[发明专利]透平压缩流体机械的叶片型线优化设计方法

摘要

本发明涉及一种透平压缩流体机械的叶片型线设计方法，首先结合叶轮机械的特点，通过合理的简化，将由N－S偏微分方程控制的流动过程，简化为由常微分方程组描述的流动系统；从最优控制理论出发，建立状态方程，并将该方程归化为相应的最优控制形式；目标泛函为在给定的子午型线与叶片厚度分布条件下的具有理论上无分离的最大扩压度，并满足各种约束条件；将叶片安装出口角作为控制变量；根据得到三维空间叶片的几何造型以及描述流动系统的常微分方程组，进行迭代计算，最终得到在理论上满足表面无分离的最优降速线的叶轮叶片的型线。采用本发明优化设计的叶片型线，可使压缩流体机械具有高效、低能耗、运行安全的特点。

主权项

1.一种透平压缩流体机械的叶片型线优化设计方法，其特征在于包括如下步骤：1)设叶轮机械内部流动服从于纳维斯托克N-S方程，结合叶轮机械的特点作一些简化，包括：叶轮机械内部流动为相对定常、非等熵，忽略当地粘性力的作用以及粘性的历史积累的影响，将附面层增长、掺混、间隙泄流、二次流的影响均用熵增来估计，将由N-S方程控制的流动过程，简化为由常微分方程组描述的流动系统；2)从最优控制理论出发，建立状态方程，并将状态方程归化为相应的最优控制形式；将实际设计中因考虑变工况而给以一定安全裕度称为理论无分离，建立的目标泛函为在给定的子午型线与叶片厚度分布条件下具有理论上无分离的最大扩压度，并满足各种约束条件，包括：轮廓处吸力面速度不低于某一给定值；叶轮喉部流马赫数不大于某一给定值；攻角的绝对值不高于某一给定值；叶片上的负荷不高于某一给定值；叶轮出口流动角不低于某一给定值；最终得到存在最优解的控制方程组；3)采用直接求优技术对最优控制方程组求解，即：将轮盖处沿子午线长度的叶片安装出口角及轮盘处沿子午线长度的叶片安装角出口角作为控制变量，改变两个控制变量的分布，得到不同的目标泛函值，根据目标泛函值的偏差计算控制变量的修正量；叶轮子午流线的法线方向上的叶片角的分布根据实际要求在以下两种规律中进行选择：叶片角为线性分布的直线元素法，或者叶片角为二次或多次分布的高次元素法；由此，根据叶轮在子午流线与法线方向上的安装出口角分布规律，即可得到三维空间叶片的几何造型；4)根据得到三维空间叶片的几何造型以及描述流动系统的常微分方程组，进行计算，在计算过程中，若按流量平均的出口压力不能达到设计要求或内部流场不能满足约束，则必需修正叶轮的轮盘轮盖的子午流道形状与外径，重复计算，直至满足约束条件，最后完成叶片型线设计。