CN115270318B - 一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法，通过大量试验总结出的可靠公式来计算相关系数，实现了压气机跨音级动叶片的参数化设计，能够快速、高效地完成高性能的跨音级动叶片造型方案，并且有效减少了通过三维CFD计算来优化压气机进口跨音级动叶片造型的迭代次数，在有效提高压气机气动设计精度、提升压气机气动性能水平的前提下，可以节省大量的设计时间，缩短设计周期。同时，本发明不仅局限于船用燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种具有跨音级的工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机的气动设计过程。

Description

一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是压气机动叶片设计方法。

背景技术

压气机作为船用燃气轮机的三大核心部件之一，其性能水平直接决定着整机技术指标的实现。随着船用燃气轮机的不断发展，压气机的通流能力、负荷水平也在不断提高，其内部流动也从传统的亚音速逐渐过渡为跨音速。特别是现代大功率船用燃气轮机为了适应机组的大流量、高压比需求，其多级轴流压气机的进口级均为跨音级设计，跨音级的性能也直接决定着整个压气机的性能指标。

对于压气机跨音级而言，其动叶片内部流动十分复杂，存在着激波、二次流、附面层等强三维现象，它们之间的相互作用与影响形成了动叶片内部非定常、非线性的时空流场。想要设计出高性能的压气机跨音级，其核心就在于动叶片的流动控制。因此，有必要针对压气机跨音级设计开展专门的研究工作，不断形成技术突破，才能使压气机的性能水平满足现代船用燃气轮机的快速发展。

发明内容

本发明的目的在于提供能提升船用燃气轮机压气机的跨音级性能水平的一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法，其特征是：

(1)确定动叶片数量，根据轴流压气机通流反问题设计结果，以跨音级动叶片载荷系数作为参考基准，确定最佳叶片数量Z；

(2)确定弦长，根据叶栅稠度与最佳叶片数量，确定叶片各截面弦长b；

(3)计算超音速部分进口尖楔角，超音速叶型的叶背型线、叶盆型线在与叶型前缘圆弧的相切位置形成对应的切线，二者切线的夹角即为进口尖楔角ξ，对跨音级动叶片的超音速部分，单独计算叶型进口尖楔角ξ；

(4)确定攻角与落后角，对跨音级动叶片各截面叶型，按照其叶型种类，计算攻角i和落后角δ；

(5)计算进出口几何角与弯角，根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得跨音级动叶片各截面的进口气流角β₁与出口气流角β₂，通过步骤(4)确定进口攻角i和出口落后角δ，从而确定各截面叶型的进口几何角β_1k＝β₁+i，出口几何角β_2k＝β₂+δ，弯角ε＝β_2k-β_1k；

(6)计算进出口楔角，通过计算跨音级动叶片各截面叶型中弧线的当量半径R，确定各截面叶型的进口楔角χ₁值，进而得到出口楔角χ₂＝ε-χ₁；

(7)计算叶片安装角，根据跨音级动叶片各截面叶型的进口几何角β_1k和进口楔角χ₁，计算各截面叶型的安装角γ＝β_1k+χ₁；

(8)选择原始叶型，在确定跨音级动叶片各截面叶型的造型设计参数后，根据叶片各截面的工作条件，选择原始叶型，完成跨音级动叶片各截面的二维叶型设计；在此基础上，采用重心积叠方式将各截面二维叶型沿径向进行积叠，生成三维叶片，从而形成最终的跨音级动叶片造型方案。

本发明还可以包括：

1、步骤(1)中，最佳叶片数量Z按下式计算：

式中，σ_k为叶顶截面叶栅稠度；为叶片展弦比；为叶片相对平均半径， 为叶片轮毂比；y为叶片顶部与根部弦长比，其取值与叶片载荷系数Ψ有关：

当0<Ψ≤0.2时，y取值范围为1.20～1.35；

当0.2<Ψ≤0.38时，y取值范围为1.35～1.50；

根据跨音级动叶片的载荷系数情况，按以上方式选定y值，从而确定最佳叶片数量Z。

2、步骤(2)中所述的根据叶栅稠度与最佳叶片数量，确定叶片各截面弦长b，采用如下方式：首先根据叶顶截面叶栅稠度σ_k、最佳叶片数量Z与跨音级动叶片外径d_k，计算叶顶弦长b_k，即然后根据确定的叶片顶部与根部弦长比y，计算叶根弦长最后按照叶顶至叶根弦长线性变化，计算其余各截面弦长。

3、步骤(3)中所述的对跨音级动叶片的超音速部分，单独计算叶型进口尖楔角ξ，是通过求解与叶型最大厚度相关的方程得到的，该方程如下：

式中，C_max为叶型最大厚度；b_p为叶型名义弦长，与叶型弦长b有如下关系：b_p＝1.05b，通过该方程求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ。

4、步骤(4)中所述的按照其叶型种类，计算攻角i和落后角δ，采用如下方式：

对于超音速叶型：

进口攻角i：式中，△i为超音速叶栅冲角修正量，取2°～4°；

出口落后角δ：取1°～2°；

对于亚音速叶型：

进口攻角i：

式中，σ为各截面叶型对应位置的叶栅稠度；为各截面叶型对应位置的相对半径；m_σ＝1.0为叶型稠度为1时攻角随弯角变化率，是σ的函数，m_σ＝1.0＝-0.1686σ²+0.9393σ+0.2302，若计算结果小于0.7，则取m_σ＝1.0＝0.7；△β为气流转折角，△β＝β₂-β₁；为叶型稠度为1时气流转折角名义值，是β₂的函数，△i为攻角修正量，根据叶栅平均半径参数来计算，其中σ_m为叶栅平均半径处稠度，β_1m为叶栅平均半径处进口气流角，Ω_m为叶栅平均半径处反动度；

出口落后角δ：

式中，m为叶型中弧线系数，其中为叶型相对最大挠度位置；为落后角修正系数，其取值与叶栅轮毂比有关：

上式中a为叶型出口轴向速度与进口轴向速度的比值。

通过以上方式计算出跨音级动叶片各截面的进口攻角i和出口落后角δ，并且整个叶片超音速部分与亚音速部分的攻角与落后角沿径向要平稳过渡。

5、步骤(6)中所述的通过计算跨音级动叶片各截面叶型中弧线的当量半径R，确定各截面叶型的进口楔角χ₁值，采用如下方式：

首先根据如下方程求解叶型中弧线的当量半径R：

其中l₁对于叶顶取0.2～0.25，随叶型截面相对叶高位置的降低逐渐平稳减小至0；

然后根据如下方程求解进口楔角χ₁值：

对于亚音速叶栅，b_p＝b。

从而确定跨音级动叶片各截面叶型的进口楔角χ₁值。

本发明的优势在于：

1、本发明实现了压气机跨音级动叶片的参数化设计，能够快速、高效地完成高性能的跨音级动叶片造型方案，有效提高了压气机的气动设计精度，提升了船用燃气轮机轴流压气机的气动性能水平。

2、本发明有效减少了通过三维CFD计算来优化压气机进口跨音级动叶片造型的迭代次数，可节省大量的设计时间，缩短设计周期。

3、本发明不仅局限于船用燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种具有跨音级的工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机的气动设计过程。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为跨音级动叶片造型参数定义图。

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1-2，本发明一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法，通过以下步骤实现：

步骤一：确定动叶片数量。根据轴流压气机通流反问题设计结果，以跨音级动叶片载荷系数作为参考基准，确定最佳叶片数量Z；

步骤二：确定弦长。根据叶栅稠度与最佳叶片数量，确定叶片各截面弦长b；

步骤三：计算超音速部分进口尖楔角。超音速叶型的叶背型线、叶盆型线在与叶型前缘圆弧的相切位置可形成对应的切线，二者切线的夹角即为进口尖楔角ξ。对跨音级动叶片的超音速部分，需要单独计算叶型进口尖楔角ξ；

步骤四：确定攻角与落后角。对跨音级动叶片各截面叶型，按照其叶型种类，计算攻角i和落后角δ；

步骤五：计算进出口几何角与弯角。根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得跨音级动叶片各截面的进口气流角β₁与出口气流角β₂。通过步骤四确定进口攻角i和出口落后角δ，从而确定各截面叶型的进口几何角β_1k＝β₁+i，出口几何角β_2k＝β₂+δ，弯角ε＝β_2k-β_1k；

步骤六：计算进出口楔角。通过计算跨音级动叶片各截面叶型中弧线的当量半径R，确定各截面叶型的进口楔角χ₁值，进而得到出口楔角χ₂＝ε-χ₁；

步骤七：计算叶片安装角。根据跨音级动叶片各截面叶型的进口几何角β_1k和进口楔角χ₁，可以计算各截面叶型的安装角γ＝β_1k+χ₁；

步骤八：选择原始叶型。在确定跨音级动叶片各截面叶型的造型设计参数后，根据叶片各截面的工作条件，选择合适的原始叶型，完成跨音级动叶片各截面的二维叶型设计；在此基础上，采用重心积叠方式将各截面二维叶型沿径向进行积叠，生成三维叶片，从而形成最终的跨音级动叶片造型方案。

步骤一中所述的“以跨音级动叶片载荷系数作为参考基准，确定最佳叶片数量Z”，采用如下方式：

最佳叶片数量Z按下式计算：

式中，σ_k为叶顶截面叶栅稠度；为叶片展弦比；为叶片相对平均半径， 为叶片轮毂比；y为叶片顶部与根部弦长比，其取值与叶片载荷系数Ψ有关：

当0<Ψ≤0.2时，y取值范围为1.20～1.35；

当0.2<Ψ≤0.38时，y取值范围为1.35～1.50。

根据跨音级动叶片的载荷系数情况，按以上方式选定y值，从而确定最佳叶片数量Z。

步骤二中所述的“根据叶栅稠度与最佳叶片数量，确定叶片各截面弦长b”，采用如下方式：

首先根据叶顶截面叶栅稠度σ_k、最佳叶片数量Z与跨音级动叶片外径d_k，计算叶顶弦长b_k，即然后根据权利要求2中确定的叶片顶部与根部弦长比y，计算叶根弦长最后按照叶顶至叶根弦长线性变化，计算其余各截面弦长。

步骤三中所述的“对跨音级动叶片的超音速部分，需要单独计算叶型进口尖楔角ξ”，是通过求解与叶型最大厚度相关的方程得到的，该方程如下：

式中，C_max为叶型最大厚度；b_p为叶型名义弦长，与叶型弦长b有如下关系：b_p＝1.05b。

通过该方程即可求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ。

步骤四中所述的“按照其叶型种类，计算攻角i和落后角δ”，采用如下方式：

对于超音速叶型：

进口攻角i：式中，△i为超音速叶栅冲角修正量，通常取2°～4°；

出口落后角δ：通常取1°～2°。

对于亚音速叶型：

进口攻角i：

式中，σ为各截面叶型对应位置的叶栅稠度；为各截面叶型对应位置的相对半径；m_σ＝1.0为叶型稠度为1时攻角随弯角变化率，是σ的函数，m_σ＝1.0＝-0.1686σ²+0.9393σ+0.2302，若计算结果小于0.7，则取m_σ＝1.0＝0.7；△β为气流转折角，△β＝β₂-β₁；为叶型稠度为1时气流转折角名义值，是β₂的函数，△i为攻角修正量，根据叶栅平均半径参数来计算，其中σ_m为叶栅平均半径处稠度，β_1m为叶栅平均半径处进口气流角，Ω_m为叶栅平均半径处反动度。

出口落后角δ：

式中，m为叶型中弧线系数，其中为叶型相对最大挠度位置；为落后角修正系数，其取值与叶栅轮毂比有关：

上式中a为叶型出口轴向速度与进口轴向速度的比值。

通过以上方式计算出跨音级动叶片各截面的进口攻角i和出口落后角δ，并且要保证整个叶片超音速部分与亚音速部分的攻角与落后角沿径向要平稳过渡。

步骤六中所述的“通过计算跨音级动叶片各截面叶型中弧线的当量半径R，确定各截面叶型的进口楔角χ₁值”，采用如下方式：

首先根据如下方程求解叶型中弧线的当量半径R：

其中l₁对于叶顶取0.2～0.25，随叶型截面相对叶高位置的降低逐渐平稳减小至0。

然后根据如下方程求解进口楔角χ₁值：

对于亚音速叶栅，b_p＝b。

从而确定跨音级动叶片各截面叶型的进口楔角χ₁值。

Claims (1)

1.一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法，其特征是：

(1)确定动叶片数量，根据轴流压气机通流反问题设计结果，以跨音级动叶片载荷系数作为参考基准，确定最佳叶片数量Z；

(2)确定弦长，根据叶栅稠度与最佳叶片数量，确定叶片各截面弦长b；

(3)计算超音速部分进口尖楔角，超音速叶型的叶背型线、叶盆型线在与叶型前缘圆弧的相切位置形成对应的切线，二者切线的夹角即为进口尖楔角ξ，对跨音级动叶片的超音速部分，单独计算叶型进口尖楔角ξ；

(4)确定攻角与落后角，对跨音级动叶片各截面叶型，按照其叶型种类，计算攻角i和落后角δ；

(5)计算进出口几何角与弯角，根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得跨音级动叶片各截面的进口气流角β₁与出口气流角β₂，通过步骤(4)确定进口攻角i和出口落后角δ，从而确定各截面叶型的进口几何角β_1k＝β₁+i，出口几何角β_2k＝β₂+δ，弯角ε＝β_2k-β_1k；

(6)计算进出口楔角，通过计算跨音级动叶片各截面叶型中弧线的当量半径R，确定各截面叶型的进口楔角χ₁值，进而得到出口楔角χ₂＝ε-χ₁；

(7)计算叶片安装角，根据跨音级动叶片各截面叶型的进口几何角β_1k和进口楔角χ₁，计算各截面叶型的安装角γ＝β_1k+χ₁；

(8)选择原始叶型，在确定跨音级动叶片各截面叶型的造型设计参数后，根据叶片各截面的工作条件，选择原始叶型，完成跨音级动叶片各截面的二维叶型设计；在此基础上，采用重心积叠方式将各截面二维叶型沿径向进行积叠，生成三维叶片，从而形成最终的跨音级动叶片造型方案；

步骤(1)中，最佳叶片数量Z按下式计算：

式中，σ_k为叶顶截面叶栅稠度；为叶片展弦比；为叶片相对平均半径， 为叶片轮毂比；y为叶片顶部与根部弦长比，其取值与叶片载荷系数Ψ有关：

当0＜Ψ≤0.2时，y取值范围为1.20～1.35；

当0.2＜Ψ≤0.38时，y取值范围为1.35～1.50；

根据跨音级动叶片的载荷系数情况，按以上方式选定y值，从而确定最佳叶片数量Z；

步骤(2)中所述的根据叶栅稠度与最佳叶片数量，确定叶片各截面弦长b，采用如下方式：首先根据叶顶截面叶栅稠度σ_k、最佳叶片数量Z与跨音级动叶片外径d_k，计算叶顶弦长b_k，即然后根据确定的叶片顶部与根部弦长比y，计算叶根弦长最后按照叶顶至叶根弦长线性变化，计算其余各截面弦长；

步骤(3)中所述的对跨音级动叶片的超音速部分，单独计算叶型进口尖楔角ξ，是通过求解与叶型最大厚度相关的方程得到的，该方程如下：

式中，C_max为叶型最大厚度；b_p为叶型名义弦长，与叶型弦长b有如下关系：b_p＝1.05b，通过该方程求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ；

步骤(4)中所述的按照其叶型种类，计算攻角i和落后角δ，采用如下方式：

对于超音速叶型：

进口攻角i：式中，Δi为超音速叶栅冲角修正量，取2°～4°；

出口落后角δ：取1°～2°；

对于亚音速叶型：

进口攻角i：

式中，σ为各截面叶型对应位置的叶栅稠度；为各截面叶型对应位置的相对半径；m_σ＝1.0为叶型稠度为1时攻角随弯角变化率，是σ的函数，m_σ＝1.0＝-0.1686σ²+0.9393σ+0.2302，若计算结果小于0.7，则取m_σ＝1.0＝0.7；Δβ为气流转折角，Δβ＝β₂-β₁；为叶型稠度为1时气流转折角名义值，是β₂的函数，Δi为攻角修正量，根据叶栅平均半径参数来计算，其中σ_m为叶栅平均半径处稠度，β_1m为叶栅平均半径处进口气流角，Ω_m为叶栅平均半径处反动度；

出口落后角δ：

式中，m为叶型中弧线系数，其中为叶型相对最大挠度位置；为落后角修正系数，其取值与叶栅轮毂比有关：

上式中a为叶型出口轴向速度与进口轴向速度的比值；

通过以上方式计算出跨音级动叶片各截面的进口攻角i和出口落后角δ，并且整个叶片超音速部分与亚音速部分的攻角与落后角沿径向要平稳过渡；

步骤(6)中所述的通过计算跨音级动叶片各截面叶型中弧线的当量半径R，确定各截面叶型的进口楔角χ₁值，采用如下方式：

首先根据如下方程求解叶型中弧线的当量半径R：

其中l₁对于叶顶取0.2～0.25，随叶型截面相对叶高位置的降低逐渐平稳减小至0；

然后根据如下方程求解进口楔角χ₁值：

对于亚音速叶栅，b_p＝b；

从而确定跨音级动叶片各截面叶型的进口楔角χ₁值。