CN115186401A - 一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法 - Google Patents

一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法，本发明能够快速、准确地计算出轴流压气机大部分常用亚音速叶栅在设计状态下的造型关键角度参数，有效提高了设计精度，并且有效减少了通过三维计算来逐级修正多级轴流压气机各级亚音速叶片角度造型参数的次数，实现了压气机叶片角度造型参数的流程化计算，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

一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法
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关键核心部件之一，其性能优劣对燃气轮机的技术指标实现起着决定性作用。纵观整个压气机的发展历史，所有的压气机设计都是建立在对通流能力、压比、效率以及喘振裕度的追求之上的。时至今日，随着燃气轮机性能的不断提升，对压气机的气动性能需求也自然地演变成了更高的压比、更高的效率和更大的喘振裕度，如今的压气机气动设计体系也正是基于以上需求而形成的。
随着对内部流动的认识不断深入，压气机气动设计体系也在飞速发展，越来越多的技术手段已经被应用到压气机的气动设计当中。所谓压气机气动设计，其本质就是将压气机气动性能需求转换成几何造型的过程。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。目前以S1、S2两类流面理论为基础的准三维气动设计作为现阶段压气机气动设计体系的核心部分，如何将准三维通流设计结果转换为叶片的几何造型，其中最重要的环节就在于叶片造型关键角度参数的确定。可以说，合理、准确的叶片造型角度参数直接关系着压气机内部的级间流动匹配，对压气机气动性能指标的实现起着至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决轴流压气机气动设计中亚音速叶栅造型的关键角度参数确定问题的一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法，其特征是：
(1)确定进出口几何角，叶栅进口、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，获得叶栅进口气流角β1与出口气流角β2，计算叶栅进口攻角i和出口落后角δ，从而确定β1k＝β1+i，β2k＝β2+δ；
(2)计算叶型弯角，在确定了进出口几何角之后，计算得到叶型弯角ε＝β2k-β1k；
(3)确定进出口楔角，叶栅进口、出口楔角χ1、χ2分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与弦线的夹角，根据叶型中弧线形式，确定进口、出口楔角χ1、χ2值；
(4)计算叶型安装角，根据进口几何角β1k和进口楔角χ1，计算叶型安装角γ＝β1k+χ1。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)中所述的计算叶栅进口攻角i和出口落后角δ，采用如下方式：
进口攻角i：
Figure BDA0003696686960000021
式中，b/t为叶型对应位置的叶栅稠度；
Figure BDA0003696686960000022
为轮毂比；
Figure BDA0003696686960000023
为叶型对应位置的相对半径；
Figure BDA0003696686960000024
为相对平均半径，
Figure BDA0003696686960000025
mb/t＝1.0为叶型稠度为1时攻角随弯角变化率，是b/t的函数，mb/t＝1.0＝-0.1686(b/t)2+0.9393(b/t)+0.2302，若计算结果小于0.7，则取mb/t＝1.0＝0.7；Δβ为气流转折角，Δβ＝β2-β1；
Figure BDA0003696686960000026
为叶型稠度为1时气流转折角名义值，是β2的函数，
Figure BDA0003696686960000031
Δi为攻角修正量，根据叶栅平均半径参数来计算，
Figure BDA0003696686960000032
其中(b/t)m为叶栅平均半径处稠度，β1m为叶栅平均半径处进口气流角，Ωm为叶栅平均半径处反动度；
出口落后角δ：
Figure BDA0003696686960000033
式中，m为叶型中弧线系数，
Figure BDA0003696686960000034
其中
Figure BDA0003696686960000035
为叶型相对最大挠度位置；
Figure BDA0003696686960000036
为落后角修正系数，其取值与叶栅轮毂比
Figure BDA0003696686960000037
有关：
Figure BDA0003696686960000038
上式中c1a为叶型出口轴向速度，c2a为叶型进口轴向速度。
2、步骤(3)中所述的根据叶型中弧线形式，确定进口、出口楔角χ1、χ2值，采用如下方式：
当采用圆弧中弧线时，χ1＝χ2＝0.5ε；
当采用抛物线中弧线时，χ1＝0.6ε，χ2＝0.4ε。
本发明的优势在于：
1、本发明能够快速、准确地计算出轴流压气机大部分常用亚音速叶栅在设计状态下的造型关键角度参数，有效提高了设计精度，提高了压气机的气动性能。
2、本发明有效减少了通过三维计算来逐级修正多级轴流压气机各级亚音速叶片角度造型参数的次数，实现了压气机叶片角度造型参数的流程化计算，可节省大量的设计迭代时间，缩短设计周期。
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为轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数定义图。
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亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法，通过以下步骤实现：
步骤一：确定进出口几何角。叶栅进口、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，获得叶栅进口气流角β1与出口气流角β2，计算叶栅进口攻角i和出口落后角δ，从而确定β1k＝β1+i，β2k＝β2+δ；
步骤二：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；
步骤三：确定进出口楔角。叶栅进口、出口楔角χ1、χ2分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与弦线的夹角。根据叶型中弧线形式，确定进口、出口楔角χ1、χ2值；
步骤四：计算叶型安装角。根据进口几何角β1k和进口楔角χ1，可以计算叶型安装角γ＝β1k+χ1。
进一步的：步骤一中所述的“计算叶栅进口攻角i和出口落后角δ”，采用如下方式：
进口攻角i：
Figure BDA0003696686960000051
式中，b/t为叶型对应位置的叶栅稠度；
Figure BDA0003696686960000052
为轮毂比；
Figure BDA0003696686960000053
为叶型对应位置的相对半径；
Figure BDA0003696686960000054
为相对平均半径，
Figure BDA0003696686960000055
mb/t＝1.0为叶型稠度为1时攻角随弯角变化率，是b/t的函数，mb/t＝1.0＝-0.1686(b/t)2+0.9393(b/t)+0.2302，若计算结果小于0.7，则取mb/t＝1.0＝0.7；Δβ为气流转折角，Δβ＝β2-β1；
Figure BDA0003696686960000056
为叶型稠度为1时气流转折角名义值，是β2的函数，
Figure BDA0003696686960000057
Δi为攻角修正量，根据叶栅平均半径参数来计算，
Figure BDA0003696686960000058
其中(b/t)m为叶栅平均半径处稠度，β1m为叶栅平均半径处进口气流角，Ωm为叶栅平均半径处反动度。
出口落后角δ：
Figure BDA0003696686960000059
式中，m为叶型中弧线系数，
Figure BDA00036966869600000510
其中
Figure BDA00036966869600000511
为叶型相对最大挠度位置；
Figure BDA00036966869600000512
为落后角修正系数，其取值与叶栅轮毂比
Figure BDA00036966869600000513
有关：
Figure BDA0003696686960000061
上式中c1a为叶型出口轴向速度，c2a为叶型进口轴向速度。
进一步的：步骤三中所述的“根据叶型中弧线形式，确定进口、出口楔角χ1、χ2值”，采用如下方式：
当采用圆弧中弧线时，χ1＝χ2＝0.5ε；
当采用抛物线中弧线时，χ1＝0.6ε，χ2＝0.4ε。

Claims (3)

1.一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法，其特征是：
(1)确定进出口几何角，叶栅进口、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，获得叶栅进口气流角β1与出口气流角β2，计算叶栅进口攻角i和出口落后角δ，从而确定β1k＝β1+i，β2k＝β2+δ；
(2)计算叶型弯角，在确定了进出口几何角之后，计算得到叶型弯角ε＝β2k-β1k；
(3)确定进出口楔角，叶栅进口、出口楔角χ1、χ2分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与弦线的夹角，根据叶型中弧线形式，确定进口、出口楔角χ1、χ2值；
(4)计算叶型安装角，根据进口几何角β1k和进口楔角χ1，计算叶型安装角γ＝β1k+χ1。
2.根据权利要求1所述的一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法，其特征是：步骤(1)中所述的计算叶栅进口攻角i和出口落后角δ，采用如下方式：
进口攻角i：
Figure FDA0003696686950000011
式中，b/t为叶型对应位置的叶栅稠度；
Figure FDA0003696686950000012
为轮毂比；
Figure FDA0003696686950000013
为叶型对应位置的相对半径；
Figure FDA0003696686950000014
为相对平均半径，
Figure FDA0003696686950000015
mb/t＝1.0为叶型稠度为1时攻角随弯角变化率，是b/t的函数，mb/t＝1.0＝-0.1686(b/t)2+0.9393(b/t)+0.2302，若计算结果小于0.7，则取mb/t＝1.0＝0.7；Δβ为气流转折角，Δβ＝β2-β1；
Figure FDA0003696686950000021
为叶型稠度为1时气流转折角名义值，是β2的函数，
Figure FDA0003696686950000022
Δi为攻角修正量，根据叶栅平均半径参数来计算，
Figure FDA0003696686950000023
其中(b/t)m为叶栅平均半径处稠度，β1m为叶栅平均半径处进口气流角，Ωm为叶栅平均半径处反动度；
出口落后角δ：
Figure FDA0003696686950000024
式中，m为叶型中弧线系数，
Figure FDA0003696686950000025
其中
Figure FDA0003696686950000026
为叶型相对最大挠度位置；
Figure FDA0003696686950000027
为落后角修正系数，其取值与叶栅轮毂比
Figure FDA0003696686950000028
有关：
Figure FDA0003696686950000029
上式中c1a为叶型出口轴向速度，c2a为叶型进口轴向速度。
3.根据权利要求1所述的一种轴流压气机亚音速叶栅造型关键角度参数确定方法，其特征是：步骤(3)中所述的根据叶型中弧线形式，确定进口、出口楔角χ1、χ2值，采用如下方式：
当采用圆弧中弧线时，χ1＝χ2＝0.5ε；
当采用抛物线中弧线时，χ1＝0.6ε，χ2＝0.4ε。
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