专利名称：一种用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法
技术领域：
本发明涉及多级叶轮机，特别涉及一种用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法。
背景技术：
公知的多级叶轮机是航空、航天、航海、能源、化工等领域广泛应用的重要部件，如图1所示，由轮毂1、机匣2及其所包容的相隔一段距离的多个叶片排构成，其中叶片包括绕轴9转动的转叶3和固定在机匣2上的静叶4。如图2所示，所有叶片均由基元叶栅5沿积叠线6展向积叠而成，基元叶栅5的最前部和最后部通过积叠形成叶片前缘7和尾缘8，如图1、2所示，工质气体经由上述含有转、静叶的通道后压强获得提升(压气机)或降低(涡轮)。实用的多级叶轮机应该满足结构强度等特定要求、具有能源利用效率高的性能特点。
自从发明多级叶轮机以来，人们一直在努力探寻能够继续提高多级叶轮机效率的技术，关于时序效应的研究就是这样一种努力。如图1-3中两排转叶3或静叶4是相对静止的叶片，周向是叶片围绕轴9运转的方向，如图3中箭头12所示方向。时序是相对静止的叶片间沿周向的相对位置对叶轮机气动效率产生影响的现象。图2示意了转叶3(或静叶4)和其后转叶3(或静叶4)间随不同周向相对安装位置而构成的时序排布，为方便叙述，以下称为三维时序；图3示意了转叶3(或静叶4)和其后转叶3(或静叶4)间在某展向截面上的基元叶型5在二维层面的时序排布，为方便叙述，以下称为二维时序，此处展向截面是指某一曲线转轴9回转所切的截面，比如图1-2中某一曲线10绕转轴9回转所切的截面。如图1所示，三维时序可以看作是无限多个二维时序的展向11积叠。近十多年内，关于时序效应的研究十分丰富，如文献1“Huber，F.W.，Johnson，P.D.，Sharma，O.P.，et al.，PerformanceImprovement through Indexing of Turbine Airfoils，Part 1-ExperimentalInvestigation，ASME paper 95-GT-27，1995”、文献2“Dorney，D.J.，Sharma，O.P.，A Study of Turbine Performance Increases Through Airfoil Clocking，AIAApaper 96-2816，1996”、文献3“轴向间距对时序效应影响的研究，闫朝，季路成，陈江，徐建中，工程热物理学报，2004.25(2)”中公开的技术，这些现有技术获得了关于最佳时序效果、位置及其它影响因素的成果，例如，已经发现，当上游叶排尾迹打到相对静止叶排前缘时，时序能获得最高效率增量，文献2中对二维时序研究就发现最高最低效率差别可达2个百分点以上。然而，在多级叶轮机中实际应用时序(即三维时序，仅需在安装时相对旋转相对静止叶排)时却发现问题三维时序效益总比二维时序效益低，比如文献4“Arnone，A.，Marconcini，M.，Scotti DelGreco，A.，et al.，Numerical Investigation of Three-dimensional ClockingEffects in a Low Pressure Turbine，ASME paper GT2003-38414，2003.”中公开的。一些研究者正在考虑这可能通过调节展向积叠而得到改善，但是传统“三维时序”概念中“刚性旋转安装叶片”束缚了这种改进，况且仍没有有效方法能够指导展向调节各截面以使三维时序效率收益最大。
人们希望，基于文献5“季路成，陈江，闫朝，叶轮机设计的缘线匹配理论及方法，工程热物理学报，2005.26(1)”中公开的缘线匹配技术，能够有一种在叶片设计过程中最大化三维时序效率收益的方法。
发明内容
本发明的目的是克服工程实际应用(三维)时序效应时不能最大程度发挥二维时序所显现较大效益的问题，提供一种用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法。
为达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法，包括1)对多级叶轮机在多个时序位置进行非定常流场时间精确模拟；2)分析整理一个时序周期内每个时序位置多级叶轮机时均效率的展向分布，如图4中一条曲线13对应一个时序位置；一个时序周期是指图3中所示时序无量纲位置CLK由0.0到1.0；一个时序周期包括多个时序位置；3)按图5示例，沿展向11尽可能连接各特征截面最大时序效益点；4)根据步骤3)中最大时序效益点连线15(见图5)所处时序位置，确立目标缘线匹配组合(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))，以达到图4所示最佳效率展向分布曲线14。其中，S(rhub)，S(rmid)，S(rtip)分别为根、中、尖典型截面前排叶片尾缘8和构成时序的下游叶片前缘7的周向无量纲距离。这一过程中隐含了各叶片基元发生周向相对位错时非定常流动只发生相位变化的假设；5)考虑到近端壁区(即近1，2区域)流动可能严重偏离4)中假设，故以上述目标缘线匹配组合(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))为中心，展开一定SH(根部缘线无量纲周向距离，即S(rhub))、ST(尖部缘线无量纲周向距离，即S(rtip))变化范围内进行缘线匹配组合，如图5中曲线16所示，每一个组合意味着叶片重新积叠生成后的一组叶排；6)对每一组缘线匹配组合进行时间精确三维非定常流动模拟；7)由时间精确三维非定常流动模拟整理出时均效率结果；8)将每一组时均效率结果以SH、ST为变量画等值线，由其中选出时均效率最高点；9)由步骤8)中时均效率最高点所对应坐标SH、ST重新积叠生成叶片。此即为基本满足三维时序效益最大的叶片；10)可以用时间精确三维非定常流动模拟对步骤9)生成的叶片进行时序效果最大化检验以保证设计可靠。
在上述技术方案中，所述步骤1)中对多级叶轮机在5个以上时序位置进行非定常流场时间精确模拟。
在上述技术方案中，所述步骤5)中，S(r)(半径r处缘线无量纲周向距离)的相对性质，在实际应用缘线匹配最大化三维时序效应时，可单独改变前排或后排相对静止叶片积叠，也可同时改变。
在上述技术方案中，步骤5)中以目标(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))为中心变化缘线匹配组合(SH，ST)时，将叶中部固定在最佳时序位置附近将节省搜索最优的计算量；在上述技术方案中，根据三维定常计算结果快速排除不良上述步骤5)中缘线匹配组合。
与现有技术相比，本发明优点在于本发明克服了传统三维时序效益不如二维时序效益大的问题。本发明采用“重新积叠叶片”以尽可能使各展向截面处二维时序最佳以实现时序效益最大化。因而相比较传统方法获得了更大效率收益，且方法相对简单、工程实用。本发明在叶片设计过程能够提高多级叶轮机效率，适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域高效多级叶轮机研制。
图1表示轴流叶轮机结构子午视图；其中叶轮机由轮毂1、机匣2、转叶3、静叶4组成，转、静叶片有前后缘线7和8，转叶3绕转轴9旋转；图2表示多级轴流叶轮机叶片结构立体视图及三维时序；其中叶轮机叶片由叶片基元5沿积叠线6积叠而成，叶片基元前部和后部积叠成前缘线7和后缘线8；图3表示二维时序示意，此二维时序为图1和2中曲线10绕转轴9回转切割而成，相对静止叶排3(或相对静止叶排4)在周向12发生相对位移是影响性能的时序效应。
图4表示本发明三维时序最大化目标图；该图说明最大三维时序效率就是找到叶片的重新积叠方式以使时均效率展向分布由传统时序的曲线13变为曲线14，曲线14是曲线13的最大值包络；图5表示本发明三维时序最大化方法示意图，该图说明三维时序最大化过程中，在找到了由图4目标确定的时序位置展向分布曲线15后，考虑到在端区叶片重新积叠会违背方法的前提假设，而以曲线15所示明的位置为中心，在曲线16限定的范围内变化叶片积叠(即变换缘线匹配组合)，寻找真实最大三维时序。
图6表示本发明三维时序效益最大化方法的1.5级涡轮某展向截面二维时序示意图；图7表示本发明三维时序效益最大化方法的1.5级涡轮三维时序效率最大化目标和过程示意图；图8表示本发明三维时序效益最大化方法的1.5级涡轮二次最大化时序效率改进的SH-ST组合张网图，点17对应步骤3)中目标缘线匹配组合(0.0，0.32，0.07)，是再次改型的原型；图9表示本发明三维时序效益最大化方法的1.5级涡轮二次最大化时序效率改进的SH-ST组合效率等值线图，点18对应时序效率最大点，即最终改进结果；图10表示本发明三维时序效益最大化方法的改进后的1.5级涡轮末排静叶。
具体实施例方式
需要说明的是，附图中的同样的数字标号用来表示同样的特性，有的数字具有下划线是表示该数字所处的位置正是所要表示的部分。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述参照图6，某1.5级(静/转/静形式，共三排叶片)轴流涡轮叶片，在重新积叠以实现最大化三维时序目标过程中，包括如下步骤1)对三排叶片组合的多级涡轮在5个时序位置0、0.2、0.4、0.6、0.8(以栅距无量纲化值，图6显示了某个展向截面)进行非定常流场时间精确模拟；2)分析一个时序周期(如图3中时序无量纲位置CLK由0.0到1.0)内每个时序位置多级叶轮机各个展向截面处的时均效率，由结果整理出沿展向9％、25.5％、50％、74.5％、91％五个典型截面随时序位置变化的效率分布，如图7所示，沿展向11尽可能连接各特征截面最大时序效益点；3)参见图8，根据步骤2)中最大时序效益点连线15所处时序位置，确立目标缘线匹配组合(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))＝(0.0，0.32，0.07)；本领域技术人员应当注意到，此时曲线15并未贯穿展向各截面所有最高效率点，这完全是出于叶片几何要尽可能光滑的考虑；并且确立目标缘线匹配组合(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))＝(0.0，0.32，0.07)是出于校验考虑；4)以步骤3)目标缘线匹配组合(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))＝(0.0，0.32，0.07)为中心，展开一定SH、ST∈(-0.2，0.1)变化范围内进行缘线匹配组合，每一点意味着一个缘线匹配组合，也就意味着叶片重新积叠生成后的一组叶排，本示例中单改最后一排静叶，即二级静叶；允许SH和ST在[-0.2，0.1]间改变，如图8，其中点17代表(SH，ST)＝(0，0)对应缘线匹配(0.0，0.32，0.07)，此即为步骤3)中目标组合，作为再次改型原型；5)根据(SH，ST)变化域内每一点坐标重新积叠生成二级静叶；6)对包含步骤5)改进后二级静叶的全部三排叶片进行全三维非定常流场数值模拟；7)由步骤6)时间精确三维非定常流动模拟整理出时均效率结果；8)将每一组时均效率结果以SH、ST为变量画等值线图，如图9，据此选出时均效率最高点，如图9中所示点18；9)由步骤8)中时均效率最高点所对应坐标SH、ST重新积叠生成叶片。如图10所示，即为基本满足三维时序效益最大的叶片。
在上述实例操作过程中，步骤1)中，发现最大传统时序效率86.58％，最低效率效率86.25％，传统时序对效率的最大提升为0.33％。步骤3)中目标改进原型，即对应(SH，ST)＝(0，0)，经非定常计算得出时均效率为86.65％，相较于传统时序最高效率只略有提升，这是图7中线15的选择问题，也是由于端区流动偏离方法的前提条件。为此，在进一步修正中着重注意端区流动影响，因而在SH、ST∈(-0.2，0.1)区间内进行优化分析，最终找到最大时序效应点，图9中的18，对应图10中叶片，时间精确流场计算表明，获得最高效率86.90％，比步骤1)中最大传统时序效率进一步提高0.32％，可见本发明的有效性及优势。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法，包括如下步骤1)对多级叶轮机在多个时序位置进行非定常流场时间精确模拟；2)整理一个时序周期内每个时序位置多级叶轮机时均效率的展向分布；3)沿展向连接各特征截面最大时序效益点；4)根据步骤3)中最大时序效益点连线所处时序位置，确立目标缘线匹配组合(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))，以达到最佳效率展向分布曲线；其中，S(rhub)，S(rmid)，S(rtip)分别为根、中、尖典型截面前排叶片尾缘8和构成时序的下游叶片前缘7的周向无量纲距离；5)以上述目标缘线匹配组合(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))为中心，在一定SH、ST变化范围内进行缘线匹配组合；SH是根部缘线无量纲周向距离，ST是尖部缘线无量纲周向距离；6)对每一组缘线匹配组合进行时间精确三维非定常流动模拟；7)由时间精确三维非定常流动模拟整理出时均效率结果；8)将每一组时均效率结果以SH、ST为变量画等值线，由其中选出时均效率最高点；9)由步骤8)中时均效率最高点所对应坐标SH、ST重新积叠生成叶片。
2.根据权利要求1所述用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法，其特征在于，还包括步骤10)用时间精确三维非定常流动模拟对步骤9)生成的叶片进行时序效果最大化检验。
3.根据权利要求1所述用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法，其特征在于，所述步骤1)中对多级叶轮机在5个以上时序位置进行非定常流场时间精确模拟。
4.根据权利要求1所述用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法，其特征在于，在步骤5)中单独改变前排或后排相对静止叶片积叠，或同时改变。
5.根据权利要求1所述用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法，其特征在于，步骤5)中以目标(S(rhub)，S(rmid)，S(rtip))为中心变化缘线匹配组合(SH，ST)时，将叶中部固定在最佳时序位置附近。
6.根据权利要求1、2、3、4或5之一所述用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法，其特征在于，在步骤5)中还包括根据三维定常计算结果排除不良缘线匹配组合。
全文摘要
本发明公开了一种用于多级叶轮机的三维时序效益最大化方法。该方法包括包括1)对多级叶轮机在多个时序位置进行非定常流场时间精确模拟；2)分析整理一个时序周期内每个时序位置多级叶轮机时均效率的展向分布；3)沿展向连接各特征截面最大时序效益点；4)确立目标缘线匹配组合；5)对每一组缘线匹配组合进行时间精确三维非定常流动模拟；6)由时间精确三维非定常流动模拟整理出时均效率结果；7)将每一组时均效率结果以SH、ST为变量画等值线，由其中选出时均效率最高点；8)由步骤7)中时均效率最高点所对应坐标SH、ST重新积叠生成叶片。本发明适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域高效多级叶轮机研制。
文档编号F01D9/02GK1955440SQ20061005844
公开日2007年5月2日 申请日期2006年3月24日 优先权日2005年10月28日
发明者季路成 申请人:中国科学院工程热物理研究所