一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法与流程

1.本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是压气机设计方法。


背景技术：

2.压气机作为燃气轮机的三大核心部件之一，其性能优劣对燃气轮机的技术性指标实现起着决定性的作用。随着燃气轮机的性能指标的不断提升，对于压气机通流能力、压比、效率以及喘振裕度的要求也在日益发展。时至今日，更高的压比、更高的效率和更大的喘振裕度已经成为压气机设计的核心所在。这就需要不断提高压气机的气动设计水平，研究先进的压气机气动设计技术，以满足燃气轮机发展对压气机气动性能提出的需求。
3.压气机气动设计的本质就是将燃气轮机对压气机的气动性能需求转换成压气机通流几何造型的过程。而叶片的几何造型设计则是这个过程中最重要的关键环节之一。随着对压气机内部流动认识的不断深入，压气机的叶片设计技术也在快速发展。目前，越来越多的技术手段已经被应用到压气机的叶片造型设计当中，叶片造型也从早期的二维设计步入如今的三维设计阶段。其中，实现叶片端区流动的高效控制更是未来压气机叶片三维造型设计的重中之重。为此，必须探索和发展基于端区流动控制思想的压气机叶片三维设计技术，有效推动压气机气动性能的提升与进步，为加快促进压气机自主可控设计体系的建立与完善提供坚实的技术基础。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供解决轴流压气机气动设计中的叶片端区流动控制问题的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，其特征是：
7.(1)静叶沿径总压损失设计：在s2反问题通流设计中，给定静叶片沿径向的总压损失分布，通过采用流线曲率法进行轴流压气机典型s2流面的反问题求解，获得压气机各级动、静叶片的沿径气动参数分布结果；
8.(2)静叶片造型设计：基于设计对象静叶片的沿径气动参数分布结果，给定静叶片沿径向的初始进口攻角分布，并给定静叶片的积叠方式以及叶片积叠线的端区弯角、弯高，完成叶片造型；
9.(3)压气机三维cfd计算分析：通过三维cfd计算，获得压气机在设计点以及重点关注工况下的内部流场状态，并根据具体分析结果，对步骤(1)、(2)中需要调整的给定参数进行修正；通过以上步骤的反复迭代，获得能够有效控制端区流动的最终叶片造型方案。
10.本发明还可以包括：
11.1、步骤(1)中所述的给定静叶片沿径向的总压损失分布，是在s2反问题通流设计中给定静叶片总压恢复系数沿径向的分布情况。
12.2、步骤(2)中所述的给定静叶片的积叠方式，采用重心积叠方式。
13.3、步骤(2)中所述的叶片积叠线，采用如下形式：叶片两侧端区采用bezier曲线，中部区域采用直线，并光滑连续过渡，即bezier曲线 直线 bezier曲线的方式。
14.4、步骤(2)中所述的端区弯角、弯高，采用如下定义：
15.在子午面法向方向上：
16.弯角：叶片积叠线中bezier曲线区域在起始点切线与径向的夹角；
17.弯高：叶片积叠线中bezier曲线区域的起始点到bezier曲线与直线段连接点之间的径向距离。
18.5、步骤(3)中所述的对步骤(1)、(2)中需要调整的给定参数进行修正，包括：提取静叶片总压恢复系数沿径分布结果，修正静叶片沿径总压损失分布；提取静叶片进口气流角沿径分布结果，修正静叶片沿径进口攻角分布；提取静叶片静压沿径分布结果，结合总压恢复系数沿径分布结果，修正端区弯角、弯高。
19.本发明的优势在于：
20.1、本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，充分考虑了轴流压气机在多级环境下静叶片叶栅槽道内部流动的端区损失与攻角匹配，从而实现了对压气机静叶片端区流动的高效控制，有效提高了压气机的气动性能。
21.2、本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，实现了叶片端区流动控制技术的定制化与参数化，能够直接集成至现有的压气机气动设计体系中，可有效提升设计精度，缩短设计周期。
22.3、本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，不仅局限于燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。
附图说明
23.图1为本发明的流程图；
24.图2为叶片积叠线主要控制参数定义示意图；
25.图3为本发明的轴流压气机端部弯曲静叶片造型效果示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
27.结合图1
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3，参照图1所示，一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
28.步骤一：静叶沿径总压损失设计。在s2反问题通流设计中，给定静叶片沿径向的总压损失分布，通过采用流线曲率法进行轴流压气机典型s2流面的反问题求解，获得压气机各级动、静叶片的沿径气动参数分布结果。
29.静叶片沿径向的总压损失分布通常给定总压恢复系数沿径向的分布情况。由于叶片两侧端区附面层的影响，在给定总压恢复系数沿径向分布时，从主流区至两侧端区应逐渐减小，形成弓形分布曲线，从而充分考虑叶片端区损失的影响，形成基于端区损失的端部弯曲叶片效果。
30.步骤二：静叶片造型设计。基于设计对象静叶片的沿径气动参数分布结果，给定静
叶片沿径向的初始进口攻角分布，并给定静叶片的积叠方式以及叶片积叠线的端区弯角、弯高，完成叶片造型。
31.静叶片的积叠方式通常采用重心积叠。
32.叶片积叠线采用如下形式：叶片两侧端区采用bezier曲线，中部区域采用直线，并保证光滑连续过渡，即bezier曲线 直线 bezier曲线的方式。
33.叶片积叠线主要控制参数定义如图2所示，具体如下：
34.在子午面法向方向上：
35.弯角α1、α2：叶片积叠线中bezier曲线区域在起始点(即积叠线两侧端点)切线与径向的夹角，用于控制端部几何弯曲角度；
36.弯高c1、c2：叶片积叠线中bezier曲线区域的起始点到bezier曲线与直线段连接点之间的径向距离，用于控制端部几何弯曲高度；
37.半弯高b1、b2：叶片积叠线中bezier曲线区域的起始点到bezier曲线中部控制点之间的径向距离，用于控制bezier曲线的曲率分布。
38.基于以上控制参数，可以对静叶片在子午面法向平面上的沿径压力梯度进行有效控制。
39.步骤三：压气机三维cfd计算分析。通过三维cfd计算，获得压气机在设计点等重点关注工况下的内部流场状态，并根据具体分析结果，对步骤一、二中需要调整的给定参数进行修正。包括静叶片沿径总压损失分布的修正、沿径进口攻角分布的修正和端区弯角、弯高的修正。主要修正方法如下：
40.针对典型工况点三维cfd计算结果：
41.提取静叶片总压恢复系数沿径分布结果，修正静叶片沿径总压损失分布；
42.提取静叶片进口气流角沿径分布结果，修正静叶片沿径进口攻角分布；
43.提取静叶片静压沿径分布结果，结合总压恢复系数沿径分布结果，修正端区弯角α1、α2，弯高c1、c2以及半弯高b1、b2。
44.通过以上各环节工作的反复迭代，获得能够有效控制端区流动的最终叶片造型方案。图3为采用以上方法设计出的端部弯曲静叶片造型效果示意图。
45.本发明提出的轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，不仅局限于燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。