基于S3面的透平压气机叶道及其构造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于S3面的透平压气机叶道及其构造方法，方法中，基于透平压气机几何数据建立透平压气机三维几何模型，基于所述三维几何模型计算内部流场，提取透平压气机的近壁面流线；基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的多个S3面的几何数据，所述多个S3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道；几何参数化处理所述多个S3面和前缘面、尾缘面，将参数化后的曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何，基于计算流体力学优化所述叶道三维几何以确定叶道的最优结构。定叶道的最优结构。定叶道的最优结构。

【技术实现步骤摘要】
基于S3面的透平压气机叶道及其构造方法


[0001]本专利技术属于透平机械气动
，特别是一种基于S3面的透平压气机叶道及其构造方法。

技术介绍

[0002]透平压气机是航空发动机、燃气轮机和工业压缩系统的核心部件之一，其气动性能对整机效能的发挥具有重要影响。更高负荷、更高效率和更宽稳定运行工况范围一直是压气机设计者追求的目标。然而，负荷极限的突破会使得压气机内部流场更加复杂，对压气机拓稳增效设计带来巨大挑战。以轴流压气机为例，其端壁流动损失与叶片、端区附面层的相互作用等密切相关，可占总流动损失的约30％，是压气机气动性能提升的关键制约因素之一。因此，端区流动的精细化组织和控制是实现压气机拓稳增效的重要出发点。
[0003]常规压气机气动设计方法基于“基元叶型”和“径向积叠”的思想生成三维叶片几何造型，在透平压气机气动设计中获得了广泛应用。然而，该方法存在将叶片和端区进行强行割裂的固有缺点，难以实现叶片与端区几何的高阶光滑融合，对端区流动的精细化组织和调控带来不便。尽管不少工作针对叶片与端区交汇处(角区)几何开展局部修型，但由于未涉及叶片及端壁几何的联动调整，无法从根本上改善叶片附面层的径向潜移和端壁附面层的横向潜移，亦不利于端壁流动损失的降低。
[0004]现有技术的用于透平机械二次流分析评估第三类流面及其设计方法存在如下缺点：未涉及S3面的几何参数化造型，不具备对S3面的灵活控制功能，更无法实现叶片
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端区的高阶光滑融合及端区流场调控；二是仅停留于对S3面的二维描述，未涉及三维叶片通道的造型方式，无法指导生成完整的三维叶片通道，严重阻碍其实际工程应用。叶轮机械叶片与端壁融合设计方法提及对沿流向不同S3面角区几何进行局部修型的相关内容，但其未提出压气机流道的完整控制方案和流道的整体设计与生成方法。
[0005]在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种基于S3面的透平压气机叶道及其构造方法，解决常规压气机设计方法难以实现叶片
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端区高阶光滑融合、端区流动组织较差的问题。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于S3面的透平压气机叶道构造方法包括：
[0008]步骤1，基于透平压气机几何数据建立透平压气机三维几何模型，所述三维几何模型包括轮毂、位于轮毂上的沿流动方向前后布置的前缘面、尾缘面以及沿流动方向延伸的压力面和吸力面，所述压力面和吸力面具有近壁面流线，基于所述三维几何模型计算内部流场，提取透平压气机的近壁面流线；
[0009]步骤2，S1流面为以旋转轴为中心的同一圆弧上各流体质点的流线所形成的流面，可近似为回转面，S2流面为同一径向线上各流体质点的流线所形成的流面，可近似为几何中心面，S3面为S1流面和S2流面正交的第三类面，基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的多个S3面的几何数据，所述多个S3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道；
[0010]步骤3，几何参数化处理所述多个S3面和前缘面、尾缘面，其包括，
[0011]步骤3.1，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线，几何参数化后的前缘线向前探伸，尾缘线向后探伸使得前缘线、尾缘线分别和轮毂曲面的高阶光滑过渡，
[0012]步骤3.2，拟合形成多个S3面的吸力面
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轮毂
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压力面曲线使得叶道在吸力面、轮毂与压力面三部分光滑过渡，然后几何参数化轮盖侧曲线；
[0013]步骤4，将参数化后的曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何，
[0014]步骤5，基于计算流体力学优化所述叶道三维几何以确定叶道的最优结构。
[0015]所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法中，所述步骤3.1中，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线后，然后几何参数化前缘面、尾缘面中的轮毂和轮盖部分。
[0016]所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法中，步骤3.2，拟合形成多个S3面的吸力面
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轮毂
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压力面曲线后几何参数化轮盖侧曲线。
[0017]所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法中，使用具有高阶光滑特征且能够由若干控制点生成曲线的拟合曲线几何参数化处理所述多个S3面和前缘面、尾缘面。
[0018]所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法中，拟合曲线可以是NURBS曲线、B样条或Bezier曲线。
[0019]所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法中，参数化后的曲线沿近壁面流线至少包含叶片吸力面侧与压力面侧的两条流线。
[0020]所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法中，叶道的最优结构全优化整个压气机叶道的叶片
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角区
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端区
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轮盖，优化过程中S3面面积始终保持不变以维持通流能力一致。
[0021]一种透平压气机叶道根据所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法制备。
[0022]所述的基于S3面的透平压气机叶道中，透平压气机叶道为轴流压气机叶道。
[0023]和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：现有叶片造型与角区控制方式是基于基元叶型+径向积叠的传统叶片造型设计方式，该角区结构造型方式将叶片
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角区
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端区三个固连部分强行割裂开来，单独设计角区难以实现叶片
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端壁的高阶光滑融合，限制了角区造型技术发展的上限。本专利技术沿近壁面流线放样前缘面、若干S3面和尾缘面的叶道造型，若干S3面曲线高阶连续保证叶片
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端壁高阶光滑，前、尾缘面与轮毂曲面高阶连续保证叶片前、尾缘与端壁高阶光滑，控制S3面面积不变保证新型叶道通流能力一致。该方法相较传统叶道设计方法保证了叶片与端壁间高阶光滑过渡，实现了透平压气机角区流动的精细化调控。本专利技术能够实现包含叶片
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角区
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轮毂
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轮盖的压气机整体几何全设计，叶道重新设计后叶型发生改变且具有叶身高阶融合、非对称端壁和非对称轮盖的几何特征，为透平压气机设计方法的改进提供一种全新思路。
附图说明
[0024]通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0025]在附图中：
[0026]图1是根据本专利技术一个实施例的Rotor 37原始几何模型示意图；
[0027]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于S3面的透平压气机叶道构造方法，其特征在于，其包括以下步骤，步骤1，基于透平压气机几何数据建立透平压气机三维几何模型，所述三维几何模型包括轮毂、位于轮毂上的沿流动方向前后布置的前缘面、尾缘面以及沿流动方向延伸的压力面和吸力面，所述压力面和吸力面具有近壁面流线，基于所述三维几何模型计算内部流场，提取透平压气机的近壁面流线；步骤2，S1流面为以旋转轴为中心的同一圆弧上各流体质点的流线所形成的流面，S2流面为同一径向线上各流体质点的流线所形成的流面，S3面为S1流面和S2流面正交的第三类面，基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的多个S3面的几何数据，所述多个S3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道；步骤3，几何参数化处理所述多个S3面和前缘面、尾缘面；步骤4，将参数化后的曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何；步骤5，基于计算流体力学优化所述叶道三维几何以确定叶道的最优结构。2.根据权利要求1所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法，其中，优选的，所述步骤3中，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线后，然后几何参数化前缘面、尾缘面中的轮毂和轮盖部分。3.根据权利要求1所述的基于S3面的透平压气机叶道构造方法，其中，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵奕博，琚亚平，李震，张楚华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：