[发明专利]基于旋流角反方法的涡轮过渡流道一体化整流支板设计方法

摘要

本发明提供了一种基于旋流角反方法的涡轮过渡流道一体化整流支板设计方法，采用三维叶型设计方法对一体化支板进行初始设计，以任意展向截面支板通道为基础，对封闭控制体应用动量矩守恒方程，得到满足预先给定的出口旋流角的一体化支板表面目标载荷，并进一步基于中弧面反问题计算方法进行支板几何更新，本发明对E3发动机Build1涡轮过渡流道实施一体化整流支板设计，在保证设计点气动性能基本不变的前提下，带一体化支板的涡轮过渡流道出口流场参数分布与原型涡轮过渡流道低压导叶出口流场参数基本一致，主要是出口马赫数以及出口旋流角分布基本一致。

主权项

1.一种基于旋流角反方法的涡轮过渡流道一体化整流支板设计方法方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：首先采用三维叶型设计方法对一体化支板进行初始设计，即选定若干设计截面，在每一个设计截面进行设计与造型，最终通过积叠得到一体化支板的三维几何，初始设计需保证设计前后过渡流道流量误差小于0.1％，将原型流道低压涡轮导叶出口旋流角分布作为预先给定的目标旋流角分布，基于旋流角反方法对初始设计的一体化支板实施改型设计，以期使得带一体化支板的涡轮过渡流道出口旋流角分布满足预先给定的目标旋流角分布；一体化支板表面任一网格单元i所受合力表示为：其中，F_i是表面任一网格单元i所受合力，和分别表示第i个网格单元支板上、下表面静压值，Δp_i表示第i个网格单元的压力载荷，A_i表示第i个网格单元的面积；步骤2：以任意展向截面支板通道为基础，连接相邻支板叶型前缘与尾缘建立封闭控制体，对封闭控制体应用动量矩守恒方程，得到如下关系式：其中，ri为网格单元i所在半径，r1为进口半径，r2为出口半径，M为通道的流量，Cθ1为进口绝对速度的切向分量，Cθ2为出口绝对速度的切向分量，下标θ表示切向分量，公式(2)右边项简化为如下关系式：其中，Aθi表示第i个网格单元的面积的切向分量，由式(1)和式(2)可得支板出口切向速度的表达式如下：式(4)即为所建立的一体化支板出口切向速度与支板表面载荷关系式；步骤3：首先假设反问题计算已经收敛，以任意截面支板通道控制体为研究对象，反问题计算过程中与计算收敛时的动量矩方程表示为：其中，表示满足预先给定旋流角的一体化支板所对应载荷，表示满足预先给定旋流角的一体化支板所对应的出口切向速度，将式(5)和式(6)相减，可得：步骤4：对支板表面任意网格节点，令κ为支板载荷调整系数，由式(7)可得κ的表达式如下：其中，α^spec和α分别表示预先给定的出口旋流角与反问题计算过程中实际出口旋流角，反问题计算过程中，由式(8)计算载荷调整系数κ，进而得到满足预先给定的出口旋流角的一体化支板表面目标载荷并进一步基于中弧面反问题计算方法进行支板几何更新，更新步骤如下：在中弧面反问题计算过程中，虚拟移动速度采用如下公式计算得到：其中，vn表示中弧面法向虚拟移动速度，上标“+”和“‑”分别表示支板叶型上表面和下表面，下标“n”表示法向分量，下标“new”表示更新后的值，Δps表示目标载荷，c、ρ、p分别表示反问题计算过程中流场的声速、密度和静压，将支板中弧面法向虚拟移动速度乘以一个虚拟时间步长，得到叶片中弧面虚拟位移，即：Δs＝Δt·vn  (10)其中，式中Δs为中弧面虚拟位移，Δt为虚拟时间步长，以壁面网格的第一层的当地时间步长作为虚拟时间步长，中弧面更新后将原始叶型厚度分布叠加到更新后的中弧面上，即可得到更新后的支板叶型几何；当计算得到的支板出口旋流角分布满足预先给定的旋流角分布时，κ＝1，即目标载荷与实际计算载荷相等，支板几何停止更新，最终得到的支板几何即为满足给定出口旋流角的支板几何。