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CN113434965B - 一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法 - Google Patents

一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法，以设计工况点为基准，从第一列叶片至最末一列叶片，查看不同截面高度的流场速度分布或马赫数分布，确认流场流动匹配情况，对各叶片排有针对性判断不同截面高度的攻角范围，确定叶片进口气流角及出口气流角偏差，微调叶片进口几何角和出口几何角，完成优化调整；对于端区的分离，在静叶片造型的过程中适当采取端弯技术，优化设计。本发明能预测分离流动产生的具体部位，调整叶片造型以消除分离或减小分离区，从而达到提高效率和增加压气机失速裕度的效果。

Description

一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机性能优化方法，具体地说是压气机性能优化方法。
背景技术
船舶大功率燃气轮机是大型水面船舶的关键和核心装备。压气机是船舶燃气轮机三大主要部件之一，其设计技术一直是燃气轮机设计中的关键技术之一，其性能对燃气轮机的整机性能有着直接的影响，压气机的气动设计技术是压气机设计技术的难点之一，直接决定了压气机的总体性能、工作稳定特性和整体技术水平。
20世纪初期，压气机气动设计是建立在简单的一维流动基础上，其效率和压比都比较低。50年代初，吴仲华先生提出两类流面理论(S1和S2流面)后，S2流面的通流程序和S1流面程序被广泛应用到压气机的先进气动设计当中,并成为80年代中期以前最为先进的设计手段。从1970年到1985年期间，设计技术主要是以S2和S1两类流面程序为主要设计手段，同时引入可靠的经验统计数据和试验关联关系，如扩压因子关联、失速裕度关联和效率关联，此时设计已经达到相当高的水平。2000年以后，现代压气机设计方法已经发生了明显变化。在继承前人成功经验基础上，从原先的准三元设计理论，发展到全三维流场优化设计。全三维问题对流动的假设减少了，能够更好地模拟流动的空间特性，这对于空间几何形状十分复杂的叶轮来说是极为重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供能预测分离流动产生的具体部位，调整叶片造型以消除分离或减小分离区，从而达到提高效率和增加压气机失速裕度的一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法，其特征是：
(1)在压气机在设计点条件下，选择优化计算的特征截面；
(2)提取压气机在设计点下进口各级叶片特征截面位置处的气动参数，包括：动叶进口相对速度W1、动叶出口相对速度W2、各级动叶进口相对气流角β1和各级动叶出口相对气流角β2、静叶进口绝对速度C1、静叶出口绝对速度C2、各级静叶进口绝对气流角α1和各级静叶出口绝对气流角α2；
(3)求解各列动叶及静叶在设计点时的进口冲角i及出口落后角δ，根据三维流场计算结果，按照步骤(2)提取各叶片排进出口气流角β1、β2、α1、α2，再根据叶型几何进口角β1A、叶型几何出口角β2A，在此条件下，计算出进口冲角i及出口落后角δ；
(4)微调叶型几何进口角β1A、叶型几何出口角β2A，根据步骤(3)确定的进口冲角i及出口落后角δ，并结合流场特征，确定优化后的叶型几何进口角β1A′、优化后的叶型几何出口角β2A′，保证调整的Δβ1A＝β1A′-β1A、Δβ2A＝β2A′-β2A，在设定的范围内；
(5)根据流场特征，确定该特征截面是否采取弯叶片造型；
(6)按照步骤(1)-(5)分别进行设计点不同特征截面的优化调整；
(7)按照步骤(1)-(6)分别进行不同折合转速下的优化调整。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)中所述的特征截面，采用沿叶高不同相对高度位置作为特征截面，其个数为5个或7个截面，截面间间距保持相等。
2、步骤(4)中所述设定的范围为：Δβ1A保证在±2°内调整，Δβ2A保证在±1°内调整。
3、所述的弯叶片造型是指对其叶片造型采取端弯技术，即调整叶片造型积叠线位置；当叶顶存在角区分离时，调整所在级的前一级静叶叶顶位置积叠线；当叶根存在角区分离时，调整所在级的前一级静叶叶根位置积叠线；偏移位置采用正弯方向即中心线偏移往叶背侧偏移，偏移范围洗取0～4mm以内，偏移数值线性连续，保证叶片圆滑过渡。
本发明的优势在于：
1、本发明为高性能船舶燃机压气机设计技术的实现提供了一条快速有效的途径；通过本发明获得的压气机性能优化设计方法，能够有效提升压气机绝热效率等性能指标，为船舶燃气轮机全工况瓶颈问题的解决提供技术支撑。
2、本发明能够获得较为理想的高性能船舶燃机压气机，通过优化设计，消除了流场中的气流分离，有效缩短了方案的大量样本筛选寻优的传统优化设计过程，有效减少了设计过程中时间消耗，简化了设计人员工作量，非常适合工程设计应用。
3、本发明不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的性能优化设计过程。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，一种基于三维流场分析的高性能船舶燃机压气机性能优化设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：在压气机在设计点条件下，选择优化计算的特征截面；通常采用沿叶高不同相对高度位置作为特征截面，一般选取5个或7个截面，截面间间距保持相等。
步骤二：提取压气机在设计点下进口各级叶片特征截面位置处的主要气动参数，包括：动叶进口相对速度W1、动叶出口相对速度W2、各级动叶进口相对气流角β1和各级动叶出口相对气流角β2；静叶进口绝对速度C1、静叶出口绝对速度C2、各级静叶进口绝对气流角α1和各级静叶出口绝对气流角α2；以上主要气动参数，按照设计流程得到的初步压气机设计方案，通过整个压气机设计点下的全三维CFD计算求解获得。
步骤三：求解各列动叶及静叶在设计点时的进口冲角i及出口落后角δ。根据三维流场计算结果，按照步骤二提取各叶片排进出口气流角β1、β2、α1、α2，再根据叶型几何进口角β1A、叶型几何出口角β2A，在此条件下，计算出进口冲角i及出口落后角δ；
步骤四：微调叶型几何进口角β1A、叶型几何出口角β2A。根据步骤三确定的进口冲角i及出口落后角δ，并结合流场特征，确定优化后的叶型几何进口角β1A′、优化后的叶型几何出口角β2A′，保证调整的Δβ1A＝β1A′-β1A、Δβ2A＝β2A′-β2A，在一定的范围内，在设计优化中，Δβ1A保证在±2°内调整，Δβ2A保证在±1°内调整。
表1典型压气机各级叶片进口几何角排优化调整结果
Figure BDA0003179447080000041
步骤五：根据流场特征，确定该特征截面是否采取弯叶片造型。根据CFD计算得到的流场，若端区存在流动分离或者损失涡，采用“弯叶片造型”是指对其叶片造型采取端弯技术，也即调整叶片造型积叠线位置。当叶顶存在角区分离时，调整所在级的前一级静叶叶顶位置积叠线；当叶根存在角区分离时，调整所在级的前一级静叶叶根位置积叠线。一般偏移位置采用正弯方向即中心线偏移往叶背侧偏移，偏移范围一般选取0～4mm以内，偏移数值线性连续，保证叶片圆滑过渡。
表2典型压气机第4级静叶端弯优化调整结果
Figure BDA0003179447080000042
Figure BDA0003179447080000051
步骤六：按照以上步骤分别进行设计点不同特征截面的优化调整。
步骤七：以此类推，按照以上步骤分别进行不同折合转速下的优化调整。
本发明所提出的船舶燃气轮机轴流多级压气机性能优化设计方法，不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的性能优化设计过程。
本发明可应用燃气轮机的所有领域；同时也可应用于具有特殊要求(如海上平台燃机要求两种燃料均能使用)的燃气轮机领域，其应用领域主要包括能源、电力、交通、环保等方面。

Claims (3)

1.一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法，其特征是：
(1)在压气机在设计点条件下，选择优化计算的特征截面；
(2)提取压气机在设计点下进口各级叶片特征截面位置处的气动参数，包括：动叶进口相对速度W1、动叶出口相对速度W2、各级动叶进口相对气流角β1和各级动叶出口相对气流角β2、静叶进口绝对速度C1、静叶出口绝对速度C2、各级静叶进口绝对气流角α1和各级静叶出口绝对气流角α2；
(3)求解各列动叶及静叶在设计点时的进口冲角i及出口落后角δ，根据三维流场计算结果，按照步骤(2)提取各叶片排进出口气流角β1、β2、α1、α2，再根据叶型几何进口角β1A、叶型几何出口角β2A，在此条件下，计算出进口冲角i及出口落后角δ；
(4)微调叶型几何进口角β1A、叶型几何出口角β2A，根据步骤(3)确定的进口冲角i及出口落后角δ，并结合流场特征，确定优化后的叶型几何进口角β1A′、优化后的叶型几何出口角β2A′，保证调整的△β1A＝β1A′-β1A、△β2A＝β2A′-β2A，在设定的范围内；
(5)根据流场特征，确定该特征截面是否采取弯叶片造型；
(6)按照步骤(1)-(5)分别进行设计点不同特征截面的优化调整；
(7)按照步骤(1)-(6)分别进行不同折合转速下的优化调整；
所述的弯叶片造型是指对其叶片造型采取端弯技术，即调整叶片造型积叠线位置；当叶顶存在角区分离时，调整所在级的前一级静叶叶顶位置积叠线；当叶根存在角区分离时，调整所在级的前一级静叶叶根位置积叠线；偏移位置采用正弯方向即中心线偏移往叶背侧偏移，偏移范围选取0～4mm以内，偏移数值线性连续，保证叶片圆滑过渡。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法，其特征是：步骤(1)中所述的特征截面，采用沿叶高不同相对高度位置作为特征截面，其个数为5个或7个截面，截面间间距保持相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法，其特征是：步骤(4)中所述设定的范围为：△β1A保证在±2°内调整，△β2A保证在±1°内调整。
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