CN115680780B - 涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,包括依据涡轮叶片的进口轴向速度设计值,设计平面叶栅试验件的扩张通道;平面叶栅试验件的扩张角;基于三维仿真技术,采用进口轴向速度设计值,对平面叶栅试验件的扩张角进行迭代分析;依据验证及修正后扩张角制备平面叶栅试验件;对平面叶栅试验件进行验证,完成平面叶栅进口轴向速度的控制。本发明设计的进口轴向速度方法相比于常规的平面叶栅试验方法,在叶栅相同出口速度情况下,可以提升叶栅进口轴向速度;扩张通道的平面叶栅损失特性更准确;试验件的流道扩张角可以快速获取;试验件上下端壁结构简单且易于加工。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机涡轮领域,涉及涡轮叶片试验技术,具体为一种涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,用以提高涡轮平面叶栅的试验进口轴向速度,满足真实获取叶栅在涡轮级中的流动损失特性。
背景技术
平面叶栅试验是叶轮机研制过程中重要环节之一,通过试验获取被试叶栅进口流场参数、出口流场参数、叶栅表面压力分布、流迹信息等,并通过相应的试验数据处理及评定,得到被试叶栅流场中的关键局部流动特征,以综合评价被试叶栅的气动性能。同时,叶栅试验结果还可用于先进叶栅设计技术、湍流模型及相关分析软件的验证和校核,其为叶栅设计优化研究、流场诊断与分析提供试验数据支持。
目前,平面叶栅试验时,平面叶栅的叶片进口及出口的上下端壁流道通常采用平直流道,其具有设计加工简单、实现周期短的特点,其对子午流道扩张/收缩变化不大的叶栅,试验测量结果较好,且能够反应出叶片的真实流动状态,所获得的流动损失较为准确。
但是对子午流道过度扩张或者高流通能力的涡轮叶片,平直流道的平面叶栅已经不能反应叶栅的真实工作状态,试验测量的叶栅损失特性与真实结果差异显著,因此,传统的平直流道平面叶栅试验已不能适用,迫切需要反应叶片真实流动的平面叶栅试验方法。
发明内容
本发明的目的在于设计一种涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,其主要目的是提升扩张通道尤其是低压涡轮导向器叶栅的进口轴向马赫数;提升高通流下的涡轮导向器平面叶栅的进口轴向马赫数;获取级环境下涡轮叶栅真实工作状态下的流动损失,提高平面叶栅损失精度。
实现发明目的的技术方案如下:一种涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,包括以下步骤:
S1、依据涡轮叶片的进口轴向速度设计值,设计平面叶栅试验件的扩张通道;
S2、依据平面叶栅试验件的扩张通道,计算平面叶栅试验件的扩张角;
S3、基于三维仿真技术,采用进口轴向速度设计值对平面叶栅试验件的扩张角进行迭代分析,对扩张角进行验证及修正;
S4、依据步骤S3中验证及修正后扩张角制备平面叶栅试验件;
S5、测试获取平面叶栅试验件的叶栅进口总压以及叶栅上端壁及下端壁的进口静压和出口静压,获取进口轴向速度及该进口轴向速度下叶栅损失特性,对平面叶栅试验件进行验证,完成平面叶栅进口轴向速度的控制。
进一步的,步骤S1中依据涡轮叶片的进口轴向速度设计值,设计平面叶栅试验件的扩张通道的方法,包括:
S101、根据进口轴向速度设计值,将涡轮叶片的曲线流道替换为直线扩张流道;
S102、根据直线扩张流道设计平面叶栅试验件;
S103、计算平面叶栅试验件的通道扩张比。
进一步的,通道扩张比计算方法为:
采用平面叶栅试验件的叶栅进口直径L1,计算叶栅进口环形面积A1;
采用平面叶栅试验件的叶栅出口直径L2,计算为叶栅出口环形面积A2;
根据公式A2/A1计算通道扩张比。
进一步的,平面叶栅试验件的扩张角θ包括上端壁扩张角θ1、下端部扩张角θ2。
进一步的,扩张角θ根据公式L2=L1+h1+h2;θ=θ1+θ2=arctan(h1/L)+arctan(h2/L)计算获得,其中L为平面叶栅试验件的轴向弦长,h1为上端壁进口与上端壁出口之间的水平高度差,h2为下端壁进口与下端壁出口之间的水平高度差。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明设计的涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,相比于常规的平面叶栅试验方法,在叶栅相同出口速度情况下,可以提升叶栅进口轴向速度;扩张通道的平面叶栅损失特性更准确;试验件的流道扩张角θ可以快速获取;试验件上下端壁结构简单且易于加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为具体实施方式中涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法的流程图;
图2为具体实施方式中涡轮叶片的曲线流道的示意图;
图3为具体实施方式中涡轮叶片的曲线流道替换为平面叶栅试验件直线扩张流道的示意图;
图4为具体实施方式中扩张通道的平面叶栅试验件与常规平直流道叶栅试验比较的结果示意图;
图5为具体实施方式中扩张通道的平面叶栅试验件与涡轮叶片设计进行的结果示意图;
其中,6.常规平直流道叶栅设计结果;7.扩张通道平面叶栅设计结果;8.三维叶片设计结果;9.扩张流道平面叶栅设计结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
在本实施例的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明创造和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
本具体实施方式提供了一种涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,如图1所示,方法包括以下步骤:
S1、依据涡轮叶片的进口轴向速度设计值,设计平面叶栅试验件的扩张通道;
S2、依据平面叶栅试验件的扩张通道,计算平面叶栅试验件的扩张角;
S3、基于三维仿真技术,采用进口轴向速度设计值对平面叶栅试验件的扩张角进行迭代分析,对扩张角进行验证及修正;
S4、依据步骤S3中验证及修正后扩张角制备平面叶栅试验件;
S5、测试获取平面叶栅试验件的叶栅进口总压以及叶栅上端壁及下端壁的进口静压和出口静压,获取进口轴向速度及该进口轴向速度下叶栅损失特性,对平面叶栅试验件进行验证,完成平面叶栅进口轴向速度的控制。
在一些实施例中,步骤S1中依据涡轮叶片的进口轴向速度设计值,设计平面叶栅试验件的扩张通道的方法,包括:
S101、根据进口轴向速度设计值,将涡轮叶片的曲线流道替换为直线扩张流道;
S102、根据直线扩张流道设计平面叶栅试验件;
S103、计算平面叶栅试验件的通道扩张比。
进一步的,如图2所示,上述通道扩张比计算方法为:
采用平面叶栅试验件的叶栅进口直径L1,计算叶栅进口环形面积A1;
采用平面叶栅试验件的叶栅出口直径L2,计算为叶栅出口环形面积A2;
根据公式A2/A1计算通道扩张比。
在一些实施例中,如图3所示,平面叶栅试验件的扩张角θ包括上端壁扩张角θ1、下端部扩张角θ2,上端壁扩张角θ1与下端部扩张角θ2可以相同,也可以不同。
具体的,上述扩张角θ根据公式L2=L1+h1+h2;θ=θ1+θ2=arctan(h1/L)+arctan(h2/L)计算获得,其中L为平面叶栅试验件的轴向弦长,h1为上端壁进口与上端壁出口之间的水平高度差,h2为下端壁进口与下端壁出口之间的水平高度差。
以下通过进口轴向速度为0.5的涡轮叶片的设计为例,对本具体实施方式中涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法进行说明:
首先,通过涡轮叶片的进口轴向速度为0.5的设计目标,获得涡轮叶片的端壁扩张变化,得到如图3所示的进口轴向速度为0.5的涡轮叶片的扩张通道的端壁扩张变化示意图;
其次,根据图3中所示扩张通道,将曲线流道替换为平面叶栅试验件直线流道,如图4中所示的平面叶栅试验件的直线扩张通道,并获取确定平面叶栅试验件的叶栅进口直径L1、叶栅出口直径L2、平面叶栅试验件的轴向弦长L,计算上端壁的扩张角θ1和下端壁的θ2,进而计算出平面叶栅试验件的扩张角θ。
再次,采用CFD仿真技术,根据进口轴向速度设计值对平面叶栅试验件的扩张角θ进行迭代分析,对扩张角θ验证及修正;
然后,根据验证及修正后的扩张角θ,制备平面叶栅试验件,并进行试验,获取叶栅进口总压以及叶栅上端壁及下端壁的进口静压和出口静压,获取进口轴向速度及该进口轴向速度下叶栅损失特性,对平面叶栅试验件进行验证,完成平面叶栅进口轴向速度的控制。
参见图4和图5所示,图4为采用本具体实施方式中扩张通道的平面叶栅试验件与常规平直流道叶栅试验比较的结果,具体未、为常规平直流道叶栅设计结果6和扩张通道平面叶栅设计结果7。图5为扩张通道的平面叶栅试验件与真实涡轮三维叶片设计进行的结果,具体为三维叶片设计结果8和扩张流道平面叶栅设计结果9。
根据图4和图5明显可知,根据本具体实施方式提供的涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法设计的扩张通道的平面叶栅试验件能够更加有效的模拟涡轮叶片的进口条件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、依据涡轮叶片的进口轴向速度设计值,设计平面叶栅试验件的扩张通道;
S2、依据平面叶栅试验件的扩张通道,计算平面叶栅试验件的扩张角;
S3、基于三维仿真技术,采用进口轴向速度设计值对平面叶栅试验件的扩张角进行迭代分析,对扩张角进行验证及修正;
S4、依据步骤S3中验证及修正后扩张角制备平面叶栅试验件;
S5、测试获取平面叶栅试验件的叶栅进口总压以及叶栅上端壁及下端壁的进口静压和出口静压,获取进口轴向速度及该进口轴向速度下叶栅损失特性,对平面叶栅试验件进行验证,完成平面叶栅进口轴向速度的控制。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,其特征在于:步骤S1中依据涡轮叶片的进口轴向速度设计值,设计平面叶栅试验件的扩张通道的方法,包括:
S101、根据进口轴向速度设计值,将涡轮叶片的曲线流道替换为直线扩张流道;
S102、根据直线扩张流道设计平面叶栅试验件;
S103、计算平面叶栅试验件的通道扩张比。
3.根据权利要求2所述的涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,其特征在于:通道扩张比计算方法为:
采用平面叶栅试验件的叶栅进口直径L1,计算叶栅进口环形面积A1;
采用平面叶栅试验件的叶栅出口直径L2,计算为叶栅出口环形面积A2;
根据公式A2/A1计算通道扩张比。
4.根据权利要求3所述的涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,其特征在于:平面叶栅试验件的扩张角θ包括上端壁扩张角θ1、下端部扩张角θ2。
5.根据权利要求4所述的涡轮叶片平面叶栅进口轴向速度控制方法,其特征在于:扩张角θ根据公式L2=L1+h1+h2;θ=θ1+θ2=arctan(h1/L)+arctan(h2/L)计算获得,其中L为平面叶栅试验件的轴向弦长,h1为上端壁进口与上端壁出口之间的水平高度差,h2为下端壁进口与下端壁出口之间的水平高度差。
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