[发明专利]一种多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法

权利要求书

1.一种多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，用FORTRAN语言编写多级亚音速离心式透平一维气动优化设计程序，根据初始设计参数，采用完全径向出气为约束条件的一维气动设计方法，通过调整第一级静叶的速比使离心式透平级轮周效率最高，输出最佳轮周效率对应的一维气动设计参数和速度三角形，初始设计参数至少包括：进气总温T₀*,进口总压P₀*,出口背压P₂，转速n；

所述一维气动优化设计程序主要包括以下步骤：

步骤S1-1：已知进口总温总压出口压力p_N、流量G₀、级数N、转速n、径比b、静叶速度系数动叶速度系数ψ、喷嘴α₁；

通过调用物性参数查询软件Refpro9.0来获取工质相关物性，如由进口总温总压可得到进口总熵s₀，总焓

给定第一级静叶速比x₁＝u₁/c_1s，x₁＝0.1～1.0，Δx＝0.02，

然后进入步骤S1-2；

步骤S1-2：假设第一级喷嘴出口等熵焓降为Δh_1,1s，然后进入步骤S1-3；

步骤S1-3：计算第一级静叶参数：

p_1,1＝f(s₀,Δh_1,1s) (4)

s_1,1,ρ_1,1＝f(h_1,1,P_1,1) (7)

然后进入步骤S1-4；

步骤S1-4：假设第一级动叶出口密度为ρ_1,2，然后进入步骤S1-5；

步骤S1-5：计算第一级动叶参数：

D_1,2in＝D_1,1out+2δ (11)

D_1,2out＝bD_1,2in (15)

h_1,2s＝h_1,1-Δh_2s (18)

α₂＝90°,

s_1,2s＝s_1,1＝f(P_1，1,T_1，1) (23)

P_1,2＝f(s_1,2s,h_1,2s) (24)

s_1,2,ρ'_1,2＝f(P_1,2,h_1,2) (25)

然后进入步骤S1-6；

步骤S1-6：判断ρ_1,2与ρ'_1,2的差值的绝对值是否小于1×10^-6，当判断为否时，进入步骤S1-7，判断为是时，进入步骤S1-8；

步骤S1-7：假设第一级动叶出口密度ρ_1,2与计算得到的ρ'_1,2相等，即：

ρ_1,2＝ρ'_1,2 (26)

然后进入步骤S1-5；

步骤S1-8：计算轮周效率η，比较不同速比下的轮周效率η，找到最佳速比x₁及其他相应参数，由前一级出口h_K-1,2,c_K-1,2得到第K级喷嘴前滞止焓K为2,3,4...，

h_1,2s’＝f(s₀,p_1,2) (27)

然后进入步骤S1-9；

步骤S1-9：假设第K级静叶出口密度为ρ_K,1，然后进入步骤S1-10；

步骤S1-10：计算第K级静叶参数:

p_K,1＝f(s_K-1,2,h_K,1s) (32)

ρ'_k,1,s_k,1＝f(p_K,1,h_K,1) (35)

然后进入步骤S1-11；

步骤S1-11：判断ρ_K,1与ρ'_K,1的差值的绝对值是否小于1×10^-6，当判断为否时，进入步骤S1-12，判断为是时，进入步骤S1-13；

步骤S1-12：假设第K级静叶出口密度为ρ_K,1与计算得到的ρ'_K,1相等，

ρ_K,1＝ρ'_K,1 (36)

然后进入步骤S1-10；

步骤S1-13：假设第K级动叶出口密度ρ_K,2，然后进入步骤S1-14；

步骤S1-14：计算第K级动叶参数,计算方法与第一级动叶参数一样，然后进入步骤S1-15；

步骤S1-15：判断ρ_K,2与ρ'_K,2的差值的绝对值是否小于1×10^-6，当判断为否时，进入步骤S1-16，判断为是时，然后进入步骤S1-17；

步骤S1-16：假设第K级动叶出口密度为ρ_K,2与计算得到的ρ'_K,2相等，

ρ_K,2＝ρ'_K,2 (37)

然后进入步骤S1-14；

步骤S1-17：计算第N级静、动叶参数，同第K级，重复步骤S1-8～S1-15，然后进入步骤S1-18；

步骤S1-18：判断P_N,2与P'_N,2的差值的绝对值是否小于1×10^-6，当判断为否时，进入步骤S1-2，判断为是时，进入结束状态；

当判断为否时，进入步骤S1-2，对第一级喷嘴出口的等熵焓降Δh_1,1s进行重新设定，重新设定值为Δh'_1,1s：

步骤二，根据一维气动设计参数以及速度三角形，在ANSYS-BladeGen上，采用角度/厚度的模式，利用切线角来构造中弧线并在中弧线上叠加厚度，通过调节角度以及厚度来改变多级亚音速离心式透平叶轮的叶片形状；

步骤三，采用ANSYS-Geometry对叶轮叶片形状进行参数化；

步骤四，采用ANSYS-TurboGrid自动生成叶栅流道网络；

步骤五，采用ANSYS-CFX软件对多级亚音速离心式透平的叶栅流道进行三维稳态数值模拟；以及

步骤六，采用Ansys-Design Exploration优化算法对所述多级亚音速离心式透平的叶型参数进行自动优化，得到目的参数的条件下的所述多级亚音速离心式透平叶轮的最优叶片形状。