[發明專利]一種大子午擴張渦輪的三維正交非定常設計方法

有效

• 申請號: 201610118673.6
• 申請日: 2016-03-03
• 公開（公告）號: CN105781626B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 高杰;鄭群;周恩東;付維亮;王付凱
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: F01D9/02
• 分類號: F01D9/02;F01D5/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種燃氣輪機渦輪的設計方法，尤其涉及一種大子午擴張渦輪的三維正交非定常設計方法。

背景技術

燃氣輪機渦輪由輪轂、機匣及其所包容的呈交錯排列的轉子和靜子構成。轉靜交錯排列導致其內部流動具有本質非定常屬性。鑒于人們對非定常流動的認識所限，一直以來，渦輪的氣動設計體系皆是基于定常流動框架。目前，渦輪葉片定常設計方法主要包括以下步驟：首先是根據總體設計要求開展一維氣動分析，主要工作為合理選取渦輪各級的無量綱設計參數以確定各級葉中截面的速度三角形等參數，進而生成渦輪子午流道形式，在此過程中可根據需要在低緯設計空間上對基本氣動和幾何參數進行合理選擇甚至充分優化；而后從二維層面出發，選取合理的扭向規律以得到渦輪級不同葉高截面的速度三角形，并通過反問題計算以得到渦輪各排關鍵氣動參數，進而按照葉片排進出口氣流角等參數進行不同葉高截面的葉柵造型，并利用S1數值模擬手段檢驗葉型設計的合理性；在此基礎上開展葉片三維的積疊，并利用S2或準三維數值模擬手段計算獲得渦輪部件的總體性能和參數分布，隨后進行初步的流動分析和診斷；在設計結果滿足要求的情況下采用全三維數值模擬對渦輪內部流場進行更為細致診斷，綜合評估渦輪的總體性能；繼而反復修改直至獲得滿意的設計結果。

在現代高性能燃氣輪機或航空發動機中，為提高渦輪效率，多級動力渦輪大都采用外端壁大擴張角流道設計。然而，按照傳統設計方法設計的大子午擴張渦輪易發生端壁流動分離，并產生較強頂部二次流。這一方面是由于傳統的葉型設計只是采用二維平面葉型或者二維柱面造型，而這種造型方法難以適應大擴張通道變化；另一方面，按照傳統設計方法設計的大子午擴張渦輪一般做成與輪轂呈直角相交，那么氣流則是以一定夾角流向葉頂端區，這也會增加葉頂端區二次流損失。

為了減小大子午擴張通道帶來的不利影響，國內外研究人員也進行了很多嘗試，比如大擴張端壁造型、寬弦葉片等，不過，這些研究還比較零散，也尚未見有關這些嘗試是否可靠有效的試驗驗證方面的報道。由于現有技術的不足，人們希望有一種可有效控制大擴張通道端區二次流動損失以及匹配的針對大子午擴張渦輪的先進設計方法。

發明內容

本發明的目的在于提供可有效降低大子午擴張通道端區損失，改善渦輪葉片列間動態匹配，而且還可明顯提高渦輪工作時的氣動穩定性的一種大子午擴張渦輪的三維正交非定常設計方法。

本發明的目的是這樣實現的：在渦輪的定常氣動設計循環的基礎上還包括如下步驟：

(1)利用已知的全三維數值模擬對大擴張端壁型線進行自動設計優化；

(2)對優化后的大擴張端壁下的通道真實三維流線進行子午面擬合，并在大擴張通道端區選取的代表性截面上進行三維S1流面葉型造型，再利用數值模擬方法進行端區流面葉型優化；

(3)對步驟(2)所得的優化后的端區三維S1流面葉型，以葉片積疊線和端區葉型的安裝角為優化變量進行大擴張通道正交葉片設計與優化，得到大擴張通道端區損失分布與其具體值；

(4)如果步驟(3)中得到的大擴張通道端區損失分布與其具體值不符合預定設計目標，則重復步驟(1)～(3)，直至步驟(3)得到的大擴張通道端區損失分布與其具體值與預定設計目標相符合；

(5)利用全三維非定常數值模擬方法對步驟(4)中得到的渦輪正交葉片的積疊線或端區葉型的安裝角進行細微調整以定制動靜葉片列間軸向間隙取值，并獲得大子午擴張渦輪動靜葉片及其總體性能，其中動靜葉片列間軸向間隙取值是指靜葉片尾緣線與動葉片前緣線之間的距離，總體性能包括效率、功率、非定常特性，在此調整過程中可同時調整動葉頂部的掠度；

(6)如果步驟(5)得到的大子午擴張渦輪總體性能不符合預定設計目標，則循環步驟(2)～(5)，直至達到預定設計目標。

本發明還包括這樣一些結構特征：

1.在步驟(2)中所選取的代表性截面是指位于大擴張端壁下的通道端區40％葉高以內，并且至少包括三個截面。

2.通過將步驟(2)中所選取的S1流面為圓錐面，并在圓錐面上定義和優化葉型，并基于已知的真實S1流面葉型進行流管計算進行性能校核。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明在充分考慮渦輪流場三維性的基礎上，通過在三維S1流面上進行葉型造型，并結合正交葉片設計，重新組織了端區復雜流動，從而有效降低了端區損失；并且基于尾跡恢復效應，通過定制軸向間隙，進一步提高了渦輪效率，并且改善了動靜葉片列間動態匹配，從而也明顯提高了渦輪工作時的氣動穩定性。

附圖說明