[发明专利]一种多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法

说明书

本发明提供了一种多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法，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，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；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，得到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，采用优化算法对多级亚音速离心式透平的叶型参数进行自动优化，得到初始设计参数条件下的最优叶片形状。

技术领域

本发明涉及一种透平叶轮设计方法，具体涉及一种多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法。

背景技术

透平是一种将工质的热能转换为机械能的动力机械，广泛应用于电力、石化、航空航天、舰船、机车等领域。目前，透平主要分为轴流式透平和径流式透平。

轴流式透平允许通过较大的流量，效率较高，通常做成多级型式，能够满足高膨胀比、大功率的要求，然而轴流式透平叶片因不同半径处的旋转线速度不同，必须采用扭曲叶片，对于长叶片，反动度和速比从根部到顶部会有很大变化，不能够都设计或运行在最佳反动度和速比附近。

径流式透平分为向心式透平和离心式透平两种。向心式透平常用于汽车涡轮增压、低温发电、微型燃气轮机等。但现有的向心式透平在气动与几何上具有不相容性，即沿着流动方向，工质不断膨胀，比容增大，但流道的旋成面周长减小，迫使叶片沿着径向方向高度急剧增大，叶轮结构复杂、流场复杂、制造成本高，流量小且效率低。

相比向心式透平，离心式透平气动与几何相容，即沿着流动方向，工质不断膨胀，比容增大，流道的旋成面周长也增大，叶高变化缓慢甚至不变，沿着叶高方向可设计或运行在最佳速比和最佳反动度。结构上更容易设计成多级形式，能够利用重热获得更高的效率，流量较向心式透平大，但是在现有技术却没有关于离心式透平的设计方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法。

本发明提供了一种多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法，具有这样的特征，包括：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，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；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，通过调节角度和厚度来改变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，采用优化算法对多级亚音速离心式透平的叶型参数进行自动优化，得到初始设计参数条件下的最优叶片形状。

在本发明提供的多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤一中，用FORTRAN语言编写了离心式透平一维气动优化设计程序，以完全径向出气(α₂＝90°)为约束条件，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。

在本发明提供的多级亚音速离心式透平叶轮的设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤一中，多级亚音速离心式透平一维气动优化设计程序中包含物性查询软件Refpro9.0，工质的物性参数通过调用物性查询软件Refpro9.0来获得。