
步骤2：使用九参数导流型线造型方法，根据结构和强度设计的需求给定各参数取值范围；
步骤3：使用拉丁超立方抽样方法，在九维样本空间内设计完成试验方案；
步骤4：在大来流角度范围下完成平面罩壳型线流场分析，获得型线气动性能随来流角度变化的特性；
步骤5：从初始多种型线中选择当前透平出口气流角度径向分布条件下气动损失最小的型线，进行耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟分析；
步骤6：以三维分析的排气段总压损失为设计目标参数，设计压降小于目标值则完成设计；否则反复进行S2-S5，直至满足设计要求。
优选的，步骤2中采用的九参数导流型线造型方法包括以下参数：前缘圆弧半径(RL)、尾缘圆弧半径(RT)、最大厚度圆半径(Rmax)、最大厚度圆距前缘距离(L0)、背弧圆弧半径(RS)、内弧圆弧1半径(RP1)、内弧圆弧2半径(RP2)、尾缘平切段(LT)、轴向跨距(L)，并且相邻线段均以相切作为几何约束。
优选的，步骤3中使用平面流场CFD计算方法进行大来流角度范围下罩壳型线损失评判，大来流角度指CFD分析所设置的入口气流角度范围至少要覆盖步骤1中计算获得透平出口气流角度。
优选的，步骤4中只选择平面流场分析损失最小的型线进行三维分析。损失最小的判断依据为，根据占据径向高度的比例得到某气流角度占排气角度分布的权重，使权重与对应损失的乘积最小。
优选的，步骤4中使用耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟方法对择优后型线进行最终性能评判。以排气段总压损失为计算指标，排气段总压损失计算方法为“1”减排气段出入口总压比。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相比采用常规设计支撑罩壳型线的排气段，总压损失降低1％，涡轮部件性能提高0.2～0.3％；排气段支撑罩壳的设计周期和消耗计算资源可降低50％，的排气段撑板罩壳设计方法设计周期短，气动性能优异，可有效提高燃气轮机整机效率和经济性。
附图说明
图1为本发明设计流程图；
图2为本发明透平出口气流角度径向分布；
图3为本发明九参数导流型线造型参数说明；
图4为本发明四种优化型线；
图5为本发明平面流场计算的损失结果；
图6为本发明耦合涡轮末级排气段数值模拟模型。
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。
参见图1，一种基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，包括以下步骤：
步骤1：通过雷诺平均数值模拟方法获得透平出口气流角度径向分布；
步骤2：使用九参数导流型线造型方法，根据结构和强度设计的需求给定各参数取值范围；
步骤3：使用拉丁超立方抽样方法，在九维样本空间内设计完成试验方案；
步骤4：在大来流角度范围下完成平面罩壳型线流场分析，获得型线气动性能随来流角度变化的特性；
步骤5：从初始多种型线中选择当前透平出口气流角度径向分布条件下气动损失最小的型线，进行耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟分析；
步骤6：以三维分析的排气段总压损失为设计目标参数，设计压降小于目标值则完成设计；否则反复进行S2-S5，直至满足设计要求。
需完成某燃气轮机排气段撑板罩壳优化设计。排气段入口参数为：入口总压1.1bar，入口总温540℃，原始排气段总压损失为3.2％。
参见图2，通过雷诺平均数值模拟方法获得透平出口气流角度径向分布。
参见图3，中采用的九参数导流型线造型方法包括以下参数：前缘圆弧半径(RL)、尾缘圆弧半径(RT)、最大厚度圆半径(Rmax)、最大厚度圆距前缘距离(L0)、背弧圆弧半径(RS)、内弧圆弧1半径(RP1)、内弧圆弧2半径(RP2)、尾缘平切段(LT)、轴向跨距(L)，并且相邻线段均以相切作为几何约束。
参见图4，使用拉丁超立方抽样方法，在九维样本空间内设计完成试验方案四种。根据结构和强度设计需求确定各参数取值范围，在范围内抽样获得具体试验方案。具体参数范围如下：前缘圆弧半径30mm≤RL≤33mm，尾缘圆弧半径60mm≤RT≤80mm，最大厚度圆半径60mm≤Rmax≤70mm，最大厚度圆距前缘距离180mm≤L0≤200mm，背弧圆弧半径520mm≤RS≤560mm，内弧圆弧1半径200mm≤RP1≤240mm，内弧圆弧2半径420mm≤RP2≤460mm，尾缘平切段120mm≤LT≤160mm，轴向跨距450mm≤L≤550mm。将各参数在范围内均分为4段样本区域，随机抽选样本区域，再在该区域中随机取值，最终获得各型线设计的具体参数值。基于分层抽样的思想，不同方案的同一参数需分布在不同样本区域内。
参见图5，对四种型线使用平面叶栅CFD计算进行大来流角度下综合流动性能评判，通过损失系数图可以看出，在-10°～30°的来流角度范围内，设计4在当前流场下具有最佳的流动性能，加权之后的损失系数为0.0225，为四种型线中最低。
只选择平面流场分析损失最小的型线进行三维分析。损失最小的判断依据为，根据占据径向高度的比例得到某气流角度占排气角度分布的权重，使权重与对应损失的乘积最小。使用耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟方法对择优后型线进行最终性能评判。以排气段总压损失为计算指标，排气段总压损失计算方法为“1”减排气段出入口总压比。
参见图6，选择设计4的撑板罩壳进行耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟分析。计算获得总压损失为2.2％，相比采用常规设计撑板罩壳的排气段结构，总压损失降低1％，涡轮部件性能提高0.2～0.3％，排气段气动性能优异。采用该种方法设计撑板罩壳，设计周期和消耗计算资源可降低50％以上，排气段性能表现优于同级别燃机机组，可有效提高燃气轮机整机经济性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过雷诺平均数值模拟方法获得透平出口气流角度径向分布；
步骤2：使用九参数导流型线造型方法，根据结构和强度设计的需求给定各参数取值范围；
步骤3：使用拉丁超立方抽样方法，在九维样本空间内设计完成试验方案；
步骤4：在大来流角度范围下完成平面罩壳型线流场分析，获得型线气动性能随来流角度变化的特性；使用平面流场CFD计算方法进行大来流角度范围下罩壳型线损失评判，大来流角度指CFD分析所设置的入口气流角度范围至少要覆盖步骤1中计算获得透平出口气流角度；在九维样本空间内设计完成试验方案四种，根据结构和强度设计需求确定各参数取值范围，在范围内抽样获得具体试验方案，将各参数在范围内均分为4段样本区域，随机抽选样本区域，再在该区域中随机取值，最终获得各型线设计的具体参数值；基于分层抽样的思想，不同方案的同一参数需分布在不同样本区域内；
步骤5：从初始多种型线中选择当前透平出口气流角度径向分布条件下气动损失最小的型线，进行耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟分析；
步骤6：以三维分析的排气段总压损失为设计目标参数，设计压降小于目标值则完成设计；否则反复进行S2-S5，直至满足设计要求。
2.如权利要求1所述的基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，其特征在于，步骤2中采用的九参数导流型线造型方法包括以下参数：前缘圆弧半径RL、尾缘圆弧半径RT、最大厚度圆半径Rmax、最大厚度圆距前缘距离L0、背弧圆弧半径RS、内弧圆弧1半径RP1、内弧圆弧2半径RP2、尾缘平切段LT、轴向跨距L，并且相邻线段均以相切作为几何约束。
3.如权利要求1所述的基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，其特征在于，步骤5中只选择平面流场分析损失最小的型线进行三维分析，损失最小的判断依据为，根据占据径向高度的比例得到某气流角度占排气角度分布的权重，使权重与对应损失的乘积最小。
4.如权利要求1所述的基于透平出口流场的轴流排气缸撑板罩壳设计方法，其特征在于，步骤5中使用耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟方法对择优后型线进行最终性能评判，以排气段总压损失为计算指标，排气段总压损失计算方法为“1”减排气段出入口总压比。
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