一种基于叶片截面位移-特征角度的叶片反扭转设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于叶片截面位移

【技术实现步骤摘要】
一种基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法


[0001]本专利技术属于燃气轮机轴流压气机的气动设计领域，特别是涉及一种基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法。

技术介绍

[0002]叶轮机械朝着高负荷、高推重比、高效率和低油耗的性能指标趋势发展，高速旋转叶片在离心载荷与气动载荷共同作下易产生较大的几何变形，使得流场的不稳定性和气动弹性问题更加突出，进而缩短叶片轴向间距，增强多排叶片工作中动静干涉，加剧叶片表面气动激励，从而引发高周疲劳甚至疲劳断裂等问题，叶轮机械叶片在气动载荷与离心载荷影响下产生几何变形归，改变叶片变形量，使得气动性能发生偏移，而叶型是决定压气机性能的最重要参数之一，在压气机工作过程中保证其叶片形状尽量接近设计状态，是实现其设计指标的重要环节及保证。
[0003]压气机叶片在实际工作状态下的变形会对叶型安装角、叶尖间隙及进出口几何角等产生影响，使得压气机内的流动与设计工况有一定偏差，特别是对于进口跨音速级而言，叶片变形会引起激波位置移动，从而偏离其最佳设计点，进而影响压气机性能及效率，甚至带来气弹稳定性等问题。实现压气机的设计性能指标，应确保叶片由冷态(加工状态)转变为热态(工作状态)后，其形状与设计外形相近或吻合。为此，必须研究叶片从设计叶型到冷态加工叶型的反推过程，该过程被称为叶片的反扭设计。因此，提供准确的叶型加工数据就成为设计过程中的重要环节，提高设计效率，缩短设计周期。

技术实现思路

[0004]为了提供准确的叶型加工数据，本专利技术提出一种基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法，该方法在保证压气机叶片表面、周围流动情况及整体气动性能的基础上可大大提升叶片反扭转设计效率，缩短了燃气轮机的设计周期。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：对理论叶片进行设计工况气动载荷与离心载荷作用下的静力分析；
[0007]步骤二：基于气动载荷和离心载荷通过结构力学求解器计算外力向量，当理论叶片内力向量和外力向量平衡时获得一次热态变形量；
[0008]步骤三：提取理论叶片沿叶高方向多个截面的热态变形量，通过坐标变换得到一次热态叶片；
[0009]步骤四：将一次热态叶片和理论叶片不同截面处的安装角度差值反向加载到理论叶型上，同时调整几何进口和出口角度，获得一次冷态叶片；
[0010]步骤五：对一次冷态叶片做气动实验，获得气动结果，通过CFD求解器将理论叶片表面载荷、一次冷态叶片的气动结果和离心载荷加载到一次冷态叶片上，获得二次热态叶片，通过变形量推出二次热态叶片的安装角度、几何进口角度和出口角度；
[0011]步骤六：对比理论叶片和二次热态叶片的安装角度、几何进口角度和出口角度，判断是否达到收敛准则，当达到收敛准则后判断是否满足性能要求，当满足性能要求时，获得叶片的加工数据。
[0012]优选地，静力分析的过程包括：设计理论叶片，并使用CFD求解器在设定的边界条件下获取理论叶片的气动载荷，基于离心力获得离心载荷。
[0013]优选地，所述理论叶片为轴流压气机第一级动叶片。
[0014]优选地，所述设计工况为压气机100％、80％和60％设计转速下设计点工况，分别对应流场中超音速、跨音速和亚音速流场流动。
[0015]优选地，所述达到收敛准则的方法包括：对比二次热态叶片与理论叶片各截面处的安装角度、几何进口角度和出口角度的差异，如果安装角度差值、几何进口角度和出口角度差值在规定误差之内且符合压气机内部气动性能则认为达到收敛准则；如果没达到收敛准则，则返回步骤三，依据二次热态叶片与理论叶片各截面处的特征角度差值反向加载到一次冷态叶片上再次进行叶片变形量的分析，直至特征角度达到收敛准则。
[0016]优选地，所述满足性能要求的方法包括：将热态叶片修正流体域网格，进行设计转速下三维CFD计算分析，获得压气机在设计转速下的气动性能和流场特性，判断是否满足性能要求，若满足要求，将二次热态叶片的叶型数据作为最终叶型数据；若不满足，则进一步缩小所述误差，并重新返回步骤三按新的收敛条件进行迭代，通过以上步骤的反复迭代，得到最终满足性能要求的压气机叶片的加工数据。
[0017]本专利技术公开了以下技术效果：
[0018]本专利技术提出的一种基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法，综合考虑了燃气轮机压气机叶片在工作过程中受到的气动载荷和离心载荷作用对叶片变形的影响，有效的解决压气机在亚音速、跨音速和超音速下叶片反扭转设计问题，提高压气机的气动性能。并针对沿叶高方向不同截面处的热态叶型相对理论设计叶型的空间位移变量进行转换，以几何特征角度(包含截面叶型安装角度、几何进口及出口角度)的参数形态进行角度值变换，在保证压气机叶片表面、周围流动情况及整体气动性能的基础上可大大提升叶片反扭转设计效率，缩短燃气轮机的设计周期。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。
[0020]图1为本专利技术实施例的方法流程示意图。
具体实施方式
[0021]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0022]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0023]如图1所示，本专利技术提供了一种基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法，所述方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
[0024]步骤一：进行设计工况气动载荷与离心载荷作用下的静力分析，首先进行迭代时，设理论设计叶片为AS，气动载荷为Ps，安装角度为θs，几何进口角及出口角度分别为β
1s
及β
2s
。由于叶片的离心载荷是由旋转产生的离心力决定，在整个迭代过程中离心载荷固定，使用CFD求解器在设定的边界条件下获取理论叶片的气动载荷。
[0025]步骤二：考虑到叶片的非线性变刚度特性，使用结构力学求解器分析计算理论叶片在设定边界条件下获得的气动载荷及离心载荷共同作用下的外力向量，结合理论设计叶片内力向量获得非平衡载荷，当叶片内外力载荷达到平衡时，即可获得一次热态变形量IS。
[0026]步骤三：将理论叶型沿叶高方向多个截面的变形量提取出来，其中包含叶片顶部及底本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对理论叶片进行设计工况气动载荷与离心载荷作用下的静力分析；步骤二：基于气动载荷和离心载荷通过结构力学求解器计算外力向量，当理论叶片内力向量和外力向量平衡时获得一次热态变形量；步骤三：提取理论叶片沿叶高方向多个截面的热态变形量，通过坐标变换得到一次热态叶片；步骤四：将一次热态叶片和理论叶片不同截面处的安装角度差值反向加载到理论叶型上，同时调整几何进口和出口角度，获得一次冷态叶片；步骤五：对一次冷态叶片做气动实验，获得气动结果，通过CFD求解器将理论叶片表面载荷、一次冷态叶片的气动结果和离心载荷加载到一次冷态叶片上，获得二次热态叶片，通过变形量推出二次热态叶片的安装角度、几何进口角度和出口角度；步骤六：对比理论叶片和二次热态叶片的安装角度、几何进口角度和出口角度，判断是否达到收敛准则，当达到收敛准则后判断是否满足性能要求，当满足性能要求时，获得叶片的加工数据。2.根据权利要求1所述的基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法，其特征在于，静力分析的过程包括：设计理论叶片，并使用CFD求解器在设定的边界条件下获取理论叶片的气动载荷，基于离心力获得离心载荷。3.根据权利要求2所述的基于叶片截面位移
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特征角度的叶片反扭转设计方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜斌，位景山，郑群，李赫飞，闫巍，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：