CN114722542A - 一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法 - Google Patents

一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，本发明综合考虑了船舶燃气轮机对压气机不同工况的性能要求与叶片变形对压气机性能的影响，以叶片进出口几何角作为控制变量并通过与工况关联的特定公式进行预变形设计，获得压气机动叶片的最终加工叶型方案。本发明所提出的船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，通过关键控制变量实现了预变形设计的参数化与定制化，将预变形设计与传统压气机气动设计流程之间无缝连接，提高了船舶燃气轮机压气机气动设计的精细化水平，缩短了设计周期。同时，本发明不仅局限于船舶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的气动设计过程。

Description

一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机压气机，具体地说是压气机叶片的设计方法。
背景技术
压气机作为船舶燃气轮机最为重要的核心部件之一，其性能优劣直接决定着船舶燃气轮机的总体技术指标。随着船舶燃气轮机性能的不断发展，压气机部件的负荷水平也在随着快速提升。为了适应更高的负载能力及叶尖切线速度，压气机动叶片常常采用较为复杂的三维空间构型以及更薄的叶身厚度，使得其相对刚性下降，在气动载荷和离心载荷的共同作用下，容易产生较大变形。而叶型是决定压气机性能的关键要素，在压气机工作过程中确保其叶片形状尽量接近气动设计状态，是实现压气机设计指标的重要环节及保证。
叶片在实际工作状态下的变形会对叶片造型参数产生直接影响，进而导致压气机叶片通道内的气体流动与设计预期出现偏差，特别是对于高负荷、跨音速级而言，动叶片变形会引起激波位置移动，从而偏离其最佳设计点，进而影响压气机性能及效率，甚至带来气弹稳定性等问题。只有在压气机运行过程中，叶片实际工作状态的叶型与气动设计叶型相吻合，才能获得叶片的最佳气动性能。为此，在压气机设计过程中，必须充分考虑叶片变形对气动性能的影响，进行叶片从气动设计叶型到加工叶型数据的反推设计过程，即叶片的预变形设计。
由于船舶燃气轮机的运行特点对压气机的设计点效率与低工况下的喘振裕度均具有极高要求，不同工况下压气机动叶片的变形情况各异，这就给预变形设计带来了极大的挑战。发展适合工程设计应用的、能够充分虑及船舶燃气轮机变工况影响的压气机动叶片预变形设计方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决船舶燃气轮机压气机在实际运行过程中由于动叶片变形所导致的压气机性能衰减问题的一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，其特征是：
(1)进行典型工况离心力与气动力作用下静力分析，针对轴流压气机气动设计方案中需进行预变形设计的动叶片，选择典型工况作为预变形设计工况，提取该工况下动叶片所受的离心力与气动力，进行动叶片在典型工况下的静力分析，获得该动叶片在压气机典型工况运行时的热态工作叶片；
(2)进出口几何角偏差计算：提取热态工作叶片各造型截面的进口几何角β1′c，计算与气动设计方案动叶片进口几何角β1c的偏差Δ1c，即Δ1c＝β′1c-β1c；提取热态工作叶片各造型截面的出口几何角β′2c，计算与气动设计方案动叶片出口几何角β2c的偏差Δ2c，即Δ2c＝β′2c-β2c；对于具有n个典型工况，第1个典型工况下进、出口几何角偏差为Δ1c,1、Δ2c,1，以此类推第n个典型工况下进、出口几何角偏差为Δ1c,n、Δ2c,n；
(3)对叶片造型参数修正，在进出口几何角偏差计算结果的基础上，对气动设计方案动叶片的进出口几何角参数进行修正并再次进行叶片造型，获得对应的过渡态叶片；
(4)进行典型工况下压气机三维CFD计算分析，用过渡态叶片替换轴流压气机气动设计方案中对应的动叶片，进行典型工况下压气机整体的三维CFD计算，将计算结果返回至步骤(1)中进行静力分析，获得过渡态叶片在压气机典型工况运行时的热态工作叶片，并按照步骤(2)进行进出口几何角偏差计算；
(5)判定是否满足预变形设计收敛条件，对上一步计算得到的叶片各造型截面进出口几何角偏差进行判断，判断各造型截面的Δ1c、Δ2c是否满足预变形设计收敛条件，若满足，则过渡态叶片可作为预期加工叶片进行下一步工作；若不满足，则将Δ1c、Δ2c返回至步骤(3)进行迭代，直至Δ1c、Δ2c满足收敛条件为止；
(6)进行压气机特定转速下静力分析，选择压气机常用的工作转速作为特定转速，对预期加工叶片进行各特定转速下的静力分析，获得预期加工叶片在各特定转速下对应的热态工作叶片；
(7)进行压气机特定转速三维CFD计算分析，用预期加工叶片在各特定转速下对应的热态工作叶片替换轴流压气机气动设计方案中的相应叶片，进行各特定转速下的三维CFD计算分析，通过三维CFD计算，获得压气机在各特定转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足性能要求，若满足性能要求，将步骤(5)获得的预期加工叶片各造型截面叶型数据作为最终加工叶型数据；若不满足性能要求，则进一步减小步骤(5)中的收敛条件，并重新返回步骤(1)按新的收敛条件进行迭代，通过反复迭代，获得最终满足性能要求的轴流压气机动叶片最终加工叶型数据。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)中所述的针对轴流压气机气动设计方案中需进行预变形设计的动叶片，是在工作状态下变形量较大、来流马赫数较高的动叶片。
2、步骤(1)中所述的选择典型工况作为预变形设计工况为压气机设计点与70％设计转速下的近喘振点作为典型工况。
3、步骤(3)中所述的在进出口几何角偏差计算结果的基础上，对气动设计方案动叶片的进出口几何角参数进行修正，采用如下方式：
修正后的动叶片各造型截面进口几何角按如下公式计算：
Figure BDA0003626355750000031
出口几何角按如下公式计算：
Figure BDA0003626355750000032
式中a、b为预变形缩放系数，初始取a＝1、b＝1。
4、步骤(5)中所述的预变形设计收敛条件，采用如下条件：对于n个典型工况，所有工况下动叶片全部造型截面的Δ1c、Δ2c均不大于0.2°。
5、步骤(6)中所述的选择压气机常用的若干个工作转速作为特定转速，对于船舶燃气轮机轴流压气机而言，在70％至105％设计转速区间内选择4至5个特征工作转速作为特定转速。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，综合考虑了船舶燃气轮机对压气机不同工况的性能要求与叶片变形的影响，有效解决了不同工况下动叶片变形导致的船舶燃气轮机压气机性能衰减问题，使船舶燃气轮机压气机在全工况范围内的性能得到了有效提升。
2、以叶片进出口几何角作为预变形设计控制变量，在叶片造型设计程序中可以直接调整，使预变形设计与传统压气机气动设计流程之间无缝连接，实现了预变形设计的参数化与定制化，有效提高了船舶燃气轮机压气机气动设计的精细化水平，缩短了设计周期。
3、不仅局限于船舶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，本发明一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：典型工况离心力与气动力作用下静力分析。针对轴流压气机气动设计方案中需进行预变形设计的动叶片，选择典型工况作为预变形设计工况，提取该工况下动叶片所受的离心力与气动力，进行动叶片在典型工况下的静力分析，获得该动叶片在压气机典型工况运行时的热态工作叶片。
其中需进行预变形设计的动叶片一般是在工作状态下变形量较大、来流马赫数较高的动叶片，例如跨音级动叶片；典型工况通常选择压气机设计点与70％设计转速下的近喘振点。
步骤二：进出口几何角偏差计算。提取热态工作叶片各造型截面的进口几何角β′1c，计算与气动设计方案动叶片进口几何角β1c的偏差Δ1c，即Δ1c＝β′1c-β1c；提取热态工作叶片各造型截面的出口几何角β′2c，计算与气动设计方案动叶片出口几何角β2c的偏差Δ2c，即Δ2c＝β′2c-β2c；对于具有n个典型工况，第1个典型工况下进、出口几何角偏差为Δ1c,1、Δ2c,1，以此类推第n个典型工况下进、出口几何角偏差为Δ1c,n、Δ2c,n。
步骤三：叶片造型参数修正。在进出口几何角偏差计算结果的基础上，对气动设计方案动叶片的进出口几何角参数进行修正并再次进行叶片造型，获得对应的过渡态叶片。修正方法如下：
修正后的动叶片各造型截面进口几何角计算：
Figure BDA0003626355750000051
出口几何角计算：
Figure BDA0003626355750000052
式中a、b为预变形缩放系数，一般初始取a＝1、b＝1即可；若预变形设计收敛较慢，可以对a、b值适当微调。
步骤四：典型工况下压气机三维CFD计算分析。用过渡态叶片替换轴流压气机气动设计方案中对应的动叶片，进行典型工况下压气机整体的三维CFD计算，将计算结果返回至步骤一中进行静力分析，获得过渡态叶片在压气机典型工况运行时的热态工作叶片，并按照步骤二进行进出口几何角偏差计算；
步骤五：判定是否满足预变形设计收敛条件。对上一步计算得到的叶片各造型截面进出口几何角偏差进行判断，判断各造型截面的Δ1c、Δ2c是否满足预变形设计收敛条件。若满足，则过渡态叶片可作为预期加工叶片进行下一步工作；若不满足，则将Δ1c、Δ2c返回至步骤三进行迭代，直至Δ1c、Δ2c满足收敛条件为止。
预变形设计收敛条件如下：对于n个典型工况，所有工况下动叶片全部造型截面的Δ1c、Δ2c均不大于0.2°。
步骤六：压气机特定转速下静力分析。选择压气机常用的若干个工作转速作为特定转速，对于船舶燃气轮机轴流压气机而言，通常在70％至105％设计转速区间内选择4至5个特征工作转速作为特定转速。对预期加工叶片进行各特定转速下的静力分析，获得预期加工叶片在各特定转速下对应的热态工作叶片。
步骤七：压气机特定转速三维CFD计算分析。用预期加工叶片在各特定转速下对应的热态工作叶片替换轴流压气机气动设计方案中的相应叶片，进行各特定转速下的三维CFD计算分析。通过三维CFD计算，获得压气机在各特定转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足性能要求。若满足性能要求，那么可以将步骤五获得的预期加工叶片各造型截面叶型数据作为最终加工叶型数据；若不满足性能要求，则进一步减小步骤五中的收敛条件，并重新返回步骤一按新的收敛条件进行迭代。通过以上各环节工作的反复迭代，获得最终满足性能要求的轴流压气机动叶片最终加工叶型数据。
本发明提出的船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法具有通用性，不仅局限于船舶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的气动设计过程。

Claims (6)

1.一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，其特征是：
(1)进行典型工况离心力与气动力作用下静力分析，针对轴流压气机气动设计方案中需进行预变形设计的动叶片，选择典型工况作为预变形设计工况，提取该工况下动叶片所受的离心力与气动力，进行动叶片在典型工况下的静力分析，获得该动叶片在压气机典型工况运行时的热态工作叶片；
(2)进出口几何角偏差计算：提取热态工作叶片各造型截面的进口几何角β′1c，计算与气动设计方案动叶片进口几何角β1c的偏差Δ1c，即Δ1c＝β′1c-β1c；提取热态工作叶片各造型截面的出口几何角β′2c，计算与气动设计方案动叶片出口几何角β2c的偏差Δ2c，即Δ2c＝β′2c-β2c；对于具有n个典型工况，第1个典型工况下进、出口几何角偏差为Δ1c,1、Δ2c,1，以此类推第n个典型工况下进、出口几何角偏差为Δ1c,n、Δ2c,n；
(3)对叶片造型参数修正，在进出口几何角偏差计算结果的基础上，对气动设计方案动叶片的进出口几何角参数进行修正并再次进行叶片造型，获得对应的过渡态叶片；
(4)进行典型工况下压气机三维CFD计算分析，用过渡态叶片替换轴流压气机气动设计方案中对应的动叶片，进行典型工况下压气机整体的三维CFD计算，将计算结果返回至步骤(1)中进行静力分析，获得过渡态叶片在压气机典型工况运行时的热态工作叶片，并按照步骤(2)进行进出口几何角偏差计算；
(5)判定是否满足预变形设计收敛条件，对上一步计算得到的叶片各造型截面进出口几何角偏差进行判断，判断各造型截面的Δ1c、Δ2c是否满足预变形设计收敛条件，若满足，则过渡态叶片可作为预期加工叶片进行下一步工作；若不满足，则将Δ1c、Δ2c返回至步骤(3)进行迭代，直至Δ1c、Δ2c满足收敛条件为止；
(6)进行压气机特定转速下静力分析，选择压气机常用的工作转速作为特定转速，对预期加工叶片进行各特定转速下的静力分析，获得预期加工叶片在各特定转速下对应的热态工作叶片；
(7)进行压气机特定转速三维CFD计算分析，用预期加工叶片在各特定转速下对应的热态工作叶片替换轴流压气机气动设计方案中的相应叶片，进行各特定转速下的三维CFD计算分析，通过三维CFD计算，获得压气机在各特定转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足性能要求，若满足性能要求，将步骤(5)获得的预期加工叶片各造型截面叶型数据作为最终加工叶型数据；若不满足性能要求，则进一步减小步骤(5)中的收敛条件，并重新返回步骤(1)按新的收敛条件进行迭代，通过反复迭代，获得最终满足性能要求的轴流压气机动叶片最终加工叶型数据。
2.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，其特征在于：步骤(1)中所述的针对轴流压气机气动设计方案中需进行预变形设计的动叶片，是在工作状态下变形量较大、来流马赫数较高的动叶片。
3.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，其特征在于：步骤(1)中所述的选择典型工况作为预变形设计工况为压气机设计点与70％设计转速下的近喘振点作为典型工况。
4.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，其特征在于：步骤(3)中所述的在进出口几何角偏差计算结果的基础上，对气动设计方案动叶片的进出口几何角参数进行修正，采用如下方式：
修正后的动叶片各造型截面进口几何角按如下公式计算：
Figure FDA0003626355740000021
出口几何角按如下公式计算：
Figure FDA0003626355740000022
式中a、b为预变形缩放系数，初始取a＝1、b＝1。
5.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，其特征在于：步骤(5)中所述的预变形设计收敛条件，采用如下条件：对于n个典型工况，所有工况下动叶片全部造型截面的Δ1c、Δ2c均不大于0.2°。
6.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片预变形设计方法，其特征在于：步骤(6)中所述的选择压气机常用的若干个工作转速作为特定转速，对于船舶燃气轮机轴流压气机而言，在70％至105％设计转速区间内选择4至5个特征工作转速作为特定转速。
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