CN115270343A - 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法 - Google Patents

轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115270343A
CN115270343A CN202210918134.6A CN202210918134A CN115270343A CN 115270343 A CN115270343 A CN 115270343A CN 202210918134 A CN202210918134 A CN 202210918134A CN 115270343 A CN115270343 A CN 115270343A
Authority
CN
China
Prior art keywords
turbine
design
parameters
inverse problem
new
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
CN202210918134.6A
Other languages
English (en)
Inventor
张伟昊
刘宗旺
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.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
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 Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202210918134.6A priority Critical patent/CN115270343A/zh
Publication of CN115270343A publication Critical patent/CN115270343A/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]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Abstract

本发明提供一种轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法，用于涡轮在一维反问题设计环节上提供更好的设计方法。技术方案为：结合基于原有的基础上，对涡轮无量纲参数中反力度、载荷系数、流量系数等核心设计参数进行非简化处理，并对该处理进行全新的反问题设计计算，并根据新的定义式重新构建新的反问题计算流程。

Description

轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法
技术领域
本发明涉及一种轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法，属于涡轮技术领域。
背景技术
涡轮是发动机中必不可少的重要核心部件，它的气动设计工作是一个从低维到高维逐步设计及优化的过程，低维设计结果作为高维设计的初值及基础，气动设计可显著影响发动机的涡轮设计性能。常规涡轮级速度三角形设计是重要的设计方法之一，通过若干速度三角形关键参数和涡轮的气动性能参数去评估涡轮的气动性能。
对于现有的轴流涡轮设计一维技术，通常采用简化的一维无量纲设计参数进行涡轮速度三角形计算从而进行涡轮的一维设计，并通过简易的效率公式来预测涡轮一维性能。
该方法的最大问题就是对无量纲参数定义简化过多，简化包括：
涡轮动叶进出口圆周速度相同：U1＝U2
涡轮动叶进出口轴向速度相同：C1a＝C2a
涡轮导叶进口速度与动叶出口速度相同：C0＝C2
根据手册(《航空发动机设计手册》总编委会，黄庆南等.航空发动机设计手册，第10册，涡轮[M].北京:航空工业出版社2001.)对轮缘功定义如下：
Lu＝U(C1u+C2u)
运动反力度：
Figure BDA0003776491720000011
流量系数：
Figure BDA0003776491720000012
效率公式：
Figure BDA0003776491720000013
该简化的好处就是对于一维设计而言方便计算，但问题很明显，当设计不满足该要求的涡轮时，设计误差非常大，很难满足当今时代的涡轮设计要求。
发明内容
本发明旨在提供一种轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法，用于涡轮在一维反问题设计环节上提供更好的设计方法。
技术方案为：结合基于原有的基础上，对涡轮无量纲参数中反力度、载荷系数、流量系数等核心设计参数进行非简化处理，并对该处理进行全新的反问题设计计算，并根据新的定义式重新构建新的反问题计算流程。
具体的技术方案：
以下各个参数说明为：
Lu:轮缘功
Figure BDA0003776491720000021
流量系数下标0涡轮进口
C:绝对速度D2进出口中径比下标1涡轮级动叶进口
U:圆周速度μ载荷系数下标2涡轮级动叶出口
W:相对速度α绝对气流角下标a轴向分量
η:涡轮级效率β相对气流角下标u轴向分量
Ω反力度P压力上标*总参数
Figure BDA0003776491720000022
能量反力度Ma马赫数
Ka轴向速比系数T温度
G流量N转速
R气体常数
Figure BDA0003776491720000023
导叶速度损失系数
ψ动叶速度损失系数ε功分配系数
对于反问题设计计算，其所需涡轮总参数与无量纲设计参数包括：
涡轮总参数：涡轮进口总温
Figure BDA0003776491720000024
涡轮进口总压
Figure BDA0003776491720000025
流量G,气体常数R，转速N,涡轮进口气流角α，进口马赫数Ma、轮缘功Lu、效率η；
涡轮级无量纲设计参数：载荷系数μ、流量系数
Figure BDA0003776491720000026
原始反力度/能量反力度Ω与
Figure BDA0003776491720000027
Figure BDA0003776491720000028
轴向速比系数Ka、进出口中径比D2。
首先、轮缘功采用原始定义并加以变形：
Figure BDA0003776491720000029
则可以重新构造一个由速度三角形构成的反力度表达式：
原始反力度：
Figure BDA0003776491720000031
能量反力度：
Figure BDA0003776491720000032
其中圆周速度取进出口速度的平均值，那么新的载荷系数公式如下，
Figure BDA0003776491720000033
为了保证流量系数的合理性，采用下面公式进行计算,
Figure BDA0003776491720000034
对于得到的新公式进行处理，得到：
原始反力度：
Figure BDA0003776491720000035
能量反力度：
Figure BDA0003776491720000036
载荷系数：
Figure BDA0003776491720000037
其中：
Figure BDA0003776491720000038
通过该反力度与载荷系数的表达式联立，即可对参数进行求解，因此级效率表达式可用下面表达式进行表述：
Figure BDA0003776491720000039
轴流涡轮一维反问题设计具体步骤为：
(1)得到涡轮一维设计所需的条件，包括涡轮总参数与各涡轮级无量纲设计参数；
(2)根据膨胀比计算涡轮等熵功L*；
(3)初始化实际功：
L＝ηLad
其中，作为效率初始参数给定默认值；一般为0.9；
(4)根据功分配系数得到各级的初始轮缘功Lu：
Lu＝εL
(5)计算涡轮的进口参数，得到涡轮进口截面的总静温压以及进口绝对速度；
(6)对数据进行预处理，得到动叶的速度三角形；
(7)根据已知条件分别进行对涡轮各个截面参数进行计算；
(8)根据计算得到的出口总温度计算新的实际功L′；
(9)对比L与L′，若相同则设计完成，若不同则令L＝L′,从步骤(3)重新计算，直到迭代满足为止。
本发明具体的技术效果：新的无量纲定义方式及设计方法对于轴流涡轮一维反问题气动设计而言，相比于原来的设计方法，具有高可靠度，在实际设计中有利于涡轮的低维设计。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2a是本方法与焓差方法级效率比较图；
图2b是本方法与焓差方法级效率绝对误差比较图。
具体实施方式
本发明的技术方案流程如图1所示，为验证本发明的可靠性的提升，通过一维反问题设计方法设计三种不同类型的涡轮通道，分别为两个两级轴流涡轮和一个三级轴流涡轮，其中两个两级轴流涡轮分别按等中径于等内径设计，三级轴流涡轮按等中径设计。对每级涡轮的级效率分别用本方法与焓差方法进行比较，其对比如图2a和图2b所示。可见，本方法的近似方法与实际焓差计算方法得到的效率误差仅有0.2％左右，作为一维设计评估涡轮性能，误差完全可以忽略。

Claims (2)

1.轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法，其特征在于，对涡轮无量纲参数中核心设计参数进行非简化处理，并对该处理进行全新的反问题设计计算，并根据新的定义式重新构建新的反问题计算流程。
2.根据权利要求1所述的轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法，其特征在于，以下各个参数说明为：
Figure FDA0003776491710000011
包括以下步骤：
首先、轮缘功采用原始定义并加以变形：
Figure FDA0003776491710000012
则重新构造一个由速度三角形构成的反力度表达式：
原始反力度：
Figure FDA0003776491710000013
能量反力度：
Figure FDA0003776491710000014
其中圆周速度取进出口速度的平均值，新的载荷系数公式如下，
Figure FDA0003776491710000015
为了保证流量系数的合理性，采用下面公式进行计算,
Figure FDA0003776491710000016
对于得到的新公式进行处理，得到，
原始反力度：
Figure FDA0003776491710000021
能量反力度：
Figure FDA0003776491710000022
载荷系数：
Figure FDA0003776491710000023
其中：
Figure FDA0003776491710000024
通过该反力度与载荷系数的表达式联立，即可对参数进行求解，因此级效率表达式用下面表达式进行表述：
Figure FDA0003776491710000025
轴流涡轮一维反问题设计具体步骤为：
(1)得到涡轮一维设计所需的条件，包括涡轮总参数与各涡轮级无量纲设计参数；
(2)根据膨胀比计算涡轮等熵功L*；
(3)初始化实际功：
L＝ηLad
其中，η作为效率初始参数给定默认值；
(4)根据功分配系数得到各级的初始轮缘功Lu：
Lu＝εL
(5)计算涡轮的进口参数，得到涡轮进口截面的总静温压以及进口绝对速度；
(6)对数据进行预处理，得到动叶的速度三角形；
(7)根据已知条件分别进行对涡轮各个截面参数进行计算；
(8)根据计算得到的出口总温度计算新的实际功；
(9)对比L与L′,若相同则设计完成，若不同则令L＝L′,从步骤(3)重新计算，直到迭代满足为止。
CN202210918134.6A 2022-08-01 2022-08-01 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法 Pending CN115270343A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210918134.6A CN115270343A (zh) 2022-08-01 2022-08-01 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210918134.6A CN115270343A (zh) 2022-08-01 2022-08-01 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115270343A true CN115270343A (zh) 2022-11-01

Family

ID=83747195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210918134.6A Pending CN115270343A (zh) 2022-08-01 2022-08-01 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115270343A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117113552A (zh) * 2023-07-19 2023-11-24 哈尔滨工业大学 一种呼吸机微涡轮叶片的自编程一维设计方法及其设计系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117113552A (zh) * 2023-07-19 2023-11-24 哈尔滨工业大学 一种呼吸机微涡轮叶片的自编程一维设计方法及其设计系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112685968B (zh) 基于空间负荷定制思想的轴流压气机气动设计方法
CN112685851B (zh) 一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法
CN110929357A (zh) 一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法
CN110069848B (zh) 一种透平叶片气动-除湿-冷却试验的模化方法
CN109815624B (zh) 一种考虑进气总压畸变影响的压气机稳定边界判断方法
CN112685852B (zh) 一种轴流压气机负荷定制化气动优化方法
CN112699503B (zh) 一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机s2反问题设计方法
CN112594064B (zh) 一种基于轴流压气机级间测量参数的s2流场诊断方法
CN112685855A (zh) 一种轴流压气机叶型攻角落后角计算方法
CN115186398B (zh) 一种轴流压气机进口导叶造型关键角度参数确定方法
Yue et al. Design and optimization of tandem arranged cascade in a transonic compressor
CN114718659B (zh) 一种耦合径向肋条和周向槽的涡轮叶顶间隙流控制方法
CN114444331A (zh) 一种多级轴流压气机的级特性匹配方法
CN115270343A (zh) 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法
CN105134409A (zh) 超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法
CN113883093B (zh) 一种低反力度压气机叶片设计方法、动叶及压气机
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
CN109595040A (zh) 一种燃气轮机叶片扭曲规律设计方法
Fei et al. Application of new empirical models based on mathematical statistics in the through-flow analysis
CN115270318B (zh) 一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法
CN114065572B (zh) 一种厚度偏差与叶片厚度分布相关的叶片模型构建方法
CN114756978A (zh) 一种简单循环船用燃气轮机高压压气机通流负荷设计方法
CN114239185A (zh) 一种燃气轮机多级轴流压气机的设计方法及装置
CN115186440B (zh) 一种船用发电型燃气轮机双级高速动力涡轮气动设计方法
Kumar et al. Stress Distribution, Frequency Response, Mode Shape of Twisted and Untwisted Compressor Blisk under Different Pressure Loading Conditions

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