CN113565572A - 一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,利用一维流道设计,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,获得涡轮各排片进出口详细气动参数,然后根据一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型,同时根据得到的涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对涡轮部件进行计算,判断计算结果是否满足设计要求,若不满足,否则修改造型数据重新对涡轮叶片进行造型,若满足,则对涡轮模型进行涡轮三维流场计算,若计算结果满足设计要求,则涡轮设计完成;本发明通过该设计方法设计的燃气涡轮满足总体要求,且涡轮特性良好。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮设计技术领域,尤其涉及一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法。
背景技术
现有发动机燃气涡轮进口总温1220K,燃气涡轮转速为100000r/min,属于非常规涡轮设计,且涡轮尺寸较小,叶片站展弦比不到1.0,涡轮内部二次流明显,流道件内部流动十分复杂,因此,该燃气涡轮的设计具有较大的难度和挑战性。本发明提供了一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,用于设计上述发动机燃气涡轮。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点,而提出的一种小展弦比的单级轴流涡轮的设计方法。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,该方法具体包括以下步骤:
步骤1、利用一维流道设计,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,获得涡轮各排片进出口详细气动参数;
步骤2、根据所述一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型;
步骤3、根据所述涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对所述涡轮部件进行计算,其中,所述涡轮为等中径设计,所述涡轮的导叶的外子午流道采用S型收缩流道,所述导叶的内子午流道采用直线段,且转子的外流道采用平直通道设计,所述转子的内流道向下扩张,其中,导叶采用尾缘积叠、动叶采用重心积叠,叶型采用贝塞尔曲线;
步骤4、判断所述计算结果是否满足设计要求,若满足,则继续执行步骤5;
步骤5、对所述涡轮模型进行涡轮三维流场计算,若所述计算结果满足设计要求,则所述涡轮设计完成,若所述计算结果不满足设计要求,则执行步骤6;
步骤6、修改叶片造型数据,继续执行步骤 2。
优选的,在所述步骤5中,若所述计算结果满足设计要求,还包括:
对所述涡轮进行特性计算分析,传热分析,以及强度、振动、寿命分析,若以上分析均满足设计要求,则输出所述涡轮模型的数据;若不满足,则修改设计并继续执行步骤2重新对叶片造型,直至均满足为止。
本申请还提供一种小展弦比的单级轴流涡轮气动设计装置,用于实现小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,包括处理器以及分别与处理器相连接的储有计算机可执行指令的存储介质存,存储器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序模块,该计算机程序模块包括:
设计模块,用于利用一维流道设计,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,获得涡轮各排片进出口详细气动参数;
确定模块,用于根据所述一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型;
第一计算模块,用于根据所述涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对所述涡轮部件进行计算,其中,所述涡轮为等中径设计,所述涡轮的导叶的外子午流道采用S型收缩流道,所述导叶的内子午流道采用直线段,且转子的外流道采用平直通道设计,所述转子的内流道向下扩张,其中,导叶采用尾缘积叠、动叶采用重心积叠,叶型采用贝塞尔曲线;
判断模块,用于判断所述计算结果是否满足设计要求;
第二计算模块,用于对所述涡轮模型进行涡轮三维流场计算,若所述计算结果满足设计要求,则所述涡轮设计完成。
优选的,所述判断模块还用于:若所述计算结果不满足设计要求,则修改造型数据。
优选的,所述第二计算模块还用于:对所述涡轮进行特性计算分析,传热分析,以及强度、振动、寿命分析,若以上分析均满足设计要求,则输出所述涡轮模型的数据;若不满足,则修改设计并重新进行叶片造型。
本申请提供计算机存储介质存储有计算机可执行指令;该计算机可执行指令被处理器执行后,同时处理器执行计算程序模块,能够实现本申请小展弦比的单级轴流涡轮设计方法
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提出的小展弦比的单级轴流涡轮设计方法、装置及存储介质中,利用一维流道设计,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,获得涡轮各排片进出口详细气动参数,然后根据一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型,同时根据得到的涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对涡轮部件进行计算,判断计算结果是否满足设计要求,若不满足,否则修改造型数据重新对涡轮叶片进行造型,若满足,则对涡轮模型进行涡轮三维流场计算,若计算结果满足设计要求,则涡轮设计完成;由此,通过本发明提出的燃气涡轮设计方法设计的燃气涡轮满足总体要求,且涡轮特性良好。
此外,本发明通过以上设置,降低端壁二次流损失,改善参数沿叶高的分布,提高了效率,降低了总体的损失,本发明提供的基于超小展弦比的大落压比单级轴流涡轮,其所采用的叶型结构设计,形状简单、易于加工,曲率变化连续,且具有较高的效率。
附图说明
图1为本发明一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法的流程示意图;
图2为本申请实施例的涡轮示意图;
图3为导叶的叶型示意图;
图4为动叶的叶型示意图;
图5为导叶的三维示意图;
图6为动叶的三维示意图;
图7为本发明一种小展弦比的单级轴流涡轮气动设计装置的结构示意图;
图8为本发明计算机程序模块的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。
实施例1
本申请提供一种小展弦比的单级轴流涡轮气动设计装置,如图7-8所示,包括处理器1以及分别与处理器相连接的储有计算机可执行指令的存储介质存4,存储器3和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序模块2,该计算机程序模块包括:
设计模块201,用于利用一维流道设计,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,获得涡轮各排片进出口详细气动参数;
确定模块202,用于根据所述一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型;
第一计算模块203,用于根据所述涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对所述涡轮部件进行计算,其中,所述涡轮为等中径设计,所述涡轮的导叶的外子午流道采用S型收缩流道,所述导叶的内子午流道采用直线段,且转子的外流道采用平直通道设计,所述转子的内流道向下扩张,其中,导叶采用尾缘积叠、动叶采用重心积叠,叶型采用贝塞尔曲线;
判断模块204,用于判断所述计算结果是否满足设计要求;
第二计算模块205,用于对所述涡轮模型进行涡轮三维流场计算,若所述计算结果满足设计要求,则所述涡轮设计完成。
以上述一种小展弦比的单级轴流涡轮气动设计装置为基础,本实施例提供提供一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,其步骤如图1所示:具体包括
步骤1、通过设计模块利用一维流道设计,根据给定的进出口截面参数,依据经验和设计准则选择合适的载荷系数、流量系数、反力度、轴向速度比,结合气动损失模型,通过求解平均中径的流量方程、动量方程、能量方程和气体状态方程,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,从而获得各排叶片进出口详细气动参数;
步骤2、通过确定模块根据一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,每排叶片采用3个基础造型截面,前/尾缘直径、最大厚度、型面面积的选取参考了其它型号相关造型设计数据及现有加工能力,工作叶片采用重心积叠,导向叶片采用尾缘积叠,得到涡轮模型;
步骤3、通过第一计算模块根据涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对涡轮部件进行计算,主要是基于周向平均欧拉非稳态方程,建立质量、动量和能量守恒方程组,同时考虑粘性和冷气对气动参数的影响,采用高阶精度Godunov隐式格式对方程组进行求解;
步骤4、通过判断模块判断计算结果是否满足设计要求,若满足,则继续执行步骤5,若上述步骤3得到的计算结果不满足设计要求,则执行步骤6;
步骤5、通过第二计算模块对涡轮模型进行涡轮三维流场计算,涡轮三维流场计算是采用商业软件CFX17.0,利用Turbogrid进行网格划分,并且计算时采用源项法考虑冷气封言泄漏量,进口边界条件需给定总温、总压、进气方向和来流湍流度,出口边界条件为平均静压,并且上下流道及叶片表面给定为无滑移壁面边界条件,周向两侧设置为周期性边界,若计算结果满足设计要求,同时还需对涡轮进行特性计算分析,传热分析,以及强度、振动、寿命分析,若以上分析均满足设计要求,则输出涡轮模型的数据,涡轮设计完成;若其中任意一项不满足,则认为不满足设计要求,则执行步骤6;
步骤6、修改叶片造型数据,精细调节叶片造型的曲率,然后将调整后的叶片造型数据输入到步骤2中,并通过步骤2重新对叶片进行造型,并对涡轮进行特性计算分析,使传热分析以及强度、振动、寿命分析均满足设计要求。
实施例2
本实施例与实施例1主要区别在于:确定模块202,用于根据一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型;如图2-6所示,涡轮为等中径设计,涡轮的导叶的外子午流道采用S型收缩流道,导叶的内子午流道采用直线段,且转子的外流道采用平直通道设计,转子的内流道向下扩张,其中,导叶采用尾缘积叠、动叶采用重心积叠,叶型采用贝塞尔曲线;导叶外子午流道(导叶外流道)采用S型的收缩流道,而与导叶外子午流道对应的导叶内子午流道(导叶内流道)采用简单的直线段。而转子外流道采用平直通道设计,而与转子外流道对应的转子内流道采用向下扩张的方式。
通过以上设置,降低端壁二次流损失,改善参数沿叶高的分布,提高了效率,降低了总体的损失。本发明提供的基于超小展弦比的大落压比单级轴流涡轮,其所采用的叶型结构设计,形状简单、易于加工,曲率变化连续,且具有较高的效率。
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揭露的技术范围内,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 (7)
1.一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:
步骤1、利用一维流道设计,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,获得涡轮各排片进出口详细气动参数;
步骤2、根据所述一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型;
步骤3、根据所述涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对所述涡轮部件进行计算,其中,所述涡轮为等中径设计,所述涡轮的导叶的外子午流道采用S型收缩流道,所述导叶的内子午流道采用直线段,且转子的外流道采用平直通道设计,所述转子的内流道向下扩张,其中,导叶采用尾缘积叠、动叶采用重心积叠,叶型采用贝塞尔曲线;
步骤4、判断所述计算结果是否满足设计要求,若满足,则继续执行步骤5;
步骤5、对所述涡轮模型进行涡轮三维流场计算,若所述计算结果满足设计要求,则所述涡轮设计完成,若所述计算结果不满足设计要求,则执行步骤6;
步骤6、修改叶片造型数据,继续执行步骤 2。
2.根据权利要求1所述的小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,其特征在于,在所述步骤5中,若所述计算结果满足设计要求,还包括:
对所述涡轮进行特性计算分析,传热分析,以及强度、振动、寿命分析,若以上分析均满足设计要求,则输出所述涡轮模型的数据;若不满足,则修改设计并继续执行步骤2重新对叶片造型,直至均满足为止。
3.一种小展弦比的单级轴流涡轮气动设计装置,用于实现小展弦比的单级轴流涡轮设计方法,其特征在于,包括处理器以及分别与处理器相连接的储有计算机可执行指令的存储介质存,存储器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序模块,该计算机程序模块包括:
设计模块,用于利用一维流道设计,完成平均中径速度三角形分析和流道设计,获得涡轮各排片进出口详细气动参数;
确定模块,用于根据所述一维流道设计结果及径向流场参数分布规律,确定各截面的速度三角形,并利用11参数法对叶片造型,得到涡轮模型;
第一计算模块,用于根据所述涡轮模型的进出口截面参数,利用S2正问题对所述涡轮部件进行计算,其中,所述涡轮为等中径设计,所述涡轮的导叶的外子午流道采用S型收缩流道,所述导叶的内子午流道采用直线段,且转子的外流道采用平直通道设计,所述转子的内流道向下扩张,其中,导叶采用尾缘积叠、动叶采用重心积叠,叶型采用贝塞尔曲线;
判断模块,用于判断所述计算结果是否满足设计要求;
第二计算模块,用于对所述涡轮模型进行涡轮三维流场计算,若所述计算结果满足设计要求,则所述涡轮设计完成。
4.根据权利要求3所述的小展弦比的单级轴流涡轮气动设计装置,其特征在于,所述判断模块还用于:若所述计算结果不满足设计要求,则修改造型数据。
5.根据权利要求3所述的小展弦比的单级轴流涡轮气动设计装置,其特征在于,所述第二计算模块还用于:
对所述涡轮进行特性计算分析,传热分析,以及强度、振动、寿命分析,若以上分析均满足设计要求,则输出所述涡轮模型的数据;若不满足,则修改设计并重新进行叶片造型。
6.一种计算机存储介质,其特征在于:所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令;所述计算机可执行指令被处理器执行后,能够实现权利要求1-2中任一所述的一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法。
7.一种计算机设备,其特征在于,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时,实现权利要求1-2中任一所述的一种小展弦比的单级轴流涡轮设计方法。
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