CN113569498A - 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法 - Google Patents

一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113569498A
CN113569498A CN202110842853.XA CN202110842853A CN113569498A CN 113569498 A CN113569498 A CN 113569498A CN 202110842853 A CN202110842853 A CN 202110842853A CN 113569498 A CN113569498 A CN 113569498A
Authority
CN
China
Prior art keywords
blade
compressor
distribution
design
axial flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110842853.XA
Other languages
English (en)
Inventor
王�琦
张舟
毛冬岩
王慧杰
王旭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
703th Research Institute of CSIC
Original Assignee
703th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 703th Research Institute of CSIC filed Critical 703th Research Institute of CSIC
Priority to CN202110842853.XA priority Critical patent/CN113569498A/zh
Publication of CN113569498A publication Critical patent/CN113569498A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

本发明的目的在于提供一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，通过在S2反问题通流设计中进行沿径总压损失分布设计，在叶片造型设计中进行积叠线控制参数设计，完成静叶片的叶片造型；并通过三维CFD计算分析对总压损失与控制参数进行修正，获得能够有效控制端区流动的最终静叶片造型方案。本发明充分考虑了轴流压气机在多级环境下静叶片叶栅槽道内部流动的端区损失与攻角匹配，从而实现了对压气机静叶片端区流动的高效控制，有效提高了压气机的气动性能；可直接集成至现有的压气机气动设计体系中，能够有效提升设计精度，缩短设计周期，十分适合实际工程应用。本发明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

一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法
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，其性能优劣对燃气轮机的技术性指标实现起着决定性的作用。随着燃气轮机的性能指标的不断提升，对于压气机通流能力、压比、效率以及喘振裕度的要求也在日益发展。时至今日，更高的压比、更高的效率和更大的喘振裕度已经成为压气机设计的核心所在。这就需要不断提高压气机的气动设计水平，研究先进的压气机气动设计技术，以满足燃气轮机发展对压气机气动性能提出的需求。
压气机气动设计的本质就是将燃气轮机对压气机的气动性能需求转换成压气机通流几何造型的过程。而叶片的几何造型设计则是这个过程中最重要的关键环节之一。随着对压气机内部流动认识的不断深入，压气机的叶片设计技术也在快速发展。目前，越来越多的技术手段已经被应用到压气机的叶片造型设计当中，叶片造型也从早期的二维设计步入如今的三维设计阶段。其中，实现叶片端区流动的高效控制更是未来压气机叶片三维造型设计的重中之重。为此，必须探索和发展基于端区流动控制思想的压气机叶片三维设计技术，有效推动压气机气动性能的提升与进步，为加快促进压气机自主可控设计体系的建立与完善提供坚实的技术基础。
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叶片端区流动控制问题的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征是：
(1)静叶沿径总压损失设计：在S2反问题通流设计中，给定静叶片沿径向的总压损失分布，通过采用流线曲率法进行轴流压气机典型S2流面的反问题求解，获得压气机各级动、静叶片的沿径气动参数分布结果；
(2)静叶片造型设计：基于设计对象静叶片的沿径气动参数分布结果，给定静叶片沿径向的初始进口攻角分布，并给定静叶片的积叠方式以及叶片积叠线的端区弯角、弯高，完成叶片造型；
(3)压气机三维CFD计算分析：通过三维CFD计算，获得压气机在设计点以及重点关注工况下的内部流场状态，并根据具体分析结果，对步骤(1)、(2)中需要调整的给定参数进行修正；通过以上步骤的反复迭代，获得能够有效控制端区流动的最终叶片造型方案。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)中所述的给定静叶片沿径向的总压损失分布，是在S2反问题通流设计中给定静叶片总压恢复系数沿径向的分布情况。
2、步骤(2)中所述的给定静叶片的积叠方式，采用重心积叠方式。
3、步骤(2)中所述的叶片积叠线，采用如下形式：叶片两侧端区采用Bezier曲线，中部区域采用直线，并光滑连续过渡，即Bezier曲线+直线+Bezier曲线的方式。
4、步骤(2)中所述的端区弯角、弯高，采用如下定义：
在子午面法向方向上：
弯角：叶片积叠线中Bezier曲线区域在起始点切线与径向的夹角；
弯高：叶片积叠线中Bezier曲线区域的起始点到Bezier曲线与直线段连接点之间的径向距离。
5、步骤(3)中所述的对步骤(1)、(2)中需要调整的给定参数进行修正，包括：提取静叶片总压恢复系数沿径分布结果，修正静叶片沿径总压损失分布；提取静叶片进口气流角沿径分布结果，修正静叶片沿径进口攻角分布；提取静叶片静压沿径分布结果，结合总压恢复系数沿径分布结果，修正端区弯角、弯高。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，充分考虑了轴流压气机在多级环境下静叶片叶栅槽道内部流动的端区损失与攻角匹配，从而实现了对压气机静叶片端区流动的高效控制，有效提高了压气机的气动性能。
2、本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，实现了叶片端区流动控制技术的定制化与参数化，能够直接集成至现有的压气机气动设计体系中，可有效提升设计精度，缩短设计周期。
3、本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，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；
图2为叶片积叠线主要控制参数定义示意图；
图3为本发明的轴流压气机端部弯曲静叶片造型效果示意图。
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1-3，参照图1所示，一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：静叶沿径总压损失设计。在S2反问题通流设计中，给定静叶片沿径向的总压损失分布，通过采用流线曲率法进行轴流压气机典型S2流面的反问题求解，获得压气机各级动、静叶片的沿径气动参数分布结果。
静叶片沿径向的总压损失分布通常给定总压恢复系数沿径向的分布情况。由于叶片两侧端区附面层的影响，在给定总压恢复系数沿径向分布时，从主流区至两侧端区应逐渐减小，形成弓形分布曲线，从而充分考虑叶片端区损失的影响，形成基于端区损失的端部弯曲叶片效果。
步骤二：静叶片造型设计。基于设计对象静叶片的沿径气动参数分布结果，给定静叶片沿径向的初始进口攻角分布，并给定静叶片的积叠方式以及叶片积叠线的端区弯角、弯高，完成叶片造型。
静叶片的积叠方式通常采用重心积叠。
叶片积叠线采用如下形式：叶片两侧端区采用Bezier曲线，中部区域采用直线，并保证光滑连续过渡，即Bezier曲线+直线+Bezier曲线的方式。
叶片积叠线主要控制参数定义如图2所示，具体如下：
在子午面法向方向上：
弯角α1、α2：叶片积叠线中Bezier曲线区域在起始点(即积叠线两侧端点)切线与径向的夹角，用于控制端部几何弯曲角度；
弯高C1、C2：叶片积叠线中Bezier曲线区域的起始点到Bezier曲线与直线段连接点之间的径向距离，用于控制端部几何弯曲高度；
半弯高B1、B2：叶片积叠线中Bezier曲线区域的起始点到Bezier曲线中部控制点之间的径向距离，用于控制Bezier曲线的曲率分布。
基于以上控制参数，可以对静叶片在子午面法向平面上的沿径压力梯度进行有效控制。
步骤三：压气机三维CFD计算分析。通过三维CFD计算，获得压气机在设计点等重点关注工况下的内部流场状态，并根据具体分析结果，对步骤一、二中需要调整的给定参数进行修正。包括静叶片沿径总压损失分布的修正、沿径进口攻角分布的修正和端区弯角、弯高的修正。主要修正方法如下：
针对典型工况点三维CFD计算结果：
提取静叶片总压恢复系数沿径分布结果，修正静叶片沿径总压损失分布；
提取静叶片进口气流角沿径分布结果，修正静叶片沿径进口攻角分布；
提取静叶片静压沿径分布结果，结合总压恢复系数沿径分布结果，修正端区弯角α1、α2，弯高C1、C2以及半弯高B1、B2。
通过以上各环节工作的反复迭代，获得能够有效控制端区流动的最终叶片造型方案。图3为采用以上方法设计出的端部弯曲静叶片造型效果示意图。
本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，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。

Claims (6)

1.一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征是：
(1)静叶沿径总压损失设计：在S2反问题通流设计中，给定静叶片沿径向的总压损失分布，通过采用流线曲率法进行轴流压气机典型S2流面的反问题求解，获得压气机各级动、静叶片的沿径气动参数分布结果；
(2)静叶片造型设计：基于设计对象静叶片的沿径气动参数分布结果，给定静叶片沿径向的初始进口攻角分布，并给定静叶片的积叠方式以及叶片积叠线的端区弯角、弯高，完成叶片造型；
(3)压气机三维CFD计算分析：通过三维CFD计算，获得压气机在设计点以及重点关注工况下的内部流场状态，并根据具体分析结果，对步骤(1)、(2)中需要调整的给定参数进行修正；通过以上步骤的反复迭代，获得能够有效控制端区流动的最终叶片造型方案。
2.根据权利要求1所述的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征在于：步骤(1)中所述的给定静叶片沿径向的总压损失分布，是在S2反问题通流设计中给定静叶片总压恢复系数沿径向的分布情况。
3.根据权利要求1所述的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征在于：步骤(2)中所述的给定静叶片的积叠方式，采用重心积叠方式。
4.根据权利要求1所述的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征在于：步骤(2)中所述的叶片积叠线，采用如下形式：叶片两侧端区采用Bezier曲线，中部区域采用直线，并光滑连续过渡，即Bezier曲线+直线+Bezier曲线的方式。
5.根据权利要求1所述的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征在于：步骤(2)中所述的端区弯角、弯高，采用如下定义：
在子午面法向方向上：
弯角：叶片积叠线中Bezier曲线区域在起始点切线与径向的夹角；
弯高：叶片积叠线中Bezier曲线区域的起始点到Bezier曲线与直线段连接点之间的径向距离。
6.根据权利要求1所述的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征在于：步骤(3)中所述的对步骤(1)、(2)中需要调整的给定参数进行修正，包括：提取静叶片总压恢复系数沿径分布结果，修正静叶片沿径总压损失分布；提取静叶片进口气流角沿径分布结果，修正静叶片沿径进口攻角分布；提取静叶片静压沿径分布结果，结合总压恢复系数沿径分布结果，修正端区弯角、弯高。
CN202110842853.XA 2021-07-26 2021-07-26 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法 Pending CN113569498A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110842853.XA CN113569498A (zh) 2021-07-26 2021-07-26 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110842853.XA CN113569498A (zh) 2021-07-26 2021-07-26 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113569498A true CN113569498A (zh) 2021-10-29

Family

ID=78167370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110842853.XA Pending CN113569498A (zh) 2021-07-26 2021-07-26 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113569498A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115186398A (zh) * 2022-06-15 2022-10-14 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种轴流压气机进口导叶造型关键角度参数确定方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106122107A (zh) * 2016-09-05 2016-11-16 上海电气燃气轮机有限公司 用于多级轴流压气机的复合弯曲静叶
CN112528575A (zh) * 2020-12-22 2021-03-19 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106122107A (zh) * 2016-09-05 2016-11-16 上海电气燃气轮机有限公司 用于多级轴流压气机的复合弯曲静叶
CN112528575A (zh) * 2020-12-22 2021-03-19 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
罗钜;胡骏;李亮;赵运生: "带有弯曲静子的压气机数值仿真", 《计算机仿真》, pages 381 - 385 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115186398A (zh) * 2022-06-15 2022-10-14 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种轴流压气机进口导叶造型关键角度参数确定方法
CN115186398B (zh) * 2022-06-15 2024-04-09 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种轴流压气机进口导叶造型关键角度参数确定方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112528575B (zh) 一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法
CN110929357A (zh) 一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法
US20170009781A1 (en) Turbomachine component or collection of components and associated turbomachine
CN106446324B (zh) 大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法
JP2010156330A (ja) 第２段タービンノズルのエーロフォイル輪郭
JP2009144716A (ja) ターボ機械用の多段タービンを設計する方法
US20160245299A1 (en) Turbomachine part with a non-axisymmetric surface
CN109578085B (zh) 一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法
CN114186513A (zh) 一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法
CN104153820A (zh) 一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮
CN107092763B (zh) 具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法
CN113434965A (zh) 一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法
CN109815590B (zh) 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
CN105298548A (zh) 一种微型燃机涡轮叶轮的设计方法
CN113569498A (zh) 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法
CN113090580B (zh) 一种具有s型前缘的离心叶轮叶片及其造型方法
CN112685852B (zh) 一种轴流压气机负荷定制化气动优化方法
CN112560195A (zh) 一种轴流叶轮非轴对称端壁的造型方法
CN112733252A (zh) 一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法
CN109779971B (zh) 基于曲率控制的高负荷压气机叶型径向积叠造型优化方法
CN203978505U (zh) 一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮
Liang et al. The recent progresses in industrial centrifugal compressor designs
CN103016398B (zh) 一种控制曲率分布的离心叶轮流道设计方法
CN112395702B (zh) 轴流压气机叶片的优化设计方法和系统
CN108590775A (zh) 一种工业汽轮机大负荷高效调节级动叶片

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination