[发明专利]一种叶轮机转子叶片从热态到冷态的叶型转换方法

说明书

本发明涉及一种叶轮机转子的叶型转换方法，特别涉及一种叶轮机转子叶片从热态到冷态的叶型转换方法。所述的方法在已知叶轮机转子叶片热态叶型的前提下，基于有限元逆向迭代的叶型转换方法，获取叶片的冷态叶型。所述的方法提高了计算精度，并且节省了人力，提高了效率。

技术领域

本发明涉及一种叶轮机转子的叶型转换方法，特别涉及一种叶轮机转子叶片从热态到冷态的叶型转换方法。

背景技术

当前叶轮机转子叶片设计中，经常需要在热态和冷态两种叶型之间进行转换。所谓冷态叶型，即工程图上给出的机械加工叶型，提供给叶片制造加工方和结构强度振动分析人员；而热态叶型指的是气动设计人员在压气机设计阶段给出的工作状态叶型，即高速旋转的柔性叶片在离心载荷、表面气动载荷和温度载荷的多重作用下形成的变形后的叶型。由于叶轮机转子叶片的冷态和热态叶型之间差别较大，存在弹性恢复角、径向拉伸、轴向偏移和周向挠度，因此作为叶轮机完整设计链中必不可少的一环，热态和冷态叶型之间的转换精度尤其需要得到设计者的重视。当前主流方法是采用近似线性化方法处理叶型从热态到冷态的转换问题，这种方法将叶片冷热态之间的变形视为完全线性过程，通过对热态叶型实施强度分析获得近似的变形，再将近似得到的变形从热态叶型中减去来获得冷态叶型。现有的方法至少存在以下三个缺点：

首先，现有方法无法考虑叶片的非线性作用，这对于过去刚性较强的压气机叶片是没有问题的，但对于新型的高负荷高性能叶片而言，其气动载荷更高而刚性更差，不能忽视由几何非线性导致的叶片大变形。因此，压气机尤其是低压压气机叶片的变形应视为非线性，不适宜进行简单的线性化处理。

其次，现有方法通过试探获得了“伪”冷态叶片，使用“伪”冷态叶片变形而获得的最终热态叶片方案与初始的气动方案存在一定差别，导致最终方案无法完全忠实于设计者的原始设计思路。

最后，现有方法的操作流程繁琐，需要多次在气动设计和结构设计间反复修正，必须进行大量的人工干预，实施效率较低。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服常规的从热态到冷态的叶型转换方法的不足，提供一种基于有限元逆向迭代的叶型转换方法，以准确获得叶片的冷态叶型，使工厂根据本方法提供的冷态叶型加工得到的叶片在投入实际使用时，其工作状态的热态叶型能够与气动设计人员给定的原始气动热态叶型一致，从而保证实际叶片能够忠实于设计者的意图。

本发明的技术方案为：所述的方法在已知叶轮机转子叶片热态叶型的前提下，基于有限元逆向迭代的叶型转换方法，获取叶片的冷态叶型。

作为本技术方案的一种改进，所述的方法包括如下步骤：

步骤一，获取叶片热态叶型坐标，并计算叶片的容差ε1、ε2和ε3；

步骤二，由流体计算软件对热态叶型进行三维计算流体动力学分析，获得叶片表面静压；

步骤三，将叶片热态叶型的流体网格和叶片表面静压转化为叶片热态叶型的结构网格上的气动力；

步骤四，由已知的热态叶型坐标和气动力，将叶片热态叶型结构网格转化为叶片冷态叶型的结构网格；

步骤五：将叶片由热态叶型坐标到模拟热态叶型坐标的有限元网格的变形，通过三维贴体插值得到模拟热态叶型的流体网格；

步骤六：由流体计算软件对所获得的模拟热态叶型的流体网格进行三维计算流体动力学分析；

步骤七：如果步骤六和步骤二两次流体动力学分析获得的压气机特性间的差异不满足容差，则用模拟热态叶型坐标代替热态叶型坐标，回到步骤三，否则计算结束，此时得到的叶片冷态叶型的结构网格即为所需要求的叶轮机转子叶片的冷态叶型的坐标。

作为本技术方案的一种改进，通过三维贴体插值，将叶片热态叶型的流体网格和叶片表面静压转化为叶片热态叶型的结构网格上的气动力。