一种导叶叶片的出口金属角确定方法、确定装置与流程

1.本公开属于内流流体力学技术领域，具体涉及一种导叶叶片的出口金属角确定方法、自由涡轮及发动机。


背景技术：

2.对于涡桨发动机来说，涡轮部件是压气机增压动力以及螺旋桨推力的重要来源，涡轮部件的气动设计极大地影响了整台涡桨发动机的气动性能。
3.涡桨发动机由于其结构的特殊性，其燃气涡轮与自由涡轮的输出功率应分别满足压气机的增压要求和螺旋桨的推力要求。现有技术中，调节涡轮级间功率的方法是通过调节自由涡轮导叶安装角来实现的，然而，在调节自由涡轮导叶安装角的过程中，自由涡轮内部会产生较为严重的气动损失，即相当于牺牲一定的涡轮气动效率来换取较好的涡轮级间功率匹配效果。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本公开通过燃气涡轮和所述自由涡轮的功率匹配关系最终调节出导叶叶片合适的出口金属角，调节出的自由涡轮导叶可以在保持整级涡轮输出功率的前提下有效实现燃气涡轮与自由涡轮的输出功率匹配设计。
5.第一方面，本公开提供一种导叶叶片的出口金属角确定方法，用于具有燃气涡轮和自由涡轮的动力设备，所述自由涡轮具有所述导叶叶片，所述方法包括：
6.基于所述燃气涡轮和所述自由涡轮的功率匹配关系，确定所述自由涡轮的目标功率系数；
7.基于所述自由涡轮的目标功率系数确定所述导叶叶片的出口金属角。
8.可选地，所述基于所述自由涡轮的目标功率系数确定所述导叶叶片的出口金属角,包括：
9.当所述导叶叶片出口金属角与所述自由涡轮的目标功率系数匹配时，确定所述导叶叶片的出口金属角；
10.当所述导叶叶片出口金属角与所述自由涡轮的目标功率系数不匹配时，对所述导叶叶片出口金属角进行调控。
11.可选地，当所述自由涡轮的实际功率系数大于所述自由涡轮的目标功率系数，所述导叶叶片调控前的出口金属角大于所述导叶叶片调控后的出口金属角。
12.可选地，当所述自由涡轮的实际功率系数小于所述自由涡轮的目标功率系数，所述导叶叶片调控前的出口金属角小于所述导叶叶片调控后的出口金属角。
13.可选地，所述对所述导叶叶片出口金属角进行调控，包括：
14.利用所述导叶叶片的积叠线对导叶出口金属角的调控。
15.可选地，所述导叶叶片的参数包括中弧线、所述中弧线对应的厚度分布和积叠线；
16.导叶叶片的积叠线采用曲线和/或直线进行参数化拟合。
17.可选地，所述基于所述自由涡轮的目标功率系数确定所述导叶叶片的出口金属角前，所述方法还包括：
18.基于所述导叶叶片确定沿着所述导叶叶片的沿展方向分布的多个基元叶型截面，
19.基于每个所述导叶叶片基元叶型截面确定所述基元叶型的中弧线和沿着所述中弧线的厚度分布；
20.基于多个所述基元叶型的中弧线和厚度分布对所述导叶叶片进行参数化处理。
21.可选地，所述导叶叶片的积叠线、所述基元叶型的中弧线和厚度分布采用贝塞尔曲线进行参数化。
22.可选地，所述导叶叶片在调控所述导叶叶片的出口金属角前后的进口金属角相同。
23.第二方面，本公开还提供一种导叶叶片的出口金属角确定装置，包括：
24.第一确定模块，被配置为基于所述燃气涡轮和所述自由涡轮的功率匹配关系，确定所述自由涡轮的目标功率系数；
25.与所述第一确定模块连接的第二确定模块，被配置为基于所述自由涡轮的目标功率系数确定所述导叶叶片的出口金属角
26.本公开提供的一个或多个技术方案，基于所述涡桨发动机和所述自由涡轮的功率匹配关系，确定所述自由涡轮的目标功率系数的基础上，通过基于所述自由涡轮的目标功率系数确定所述导叶叶片的出口金属角，以改变自由涡轮内部通流流量和出口流场形态，从而调节自由涡轮和燃气涡轮的输出功率。同时，调控自由涡轮出口金属角的方法相比于传统的调节安装角的方案可以避免自由涡轮内部流动损失大幅提升，从而可以在保持整级涡轮气动效率的情况下实现燃气涡轮与自由涡轮输出功率的高效匹配。
附图说明
27.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
28.图1是根据本公开的一些实施例的涡轮功率随自由涡轮导叶出口金属角的变化图；
29.图2是根据本公开一些实施例的自由涡轮导叶出口角的调节示意图；
30.图3是根据本公开一些实施例的贝塞尔曲线参数化的方法示意图；
31.图4是根据本公开一些实施例的调节出口金属角后叶型角度的调节示意图；
32.图5是根据本公开一些实施例的涡轮气动效率的影响的对比图；
33.图6是根据本公开一些实施例的导叶叶片的出口金属角确定装置的结构示意图；
具体实施方式
34.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可
以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
36.为了分析自由涡轮导叶通流能力对涡轮级间功率匹配的影响，如图1所示，对比了不同的自由涡轮(power turbine)导叶出口金属角下整级涡轮的总功率以及燃气涡轮与自由涡轮输出功率的变化趋势。整级涡轮总输出功率几乎不随自由涡轮导叶出口金属角的改变而发生变化，而燃气涡轮(gas turbine)输出功率随自由涡轮导叶出口金属角增大而减小，自由涡轮输出功率则随着自由涡轮导叶出口金属角增大而增大，因此，通过调节自由涡轮导叶出口金属角可以在保持整级涡轮输出功率的前提下有效实现燃气涡轮与自由涡轮的输出功率匹配设计。
37.基于以上分析，本公开实施例提供导叶叶片的出口金属角确定方法，保持导叶进口金属角不变和叶片前缘到尾缘的参考长度不变，调整出口金属角的同时叶型安装角也在联动调整，从而实现导叶喉道面积也就是流通面积的改变，调节导叶出口角为主，随动调节叶型安装角为辅，即实现了对涡轮部件通流能力的调节，同时，这种调控方式相比于传统的调节自由涡轮导叶安装角的方式能有效降低自由涡轮内部由于调控所造成的额外气动损失。
38.参阅图2所示，本公开示例性实施例提供的一种导叶叶片的出口金属角确定方法，出口金属角确定方法用于具有燃气涡轮和自由涡轮的动力设备，所述自由涡轮具有所述导叶叶片，包括：
39.步骤s100：基于所述燃气涡轮和所述自由涡轮的功率匹配关系，确定所述自由涡轮的目标功率系数；燃气涡轮与自由涡轮的输出功率应分别满足压气机的增压要求和螺旋桨的推力要求，在满足上述要求的情况下能够获得功率匹配关系，该功率匹配关系也可以是根据燃气涡轮和自由涡轮的工况根据经验预设的匹配关系。一般情况下，功率匹配后，要求自由涡轮功率系数和燃气涡轮功率系数大体能够平均分配系统的总输出功率。如自由涡轮的目标功率系数可能是占总输出功率的0.5、0.49、0.48等。
40.步骤s200：基于所述自由涡轮的目标功率系数确定所述导叶叶片的出口金属角；如图1所示，对比了不同的自由涡轮导叶出口金属角下整级涡轮的总功率以及燃气涡轮与自由涡轮输出功率的变化趋势。整级涡轮总输出功率几乎不随自由涡轮导叶出口金属角的改变而发生变化，而燃气涡轮输出功率随自由涡轮导叶出口金属角增大而减小，自由涡轮输出功率则随着自由涡轮导叶出口金属角增大而增大，因此，通过调节自由涡轮导叶出口金属角可以在保持整级涡轮输出功率的前提下有效实现燃气涡轮与自由涡轮的输出功率匹配设计。在确定自由涡轮的目标功率系数后，可以以自由涡轮的目标功率系数为目标，调整导叶叶片的出口金属角，直至获得满足燃气涡轮和所述自由涡轮的功率匹配关系的出口金属角。
41.为了分析调整导叶叶片的出口金属角对涡轮级间功率匹配的影响，如图1所示，对比了不同的自由涡轮导叶出口金属角下整级涡轮的总功率以及燃气涡轮与自由涡轮输出功率的变化趋势。整级涡轮总输出功率几乎不随自由涡轮导叶出口金属角的改变而发生变化，而燃气涡轮输出功率随自由涡轮导叶出口金属角增大而减小，自由涡轮输出功率则随着自由涡轮导叶出口金属角增大而增大，因此，通过调节自由涡轮导叶出口金属角可以在保持整级涡轮输出功率的前提下有效实现燃气涡轮与自由涡轮的输出功率匹配。
42.在一种可能的实现方式中，上述步骤s200中,出口金属角具体确定方法包括：
43.当所述导叶叶片出口金属角与所述自由涡轮的目标功率系数不匹配时，对所述导叶叶片出口金属角进行调控；以此方法调控出口金属角直至出口金属角与所述自由涡轮的目标功率系数匹配，调控方法可以通过计算机模拟调控的方法，运算速度快。
44.通过多次调控导叶叶片出口金属角，直到当所述导叶叶片出口金属角与所述自由涡轮的目标功率系数匹配时，确定所述导叶叶片的出口金属角；从而实现获得最优的出口金属角。
45.参阅图1，根据涡轮功率随自由涡轮导叶出口金属角的变化图，步骤s200中，具体对出口金属角进行调控的方式是，当所述自由涡轮的实际功率系数小于所述自由涡轮的目标功率系数，所述导叶叶片调控前的出口金属角小于所述导叶叶片调控后的出口金属角，为了增大自由涡轮功率系数，增大导叶叶片出口金属角，后重新计算自由涡轮功率系数，再判断是否匹配；当所述自由涡轮的实际功率系数大于所述自由涡轮的目标功率系数，所述导叶叶片调控前的出口金属角大于所述导叶叶片调控后的出口金属角，为了减小自由涡轮功率系数减小导叶叶片出口金属角，重新计算自由涡轮功率系数，再判断是否匹配。
46.在一优选实施例中，对导叶叶片出口金属角进行调控可以采用三维叶片造型软件分析的方法进行，导叶叶片的参数包括中弧线、所述中弧线对应的厚度分布和积叠线；导叶叶片的积叠线采用曲线和/或直线进行参数化拟合。
47.例如，可以采用autoblade参数化软件进行分析，首先将自由涡轮导叶叶片进行几何参数化，通过改变导叶叶片曲线的参数对导叶出口金属角在软件中进行调控。
48.在另一实施例中，所述步骤200之前还对整个导叶叶片的几何参数化，具体包括：
49.步骤s191，基于所述导叶叶片确定沿着所述导叶叶片的沿展方向分布的多个基元叶型截面；例如，可以将自由涡轮导叶示例性的沿展向划分为21个基元叶型截面。也可以划分30、35、40个基元叶型截面也不影响本公开的实施，基元叶型截面越多，参数化结果越精确。
50.步骤s192，基于每个所述导叶叶片基元叶型截面确定所述基元叶型的中弧线和沿着所述中弧线的厚度分布；例如，参阅图3所示，基元叶型截面可以导入autoblade参数化软件针对各个基元叶型的中弧线1和厚度分布可以采用曲线和/或直线进行参数化拟合；在本实施例中，示例性的采用贝塞尔曲线(simple bezier曲线)进行参数化，同时，基元叶型的积叠线示例性的采用连续的贝塞尔曲线、直线、贝塞尔曲线(bezier-line-bezier曲线)进行参数化拟合。又如，中弧线1或积叠线还可以采用直线、圆弧、样条曲线中的一种或多种模拟出中弧线1和厚度分布的参数化结果。
51.步骤s193，基于多个所述基元叶型的中弧线和厚度分布对所述导叶叶片进行参数化处理。最后把autoblade参数化软件中各个基元叶型沿重心进行积叠，获得几何参数化结果，从而实现对整个导叶叶片的几何参数化。
52.参阅图3、图4所示，对导叶叶片的几何参数化时，中弧线1主要有三个控制角度，分别为进口金属角β1、出口金属角β2以及叶型安装角γ。在调控过程中通过调节导叶出口金属角β2来实现自由涡轮导叶叶片喉部面积以及通流能力的改变，从而实现燃气涡轮与自由涡轮输出功率的匹配设计。
53.在参数化软件中对出口金属角调节的方法是：可以利用所述导叶叶片的积叠线对导叶出口金属角的调控；在本实施例中，通过改变叶片局部simple bezier曲线的参数来实
现导叶出口金属角β2的调控，同时，保持各个基元叶型其他几何参数不变。
54.在另一实施例中，所述步骤s200中，为了防止整个涡轮总的输出功率变化，保持导叶叶片的出口金属角β2不变，即所述导叶叶片在调控所述导叶叶片的出口金属角前后的进口金属角相同。参阅图5所示，因为涡轮导叶安装角有变化，会使得导叶面积增大或减小，均会导致涡轮效率的下降；调节出口金属角β2，涡轮总效率变化相比较小。
55.本公开对自由涡轮导叶进行调整：保持导叶进口金属角不变，通过调节导叶出口金属角，改变叶片通道的喉部面积，即实现了对涡轮部件通流能力的调节，同时，参阅图5所示，这种调控方式相比于传统的调节自由涡轮导叶安装角的方式能有效降低自由涡轮内部由于调控所造成的额外气动损失。
56.参阅图6所示，本公开还提供了一种导叶叶片的出口金属角确定装置，包括：
57.第一确定模块2，被配置为基于所述燃气涡轮和所述自由涡轮的功率匹配关系，确定所述自由涡轮的目标功率系数；
58.与第一确定模块2连接的第二确定模块3，被配置为基于所述自由涡轮的目标功率系数确定所述导叶叶片的出口金属角。
59.在本公开中，第一确定模块2确定目标功率系数，当自由涡轮功率系数满足燃气涡轮与自由涡轮的输出功率匹配时，第二确定模块3获得功率匹配时对应的出口金属角。对于每种燃气涡轮和自由涡轮的组合，其功率匹配时，自由涡轮的出口金属角不同；根据上述装置调整自由涡轮导叶叶片的进口金属角可以实现输出功率的匹配设计，同时，功率损失较小。
60.本公开实施例还提供了一种导叶叶片的出口金属角确定装置，用于确定具有自由涡轮和燃气涡轮的动力装置上的自由涡轮的出口金属角，该装置包括处理器和存储器。其中，存储器中存储有适于处理器执行的计算机程序指令。当该计算机程序指令被处理器运行时，处理器执行上述任一实施例提供的出口金属角确定装置。
61.需要说明的是，上述实施例中提供的导叶叶片的出口金属角确定装置在用来确定出口金属角时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构或程序划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的出口金属角实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
62.本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令由用户设备的处理器执行时，使得用户设备执行上述任一实施例公开的方法。
63.本公开任一实施例提供的计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
64.本公开实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有适于所述处理器执行的计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述处理器运行时执行上述任一实施例公开的方法。
65.本公开任一实施例提供的电子设备可以是手机、电脑、平板电脑、服务器、网络设备等，或者也可以是u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read onlymemory)、磁碟或者光盘等。
66.举例来说，该电子设备可以包括：处理器、存储器、输入/输出接口、通信接口和总线。其中处理器、存储器、输入/输出接口和通信接口通过总线实现彼此之间在设备内部的通信连接。
67.处理器可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。
68.存储器可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器中，并由处理器来调用执行。
69.输入/输出接口用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
70.通信接口用于连接通信模块，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
71.总线包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器、存储器、输入/输出接口和通信接口)之间传输信息。
72.需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器、存储器、输入/输出接口、通信接口以及总线，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含全部所述组件。
73.通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本说明书实施例可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本说明书实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本说明书实施例各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
74.上述实施例阐明的系统、方法、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机，计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任意几种设备的组合。
75.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
76.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
77.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。