一种具有反S型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法与流程

一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法
技术领域
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.作为燃气轮机的三大核心部件之一，压气机的性能优劣直接决定着燃气轮机的技术指标实现。随着燃气轮机性能指标的不断提升，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，才能满足燃气轮机的发展对压气机气动性能提出的需求。
3.所谓压气机气动设计，其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。为了实现对压气机内部流场的主动控制，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，叶片造型也从早期简单的二维叶型基叠设计步入如今的三维空间设计阶段。因此，必须探索和发展基于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，从而加快促进压气机自主设计技术体系的建立与完善。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供能解决轴流压气机内部流动的主动控制问题的一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法，其特征是：
7.(1)给定叶片沿径损失分布；
8.(2)采用流线曲率法进行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；
9.(3)叶片造型设计，根据叶片的沿径气动参数分布，给定叶片沿径向的初始进口攻角分布，以及叶片质心积叠线形式，完成叶片造型；
10.(4)压气机三维cfd计算分析，通过三维cfd计算获得压气机在不同工况下的内部流场状态，并根据结果对叶片沿径损失分布、叶片沿径进口攻角分布和叶片质心积叠线形式修正；通过以上各步骤的反复迭代，获得具有s型前缘的、能够有效控制内部流动的最终叶片造型方案。
11.本发明还可以包括：
12.1、叶片沿径损失分布具体为：对于动叶片，给定沿径向的绝热效率分布；对于静叶片，给定沿径向的总压恢复系数分布。
13.2、步骤(3)中所述的叶片质心积叠线形式，采用b样条曲线，b样条曲线的控制点即为叶片沿径向各造型截面的质心点。
14.3、步骤(4)中所述的叶片质心积叠线形式修正，采用如下方式：通过三维cfd计算提取出叶片沿径向的压力分布，根据压力分布结果，对b样条曲线的控制点沿叶片子午面法向进行平移，并对b样条曲线进行光顺。
15.本发明的优势在于：
16.1、本发明充分考虑了轴流压气机在多级环境下内部各级叶片之间三维流动的空间匹配及端区损失，从而实现了对压气机内部气体流动的主动控制，有效提高了压气机的气动性能。
17.2、本发明实现了流动主动控制技术在叶片造型设计中的定制化与参数化，能够直接集成至现有的压气机气动设计体系中，可有效提升设计效率。
18.3、本发明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
19.图1为本发明的流程图；
20.图2为具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型效果示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
22.结合图1-2，本发明一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
23.步骤一：给定叶片沿径损失分布。对于动叶片，给定沿径向的绝热效率分布；对于静叶片，给定沿径向的总压恢复系数分布。
24.由于叶片两侧端区附面层、径向间隙以及非线性三维流动的影响，在给定绝热效率和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，使压气机内部流动在两侧端区能够更好匹配。
25.步骤二：采用流线曲率法进行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。
26.步骤三：叶片造型设计。根据叶片的沿径气动参数分布，给定叶片沿径向的初始进口攻角分布，以及叶片质心积叠线形式，完成叶片造型。
27.叶片质心积叠线采用b样条曲线，b样条曲线的控制点即为叶片沿径向各造型截面的质心点。
28.步骤四：压气机三维cfd计算分析。通过三维cfd计算获得压气机在不同工况下的内部流场状态，并根据结果对叶片沿径损失分布、叶片沿径进口攻角分布和叶片质心积叠线形式修正。
29.主要修正方法如下：
30.提取动叶片绝热效率、静叶片总压恢复系数的沿径分布结果，修正叶片沿径损失分布；
31.提取叶片的进口气流角沿径分布结果，修正叶片沿径进口攻角分布；
32.提取叶片沿径向的压力分布结果，对叶片质心积叠线b样条曲线的控制点沿叶片
子午面法向进行平移，并对b样条曲线进行光顺，修正叶片质心积叠线形式。
33.通过以上各环节工作的反复迭代，获得具有s型前缘的、能够有效控制内部流动的最终叶片造型方案。图2为采用以上方法设计出的具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型效果示意图。
34.本发明提出的具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法，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。


技术特征：
1.一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法，其特征是：(1)给定叶片沿径损失分布；(2)采用流线曲率法进行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；(3)叶片造型设计，根据叶片的沿径气动参数分布，给定叶片沿径向的初始进口攻角分布，以及叶片质心积叠线形式，完成叶片造型；(4)压气机三维cfd计算分析，通过三维cfd计算获得压气机在不同工况下的内部流场状态，并根据结果对叶片沿径损失分布、叶片沿径进口攻角分布和叶片质心积叠线形式修正；通过以上各步骤的反复迭代，获得具有s型前缘的、能够有效控制内部流动的最终叶片造型方案。2.根据权利要求1所述的一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法，其特征在于：叶片沿径损失分布具体为：对于动叶片，给定沿径向的绝热效率分布；对于静叶片，给定沿径向的总压恢复系数分布。3.根据权利要求1所述的一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法，其特征在于：步骤(3)中所述的叶片质心积叠线形式，采用b样条曲线，b样条曲线的控制点即为叶片沿径向各造型截面的质心点。4.根据权利要求1所述的一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法，其特征在于：步骤(4)中所述的叶片质心积叠线形式修正，采用如下方式：通过三维cfd计算提取出叶片沿径向的压力分布，根据压力分布结果，对b样条曲线的控制点沿叶片子午面法向进行平移，并对b样条曲线进行光顺。

技术总结
本发明的目的在于提供一种具有反S型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法，包括如下步骤：给定叶片沿径损失分布；进行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；叶片造型设计，根据叶片的沿径气动参数分布，给定叶片沿径向的初始进口攻角分布，以及叶片质心积叠线形式，完成叶片造型；通过三维CFD计算获得压气机在不同工况下的内部流场状态，并根据结果对叶片沿径损失分布、叶片沿径进口攻角分布和叶片质心积叠线形式修正。本发明实现了对压气机内部气体流动的主动控制，有效提高了压气机的气动性能，实现了流动主动控制技术在叶片造型设计中的定制化与参数化，能够直接集成至现有的压气机气动设计体系中。计体系中。计体系中。


技术研发人员：王琦 张舟 肖舒宁 汪作心 洪青松 李冬
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0三研究所
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/15