CN115186400B - 一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法 - Google Patents

一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法，提炼出了叶片失速与堵塞裕量的关键预判参数及其经验计算公式，在轴流压气机的叶片造型环节即可对该叶片的失速与堵塞裕量进行预估，并可以据此快速进行通流设计与叶片造型的参数调整，实现了轴流压气机叶片的失速与堵塞裕量的提前精准控制，有效提高了设计精度。且有效减少了压气机气动设计过程中通过三维计算分析来反复调整的次数与工作量，可节省大量的设计迭代时间，缩短设计周期。同时，本发明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

一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法
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
随着燃气轮机性能水平的不断提升，压气机作为燃气轮机的关键核心部件之一，其通流能力、压比、效率及稳定工作范围也在不断向高水平发展。其中，稳定工作范围是制约压气机乃至整个燃气轮机变工况性能和安全可靠运行的重要因素。对压气机稳定工作范围的不断拓宽一直是压气机气动设计中的核心环节与难点所在。
当多级轴流压气机处于非设计工况运行时，其内部流场将偏离设计预期，进而产生如流动分离等多种不稳定流动现象，当流动不稳定发展到一定程度，即会产生失速或堵塞，从而导致压气机失稳，无法再维持稳定工作状态。因此必须从压气机气动设计开始，就将压气机的稳定工作范围作为重要指标进行重点关注。但由于导致多级轴流压气机失稳的因素与作用过程十分复杂，依赖精细化的三维CFD计算分析作为调整手段耗时极长，且极易反复。为此，有必要在压气机气动设计的低维度与叶片造型环节提前加入预判机制，使压气机在通流设计与叶片造型时就充分虑及失速或堵塞的不利影响，这对于整个压气机气动设计体系的发展与完善而言意义极为重大。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决轴流压气机非设计工况下的稳定工作范围不足等问题的一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法，其特征是：
(1)通流反问题设计，按照设计指标要求，进行轴流压气机通流部分的反问题设计工作，包括轴流压气机均径处的一维反问题设计与S2流面上的反问题设计；
(2)确定叶型设计参数，根据通流反问题设计结果，确定轴流压气机叶片各截面叶型的设计参数，包括叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度造型基本参数；
(3)计算叶型进出口几何角，叶型进口、出口几何角β1k、β2k分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与圆周方向的夹角，根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得叶型的进口气流角β1与出口气流角β2，计算进口攻角i和出口落后角δ，从而确定β1k＝β1+i，β2k＝β2+δ；
(4)计算叶型弯角，在确定进出口几何角之后，计算得到叶型弯角ε＝β2k-β1k；
(5)计算叶型安装角，根据叶型中弧线形式来计算叶型安装角γ；
(6)计算叶型喉部面积比，叶型喉部面积比是叶型几何槽道最小横截面AΓ与叶型来流方向槽道横截面A1的比值，即通过叶型进口气流角β1、叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度/>叶型弯角ε与叶型安装角γ，计算得到叶型喉部面积比/>
(7)失速与堵塞裕量评估，采用叶片各截面叶型的进口速度系数λw与叶型喉部面积比来评估轴流压气机该叶片的失速与堵塞裕量是否满足设计要求，若满足，则该叶片造型方案即为最终方案；若不满足，则返回调整叶型设计参数，或重新进行通流反问题设计，直至叶片的失速与堵塞裕量满足设计要求为止。
本发明还可以包括：
1、步骤(5)中所述的根据叶型中弧线形式来计算叶型安装角γ，采用如下方式：
当中弧线相对最大挠度位置取0.45时，γ＝β1k+0.6ε；
当中弧线相对最大挠度位置取0.5时，γ＝β1k+0.5ε；
当中弧线为多圆弧曲线、样条曲线或其他曲线形式时，以γ＝β1k+0.5ε作为初始值，通过叶型设计程序迭代获得最终的γ值。
2、步骤(6)中所述的通过叶型进口气流角β1、叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度叶型弯角ε与叶型安装角γ，计算得到叶型喉部面积比/>采用如下方式：
式中，t为叶栅节距；β1为叶型进口气流角，是叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度/>叶型弯角ε与叶型安装角γ的函数，有：
3、步骤(7)中所述的采用叶片各截面叶型的进口速度系数λw与叶型喉部面积比来评估轴流压气机该叶片的失速与堵塞裕量是否满足设计要求，采用如下方式：
以叶型喉部面积比为横坐标、叶型进口速度系数λw为纵坐标，绘制二维坐标图，堵塞边界线/>与失速边界线/>方程描述如下：
堵塞边界线：
失速边界线：
当叶片各截面叶型的坐标位于堵塞边界线与失速边界线之内时，该叶片即有充足的失速与堵塞裕量，距离两边界线越远裕量越充足；当叶片各截面叶型的坐标在堵塞边界线与失速边界线范围之外时，叶片发生流动堵塞或失速的可能性极大，进行设计调整。
本发明的优势在于：
1、本发明在轴流压气机的叶片造型环节即可对该叶片的失速与堵塞裕量进行预估，并且可以据此快速进行通流设计与叶片造型的参数调整，有效减少了压气机气动设计过程中通过三维计算分析来反复调整的次数与工作量，可节省大量的设计迭代时间，缩短设计周期。
2、本发明通过对大量试验数据的总结，提炼出了叶片失速与堵塞裕量的关键预判参数及其经验计算公式，实现了轴流压气机叶片的失速与堵塞裕量的提前精准控制，有效提高了设计精度，提高了压气机的气动性能。
3、本发明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为本发明涉及的轴流压气机叶型主要参数定义图。
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1-2，本发明一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：通流反问题设计。按照设计指标要求，进行轴流压气机通流部分的反问题设计工作，包括轴流压气机均径处的一维反问题设计与S2流面上的反问题设计。
步骤二：确定叶型设计参数。根据通流反问题设计结果，确定轴流压气机叶片各截面叶型的设计参数，包括叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度等造型基本参数。
步骤三：计算叶型进出口几何角。叶型进口、出口几何角β1k、β2k分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与圆周方向的夹角。根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得叶型的进口气流角β1与出口气流角β2，计算进口攻角i和出口落后角δ，从而确定β1k＝β1+i，β2k＝β2+δ。
步骤四：计算叶型弯角。在确定了进出口几何角之后，即可计算得到叶型弯角ε＝β2k-β1k。
步骤五：计算叶型安装角。根据叶型中弧线形式来计算叶型安装角γ。具体如下：
当中弧线相对最大挠度位置取0.45时，γ＝β1k+0.6ε；
当中弧线相对最大挠度位置取0.5时，γ＝β1k+0.5ε；
当中弧线为多圆弧曲线、样条曲线或其他曲线形式时，以γ＝β1k+0.5ε作为初始值，通过叶型设计程序迭代获得最终的γ值。
步骤六：计算叶型喉部面积比。叶型喉部面积比是叶型几何槽道最小横截面AΓ与叶型来流方向槽道横截面A1的比值，即通过叶型进口气流角β1、叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度/>叶型弯角ε与叶型安装角γ，计算得到叶型喉部面积比/>具体方式如下：
式中，t为叶栅节距；β1为叶型进口气流角。而是叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度/>叶型弯角ε与叶型安装角γ的函数，有：
步骤七：失速与堵塞裕量评估。采用叶片各截面叶型的进口速度系数λw与叶型喉部面积比来评估轴流压气机该叶片的失速与堵塞裕量是否满足设计要求。具体方式如下：
以叶型喉部面积比为横坐标、叶型进口速度系数λw为纵坐标，绘制二维坐标图。图中堵塞边界线/>与失速边界线/>方程描述如下：
堵塞边界线：
失速边界线：
当叶片各截面叶型的坐标位于堵塞边界线与失速边界线之内时，该叶片即有充足的失速与堵塞裕量，距离两边界线越远裕量越充足；
当叶片各截面叶型的坐标在堵塞边界线与失速边界线范围之外时，叶片发生流动堵塞或失速的可能性极大，应进行设计调整。
根据以上判定标准，若满足，则该叶片造型方案即为最终方案；若不满足，则返回调整叶型设计参数，必要时可以重新进行通流反问题设计，直至叶片的失速与堵塞裕量满足设计要求为止。
本发明提出的一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预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)

1.一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法，其特征是：
(1)通流反问题设计，按照设计指标要求，进行轴流压气机通流部分的反问题设计工作，包括轴流压气机均径处的一维反问题设计与S2流面上的反问题设计；
(2)确定叶型设计参数，根据通流反问题设计结果，确定轴流压气机叶片各截面叶型的设计参数，包括叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度造型基本参数；
(3)计算叶型进出口几何角，叶型进口、出口几何角β1k、β2k分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与圆周方向的夹角，根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得叶型的进口气流角β1与出口气流角β2，计算进口攻角i和出口落后角δ，从而确定β1k＝β1+i，β2k＝β2+δ；
(4)计算叶型弯角，在确定进出口几何角之后，计算得到叶型弯角ε＝β2k-β1k；
(5)计算叶型安装角，根据叶型中弧线形式来计算叶型安装角γ；
(6)计算叶型喉部面积比，叶型喉部面积比是叶型几何槽道最小横截面AΓ与叶型来流方向槽道横截面A1的比值，即通过叶型进口气流角β1、叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度/>叶型弯角ε与叶型安装角γ，计算得到叶型喉部面积比/>
(7)失速与堵塞裕量评估，采用叶片各截面叶型的进口速度系数λw与叶型喉部面积比来评估轴流压气机该叶片的失速与堵塞裕量是否满足设计要求，若满足，则该叶片造型方案即为最终方案；若不满足，则返回调整叶型设计参数，或重新进行通流反问题设计，直至叶片的失速与堵塞裕量满足设计要求为止；
步骤(6)中所述的通过叶型进口气流角β1、叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度叶型弯角ε与叶型安装角γ，计算得到叶型喉部面积比/>采用如下方式：
式中，t为叶栅节距；β1为叶型进口气流角，是叶栅稠度b/t、叶型相对最大厚度叶型弯角ε与叶型安装角γ的函数，有：
步骤(7)中所述的采用叶片各截面叶型的进口速度系数λw与叶型喉部面积比来评估轴流压气机该叶片的失速与堵塞裕量是否满足设计要求，采用如下方式：
以叶型喉部面积比为横坐标、叶型进口速度系数λw为纵坐标，绘制二维坐标图，堵塞边界线/>与失速边界线/>方程描述如下：
堵塞边界线：
失速边界线：
当叶片各截面叶型的坐标位于堵塞边界线与失速边界线之内时，该叶片即有充足的失速与堵塞裕量，距离两边界线越远裕量越充足；当叶片各截面叶型的坐标在堵塞边界线与失速边界线范围之外时，叶片发生流动堵塞或失速的可能性极大，进行设计调整。
2.根据权利要求1所述的一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法，其特征是：步骤(5)中所述的根据叶型中弧线形式来计算叶型安装角γ，采用如下方式：
当中弧线相对最大挠度位置取0.45时，γ＝β1k+0.6ε；
当中弧线相对最大挠度位置取0.5时，γ＝β1k+0.5ε；
当中弧线为多圆弧曲线、样条曲线或其他曲线形式时，以γ＝β1k+0.5ε作为初始值，通过叶型设计程序迭代获得最终的γ值。
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