[發明專利]一種多級亞音速離心式透平葉輪的設計方法

有效

• 申請號: 201710463281.8
• 申請日: 2017-06-19
• 公開（公告）號: CN107152312B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 譚鑫;黃典貴;于登濤;狄廣強;王乃安;羅丹
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;F01D5/04;F01D9/04;G06F30/28;G06F30/10;G06F111/10
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

本發明提供了一種多級亞音速離心式透平葉輪的設計方法，包括以下步驟：步驟一，用FORTRAN語言編寫多級亞音速離心式透平一維氣動優化設計程序，根據初始設計參數，輸出最佳輪周效率對應的一維氣動設計參數和速度三角形；步驟二，根據一維氣動設計參數以及速度三角形，在ANSYS?BladeGen上，采用角度/厚度的模式，得到多級亞音速離心式透平葉輪的葉片形狀；步驟三，采用ANSYS?Geometry對葉輪葉片形狀進行參數化；步驟四，采用ANSYS?TurboGrid自動生成葉柵流道網絡；步驟五，采用ANSYS?CFX軟件對多級亞音速離心式透平的葉柵流道進行三維穩態數值模擬；以及步驟六，采用優化算法對多級亞音速離心式透平的葉型參數進行自動優化，得到初始設計參數條件下的最優葉片形狀。

技術領域

本發明涉及一種透平葉輪設計方法，具體涉及一種多級亞音速離心式透平葉輪的設計方法。

背景技術

透平是一種將工質的熱能轉換為機械能的動力機械，廣泛應用于電力、石化、航空航天、艦船、機車等領域。目前，透平主要分為軸流式透平和徑流式透平。

軸流式透平允許通過較大的流量，效率較高，通常做成多級型式，能夠滿足高膨脹比、大功率的要求，然而軸流式透平葉片因不同半徑處的旋轉線速度不同，必須采用扭曲葉片，對于長葉片，反動度和速比從根部到頂部會有很大變化，不能夠都設計或運行在最佳反動度和速比附近。

徑流式透平分為向心式透平和離心式透平兩種。向心式透平常用于汽車渦輪增壓、低溫發電、微型燃氣輪機等。但現有的向心式透平在氣動與幾何上具有不相容性，即沿著流動方向，工質不斷膨脹，比容增大，但流道的旋成面周長減小，迫使葉片沿著徑向方向高度急劇增大，葉輪結構復雜、流場復雜、制造成本高，流量小且效率低。

相比向心式透平，離心式透平氣動與幾何相容，即沿著流動方向，工質不斷膨脹，比容增大，流道的旋成面周長也增大，葉高變化緩慢甚至不變，沿著葉高方向可設計或運行在最佳速比和最佳反動度。結構上更容易設計成多級形式，能夠利用重熱獲得更高的效率，流量較向心式透平大，但是在現有技術卻沒有關于離心式透平的設計方法。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種多級亞音速離心式透平葉輪的設計方法。

本發明提供了一種多級亞音速離心式透平葉輪的設計方法，具有這樣的特征，包括：步驟一，用FORTRAN語言編寫多級亞音速離心式透平一維氣動優化設計程序，根據初始設計參數，輸出最佳輪周效率對應的一維氣動設計參數和速度三角形，初始設計參數至少包括：進氣總溫T₀*,進口總壓P₀*,出口背壓P₂，轉速n；步驟二，根據一維氣動設計參數以及速度三角形，在ANSYS-BladeGen上，采用角度/厚度的模式，利用切線角來構造中弧線并在中弧線上疊加厚度，通過調節角度和厚度來改變離心式透平葉輪的葉片形狀；步驟三，采用ANSYS-Geometry對葉輪葉片形狀參數化；步驟四，采用ANSYS-TurboGrid自動生成葉柵流道網絡；步驟五，采用ANSYS-CFX對多級亞音速離心式透平的葉柵流道進行三維穩態數值模擬；以及步驟六，采用優化算法對多級亞音速離心式透平的葉型參數進行自動優化，得到初始設計參數條件下的最優葉片形狀。

在本發明提供的多級亞音速離心式透平葉輪的設計方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟一中，用FORTRAN語言編寫了離心式透平一維氣動優化設計程序，以完全徑向出氣(α₂＝90°)為約束條件，通過調整第一級靜葉的速比使離心式透平級輪周效率最高。

在本發明提供的多級亞音速離心式透平葉輪的設計方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟一中，多級亞音速離心式透平一維氣動優化設計程序中包含物性查詢軟件Refpro9.0，工質的物性參數通過調用物性查詢軟件Refpro9.0來獲得。