[发明专利]一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机涡轮的设计方法，尤其涉及一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法。

背景技术

燃气轮机涡轮由轮毂、机匣及其所包容的呈交错排列的转子和静子构成。转静交错排列导致其内部流动具有本质非定常属性。鉴于人们对非定常流动的认识所限，一直以来，涡轮的气动设计体系皆是基于定常流动框架。目前，涡轮叶片定常设计方法主要包括以下步骤：首先是根据总体设计要求开展一维气动分析，主要工作为合理选取涡轮各级的无量纲设计参数以确定各级叶中截面的速度三角形等参数，进而生成涡轮子午流道形式，在此过程中可根据需要在低纬设计空间上对基本气动和几何参数进行合理选择甚至充分优化；而后从二维层面出发，选取合理的扭向规律以得到涡轮级不同叶高截面的速度三角形，并通过反问题计算以得到涡轮各排关键气动参数，进而按照叶片排进出口气流角等参数进行不同叶高截面的叶栅造型，并利用S1数值模拟手段检验叶型设计的合理性；在此基础上开展叶片三维的积叠，并利用S2或准三维数值模拟手段计算获得涡轮部件的总体性能和参数分布，随后进行初步的流动分析和诊断；在设计结果满足要求的情况下采用全三维数值模拟对涡轮内部流场进行更为细致诊断，综合评估涡轮的总体性能；继而反复修改直至获得满意的设计结果。

在现代高性能燃气轮机或航空发动机中，为提高涡轮效率，多级动力涡轮大都采用外端壁大扩张角流道设计。然而，按照传统设计方法设计的大子午扩张涡轮易发生端壁流动分离，并产生较强顶部二次流。这一方面是由于传统的叶型设计只是采用二维平面叶型或者二维柱面造型，而这种造型方法难以适应大扩张通道变化；另一方面，按照传统设计方法设计的大子午扩张涡轮一般做成与轮毂呈直角相交，那么气流则是以一定夹角流向叶顶端区，这也会增加叶顶端区二次流损失。

为了减小大子午扩张通道带来的不利影响，国内外研究人员也进行了很多尝试，比如大扩张端壁造型、宽弦叶片等，不过，这些研究还比较零散，也尚未见有关这些尝试是否可靠有效的试验验证方面的报道。由于现有技术的不足，人们希望有一种可有效控制大扩张通道端区二次流动损失以及匹配的针对大子午扩张涡轮的先进设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供可有效降低大子午扩张通道端区损失，改善涡轮叶片列间动态匹配，而且还可明显提高涡轮工作时的气动稳定性的一种大子午扩张涡轮的三维正交非定常设计方法。

本发明的目的是这样实现的：在涡轮的定常气动设计循环的基础上还包括如下步骤：

(1)利用已知的全三维数值模拟对大扩张端壁型线进行自动设计优化；

(2)对优化后的大扩张端壁下的通道真实三维流线进行子午面拟合，并在大扩张通道端区选取的代表性截面上进行三维S1流面叶型造型，再利用数值模拟方法进行端区流面叶型优化；

(3)对步骤(2)所得的优化后的端区三维S1流面叶型，以叶片积叠线和端区叶型的安装角为优化变量进行大扩张通道正交叶片设计与优化，得到大扩张通道端区损失分布与其具体值；

(4)如果步骤(3)中得到的大扩张通道端区损失分布与其具体值不符合预定设计目标，则重复步骤(1)～(3)，直至步骤(3)得到的大扩张通道端区损失分布与其具体值与预定设计目标相符合；

(5)利用全三维非定常数值模拟方法对步骤(4)中得到的涡轮正交叶片的积叠线或端区叶型的安装角进行细微调整以定制动静叶片列间轴向间隙取值，并获得大子午扩张涡轮动静叶片及其总体性能，其中动静叶片列间轴向间隙取值是指静叶片尾缘线与动叶片前缘线之间的距离，总体性能包括效率、功率、非定常特性，在此调整过程中可同时调整动叶顶部的掠度；

(6)如果步骤(5)得到的大子午扩张涡轮总体性能不符合预定设计目标，则循环步骤(2)～(5)，直至达到预定设计目标。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.在步骤(2)中所选取的代表性截面是指位于大扩张端壁下的通道端区40％叶高以内，并且至少包括三个截面。

2.通过将步骤(2)中所选取的S1流面为圆锥面，并在圆锥面上定义和优化叶型，并基于已知的真实S1流面叶型进行流管计算进行性能校核。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在充分考虑涡轮流场三维性的基础上，通过在三维S1流面上进行叶型造型，并结合正交叶片设计，重新组织了端区复杂流动，从而有效降低了端区损失；并且基于尾迹恢复效应，通过定制轴向间隙，进一步提高了涡轮效率，并且改善了动静叶片列间动态匹配，从而也明显提高了涡轮工作时的气动稳定性。

附图说明