CN115525996B - 一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于涡轮特性处理技术领域，涉及一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法及系统。该方法包括步骤S1、获取涡轮在静止条件下换算流量随进出口压比变化的第一流量特性曲线；步骤S2、分别通过数值仿真计算确定相对换算流量随进出口相对压比变化的相对坐标系下的至少两个第二流量特性曲线；步骤S3、基于至少两个第二流量特性曲线确定用于表示涡轮叶片结构及特性的无量纲参数；步骤S4、确定待求的特定转速下的相对换算流量与相对进出口压比的第三流量特性曲线；步骤S5、进行坐标变换，获得绝对坐标系下的第四流量特性曲线。本申请充分考虑转动效应的影响，获得了基于试验数据的旋转修正后的流量特性，提高了叶片冷气量计算的准确性。

Description

一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法及系统

技术领域

本申请属于涡轮特性处理技术领域，具体涉及一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法及系统。

背景技术

涡轮工作叶片冷却是保证叶片在高温燃气环境下安全可靠工作的重要手段。获得准确的涡轮工作叶片流量特性对预测叶片冷气量与评估叶片冷却效果有重要意义。

转动效应对高速旋转叶片流量特性的影响显著。该效应机理复杂，耦合了科氏力、离心力和温差浮升力，且对不同几何结构、不同转速作用有很大差异。

试验是最直接可靠的获得零件流量特性的手段。然而，受限于客观条件，涡轮工作叶片流量特性试验通常在静止或低转速状态下进行。如果将流量特性试验数据直接用于计算，会引入很大误差。因此，急需一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法。

目前对于涡轮工作叶片流量特性的处理方法主要有两种：

1)忽略转动效应影响，直接使用静止或低转速状态流量特性试验数据，计算结果误差很大；

2)将涡轮工作叶片简化为一系列串、并联的旋转孔，一定程度上考虑了转动效应的影响，但是简化几何结构也引入一定误差。

发明内容

为了解决上述问题之一，本申请提供了一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法及系统，利用可靠试验数据的基础上，充分考虑转动效应的影响，获取任意特定转速下的准确流量特性。

本申请第一方面提供了一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法，主要包括：

步骤S1、获取涡轮在静止条件下换算流量随进出口压比变化的第一流量特性曲线；

步骤S2、在涡轮在静止条件及至少一个转速条件下，分别通过数值仿真计算确定相对换算流量随进出口相对压比变化的相对坐标系下的至少两个第二流量特性曲线，其中，基于涡轮的相对进口总压与相对总温计算相对进出口压比及相对换算流量；

步骤S3、基于至少两个第二流量特性曲线之间的差值与旋转雷诺数之间的关系确定用于表示涡轮叶片结构及特性的无量纲参数；

步骤S4、基于所述无量纲参数及所述第一流量特性曲线，确定待求的特定转速下的相对换算流量与相对进出口压比的第三流量特性曲线；

步骤S5、基于相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系，将所述第三流量特性曲线进行变换，获得绝对坐标系下的第四流量特性曲线。

优选的是，步骤S1进一步包括，通过在静止条件下开展涡轮工作叶片流量特性试验，获得不同进出口压比下的流量，并计算换算流量，进而确定在静止条件下的换算流量随进出口压比的变化曲线。

优选的是，步骤S3中，确定无量纲参数包括：

其中，为涡轮旋转条件下的涡轮进口相对总压，p_2,r为涡轮旋转条件下的涡轮出口静压，/>为涡轮静止条件下的涡轮进口相对总压，p_2,s为涡轮静止条件下的涡轮出口静压，Re_w为旋转雷诺数，G_w,r为涡轮旋转条件下的相对换算流量，G_s为涡轮静止条件下的换算流量，A₁与A₂为两个无量纲参数。

优选的是，步骤S5中，相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系为：

其中，T^*为绝对总温，为相对总温，ω为涡轮转速，r为涡轮叶片半径，c_p为定压比热容，/>为相对总压，p^*为绝对总压。

本申请第二方面提供了一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正系统，主要包括：

试验参数获取模块，用于获取涡轮在静止条件下换算流量随进出口压比变化的第一流量特性曲线；

仿真参数获取模块，用于在涡轮在静止条件及至少一个转速条件下，分别通过数值仿真计算确定相对换算流量随进出口相对压比变化的相对坐标系下的至少两个第二流量特性曲线，其中，基于涡轮的相对进口总压与相对总温计算相对进出口压比及相对换算流量；

无量纲参数计算模块，用于基于至少两个第二流量特性曲线之间的差距与旋转雷诺数之间的关系确定用于表示涡轮叶片结构及特性的无量纲参数；

特定转速相对流量特性曲线确定模块，用于基于所述无量纲参数及所述第一流量特性曲线，确定待求的特定转速下的相对换算流量与相对进出口压比的第三流量特性曲线；

特定转速绝对流量特性曲线确定模块，用于基于相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系，将所述第三流量特性曲线进行变换，获得绝对坐标系下的第四流量特性曲线。

优选的是，所述试验参数获取模块中，通过在静止条件下开展涡轮工作叶片流量特性试验，获得不同进出口压比下的流量，并计算换算流量，进而确定在静止条件下的换算流量随进出口压比的变化曲线。

优选的是，所述无量纲参数计算模块中，确定无量纲参数包括：

其中，为涡轮旋转条件下的涡轮进口相对总压，p_2,r为涡轮旋转条件下的涡轮出口静压，/>为涡轮静止条件下的涡轮进口相对总压，p_2,s为涡轮静止条件下的涡轮出口静压，Re_w为旋转雷诺数，G_w,r为涡轮旋转条件下的相对换算流量，G_s为涡轮静止条件下的换算流量，A₁与A₂为两个无量纲参数。

优选的是，所述特定转速绝对流量特性曲线确定模块中，相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系为：

其中，T^*为绝对总温，为相对总温，ω为涡轮转速，r为涡轮叶片半径，c_p为定压比热容，/>为相对总压，p^*为绝对总压。

本申请在继承试验数据可靠性的基础上，充分考虑转动效应的影响，获得了基于试验数据的旋转修正后的流量特性，使用该流量特性计算的流阻与实际叶片接近，显著提高了叶片冷气量计算的准确性。

附图说明

图1为本申请涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法的一优选实施例的流程图。

图2为第一流量特性曲线示意图。

图3为第二流量特性曲线示意图。

图4为第三流量特性曲线示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请第一方面提供了一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、获取涡轮在静止条件下换算流量随进出口压比变化的第一流量特性曲线；

步骤S2、在涡轮在静止条件及至少一个转速条件下，分别通过数值仿真计算确定相对换算流量随进出口相对压比变化的相对坐标系下的至少两个第二流量特性曲线，其中，基于涡轮的相对进口总压与相对总温计算相对进出口压比及相对换算流量；

步骤S3、基于至少两个第二流量特性曲线之间的差值与旋转雷诺数之间的关系确定用于表示涡轮叶片结构及特性的无量纲参数；

步骤S4、基于所述无量纲参数及所述第一流量特性曲线，确定待求的特定转速下的相对换算流量与相对进出口压比的第三流量特性曲线；

步骤S5、基于相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系，将所述第三流量特性曲线进行变换，获得绝对坐标系下的第四流量特性曲线。

参考图1，本申请通过步骤S2在数值仿真条件下获得至少两个第二流量曲线，然后通过步骤S3计算这两个第二流量曲线之间的关系，得到无量纲参数，这样在步骤S1给定的试验条件下及涡轮静止条件下的第一流量曲线的基础上，通过这个无量纲参数就能在步骤S4中计算出任意转速下的第三流量关系曲线，因为步骤S3在计算无量纲参数时使用的是相对参数(包括相对温度及相对总压)，因此步骤S4计算的第三流量关系曲线是相对坐标系下的，之后再通过步骤S5的坐标系转换，确定在绝对坐标系下的第四流量关系曲线，即为本申请所要求的特定转速下的涡轮工作叶片流量特性。

在步骤S1中，在静止条件下开展涡轮工作叶片流量特性试验，获得不同进出口压比下的流量Q_exp，计算换算流量G_exp，得到换算流量随压比的变化曲线，即静止叶片流量特性曲线试验结果，如图2所示，这里p₁与p₂分别表示涡轮的进出口压力，下标1为进口参数，下标2为出口参数，下标exp表示试验参数，上标*表示滞止参数或总参数，本申请下文用到的上标及下标参考该含义，不再特别说明。

在步骤S2中，开展不同转速下(包括静止条件以及至少一个转速)涡轮工作叶片内流动数值计算，获得不同转速、不同进出口压比下的流量，使用相对总压和相对总温T_1w ^*，计算进出口相对压比/>和相对换算流量/>得到对应不同转速的相对坐标系下的流量特性曲线数值计算结果，如图3所示，图3中描述了四个转速下的第二流量特性曲线，其中横坐标为相对压比，纵坐标为相对流量。在该步骤中，下标w表示相对参数，下标r表示在某一转速下的参数，其中Q为物理流量，G为换算流量。

步骤S3中，在某一转速下的第二流量特性曲线，与静止条件下的第二流量特性曲线通过雷诺数修正后表现一致，具体的，某一转速下的涡轮进出口压比为静止条件下的涡轮进出口压比减去第一特定比例的旋转雷诺数的平方，某一转速下的换算流量与静止条件下的换算流量的比值为第二特定比例的旋转雷诺数的平方加一。在一些可选实施方式中，步骤S3中，确定无量纲参数包括：

其中，为涡轮旋转条件下的涡轮进口相对总压，p_2,r为涡轮旋转条件下的涡轮出口静压，/>为涡轮静止条件下的涡轮进口相对总压，p_2,s为涡轮静止条件下的涡轮出口静压，Re_w为旋转雷诺数，G_w,r为涡轮旋转条件下的相对换算流量，G_s为涡轮静止条件下的换算流量，A₁与A₂为两个与叶片几何结构、气体物性参数和出口边界条件有关的无量纲参数。

这里的旋转雷诺数为：

其中，ρ为密度，ω为涡轮转速，r为涡轮叶片半径，μ为动力粘度。

上述步骤S3中计算出了两个无量纲参数，结合步骤S1的试验条件下的第一流量特性曲线，则可以计算出任意转速下的换算流量随进出口压比变化的新的流量特性曲线，即步骤S4计算的第三流量特性曲线，如图4所述。图4中表示计算的任意四个转速下的第三流量特性曲线，横坐标为压比，纵坐标为流量，图中四条曲线并未做转速区分，并隐去了部分参数，本领域技术人员可以理解的是，该示意图仅用于示意能够通过上述无量纲参数计算任意转速下的流量特性曲线。

另外需要说明的是，步骤S4中的计算第三流量特性曲线所用到的公式与步骤S3中的公式本质是一致的，只是参数选取的不同，例如具体公式如下：

其中，为特定转速下的涡轮进口相对总压，p_2,r为特定转速下的涡轮出口静压，/>为试验条件、静止条件下的涡轮进口总压，p_2,exp为试验条件、静止条件下的涡轮出口静压，G_w,r为特定转速下的相对换算流量，G_exp为试验条件、静止条件下的换算流量。

在步骤S5中，将相对坐标系下的旋转叶片流量特性曲线修正结果进行坐标转换，将相对流量特性变换为绝对流量特性，得到绝对坐标系下的基于试验数据旋转修正的旋转叶片流量特性曲线结果。在一些可选实施方式中，步骤S5中，相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系为：

其中，T^*为绝对总温，为相对总温，ω为涡轮转速，r为涡轮叶片半径，c_p为定压比热容，/>为相对总压，p^*为绝对总压。

本申请第二方面提供了一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正系统，其特征在于，包括：

试验参数获取模块，用于获取涡轮在静止条件下换算流量随进出口压比变化的第一流量特性曲线；

仿真参数获取模块，用于在涡轮在静止条件及至少一个转速条件下，分别通过数值仿真计算确定相对换算流量随进出口相对压比变化的相对坐标系下的至少两个第二流量特性曲线，其中，基于涡轮的相对进口总压与相对总温计算相对进出口压比及相对换算流量；

无量纲参数计算模块，用于基于至少两个第二流量特性曲线之间的差值与旋转雷诺数之间的关系确定用于表示涡轮叶片结构及特性的无量纲参数；

特定转速相对流量特性曲线确定模块，用于基于所述无量纲参数及所述第一流量特性曲线，确定待求的特定转速下的相对换算流量与相对进出口压比的第三流量特性曲线；

特定转速绝对流量特性曲线确定模块，用于基于相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系，将所述第三流量特性曲线进行变换，获得绝对坐标系下的第四流量特性曲线。

在一些可选实施方式中，所述试验参数获取模块中，通过在静止条件下开展涡轮工作叶片流量特性试验，获得不同进出口压比下的流量，并计算换算流量，进而确定在静止条件下的换算流量随进出口压比的变化曲线。

在一些可选实施方式中，所述无量纲参数计算模块中，确定无量纲参数包括：

其中，为涡轮旋转条件下的涡轮进口相对总压，p_2,r为涡轮旋转条件下的涡轮出口静压，/>为涡轮静止条件下的涡轮进口相对总压，p_2,s为涡轮静止条件下的涡轮出口静压，Re_w为旋转雷诺数，G_w,r为涡轮旋转条件下的相对换算流量，G_s为涡轮静止条件下的换算流量，A₁与A₂为两个无量纲参数。

在一些可选实施方式中，所述特定转速绝对流量特性曲线确定模块中，相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系为：

其中，T^*为绝对总温，为相对总温，ω为涡轮转速，r为涡轮叶片半径，c_p为定压比热容，/>为相对总压，p^*为绝对总压。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法，其特征在于，包括：

步骤S1、获取涡轮在静止条件下换算流量随进出口压比变化的第一流量特性曲线；

步骤S2、在涡轮在静止条件及至少一个转速条件下，分别通过数值仿真计算确定相对换算流量随进出口相对压比变化的相对坐标系下的至少两个第二流量特性曲线，其中，基于涡轮的相对进口总压与相对总温计算相对进出口压比及相对换算流量；

步骤S3、基于至少两个第二流量特性曲线之间的差值与旋转雷诺数之间的关系确定用于表示涡轮叶片结构及特性的无量纲参数；

步骤S4、基于所述无量纲参数及所述第一流量特性曲线，确定待求的特定转速下的相对换算流量与相对进出口压比的第三流量特性曲线；

步骤S5、基于相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系，将所述第三流量特性曲线进行变换，获得绝对坐标系下的第四流量特性曲线；

其中，步骤S3中，确定无量纲参数包括：

其中，为涡轮旋转条件下的涡轮进口相对总压，p_2,r为涡轮旋转条件下的涡轮出口静压，/>为涡轮静止条件下的涡轮进口相对总压，p_2,s为涡轮静止条件下的涡轮出口静压，Re_w为旋转雷诺数，G_w,r为涡轮旋转条件下的相对换算流量，G_s为涡轮静止条件下的换算流量，A₁与A₂为两个无量纲参数。

2.如权利要求1所述的涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法，其特征在于，步骤S1进一步包括，通过在静止条件下开展涡轮工作叶片流量特性试验，获得不同进出口压比下的流量，并计算换算流量，进而确定在静止条件下的换算流量随进出口压比的变化曲线。

3.如权利要求1所述的涡轮工作叶片流量特性旋转修正方法，其特征在于，步骤S5中，相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系为：

其中，T^*为绝对总温，为相对总温，ω为涡轮转速，r为涡轮叶片半径，c_p为定压比热容，/>为相对总压，p^*为绝对总压。

4.一种涡轮工作叶片流量特性旋转修正系统，其特征在于，包括：

试验参数获取模块，用于获取涡轮在静止条件下换算流量随进出口压比变化的第一流量特性曲线；

仿真参数获取模块，用于在涡轮在静止条件及至少一个转速条件下，分别通过数值仿真计算确定相对换算流量随进出口相对压比变化的相对坐标系下的至少两个第二流量特性曲线，其中，基于涡轮的相对进口总压与相对总温计算相对进出口压比及相对换算流量；

无量纲参数计算模块，用于基于至少两个第二流量特性曲线之间的差值与旋转雷诺数之间的关系确定用于表示涡轮叶片结构及特性的无量纲参数；

特定转速相对流量特性曲线确定模块，用于基于所述无量纲参数及所述第一流量特性曲线，确定待求的特定转速下的相对换算流量与相对进出口压比的第三流量特性曲线；

特定转速绝对流量特性曲线确定模块，用于基于相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系，将所述第三流量特性曲线进行变换，获得绝对坐标系下的第四流量特性曲线；

其中，所述无量纲参数计算模块中，确定无量纲参数包括：

其中，为涡轮旋转条件下的涡轮进口相对总压，p_2,r为涡轮旋转条件下的涡轮出口静压，/>为涡轮静止条件下的涡轮进口相对总压，p_2,s为涡轮静止条件下的涡轮出口静压，Re_w为旋转雷诺数，G_w,r为涡轮旋转条件下的相对换算流量，G_s为涡轮静止条件下的换算流量，A₁与A₂为两个无量纲参数。

5.如权利要求4所述的涡轮工作叶片流量特性旋转修正系统，其特征在于，所述试验参数获取模块中，通过在静止条件下开展涡轮工作叶片流量特性试验，获得不同进出口压比下的流量，并计算换算流量，进而确定在静止条件下的换算流量随进出口压比的变化曲线。

6.如权利要求4所述的涡轮工作叶片流量特性旋转修正系统，其特征在于，所述特定转速绝对流量特性曲线确定模块中，相对总压、相对总温与绝对总温、绝对总压之间的关系为：

其中，T^*为绝对总温，为相对总温，ω为涡轮转速，r为涡轮叶片半径，c_p为定压比热容，/>为相对总压，p^*为绝对总压。