一种无导叶对转涡轮一维气动设计方法与流程

本发明属于无导叶对转涡轮的气动设计技术领域，具体涉及一种无导叶对转涡轮一维气动设计方法。

背景技术：

无导叶对转涡轮的气动设计中，基元级速度三角形分析是最为重要的方法。在初步研究阶段，往往选择若干速度三角形关键参数和涡轮的气动性能参数，利用模型分析、数值模拟或实验测试的手段，研究关键参数的取值对涡轮气动性能的影响关系。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种无导叶对转涡轮一维气动设计方法，以快速、准确评估无导叶对转涡轮气动性能，实现对转涡轮的优化设计。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无导叶对转涡轮一维气动设计方法，该方法中，对于无导叶对转涡轮，推导出涡轮的出功比、高压涡轮效率、低压涡轮效率、涡轮总效率这几个参数随基元级的气动性能参数的变化，从而基于基元级的气动性能参数设计涡轮的出功比、高压涡轮效率、低压涡轮效率、涡轮总效率这几个参数。

优选地，该方法中，设高压动叶、低压动叶圆周速度分别为ua、ub，则基元级的气动性能由以下7个变量确定，分别是：

第一级静叶出口气流角α1；

流量系数φ＝c1z/ua；

动叶出口相对气流角β2；

高压级轴向速度比k21＝c2z/c1z；

高压动叶与低压动叶圆周速度比uab＝ua/ub；

轴向速度比k43＝c4z/c3z；

出口绝对气流角α4；

其中，c表示绝对速度，下标1、2、3、4分别表示高转进口、高转出口、低转进口、低转出口，下标z表示轴向速度。

优选地，该方法中，进一步定义高压涡轮的载荷系数为：

其中，lua为高压涡轮轮缘功；δcua为高转扭速；

上式中

c2u为高转出口切向速度；w2u为高转出口速度周向分量；w2z为高转出口速度轴向分量；

定义低压涡轮的载荷系数为：

lub为低转涡轮轮缘功；δcub为低转扭速；c3u、c4u为低转进口、低转出口切向速度；α3为低压涡轮转子进口绝对气流角；

对于涡轮基元级，采用如下效率定义公式：

lu为涡轮轮缘功；lr为涡轮损失功率；w2为高转出口速度；

在基元级假设下，对转涡轮高压级的效率为：

上式中

其中，δcua为高转扭速；w2为高转出口速度。

优选地，对于低压涡轮，进一步得到涡轮的效率为：

上式中

ψa，ψb分别为静叶速度系数、第一级动叶速度系数、第二级动叶速度系数。w4为低转出口速度；w4u为低转出口切向速度；w4z低转出口轴向速度。

优选地，进一步得到高低压涡轮出功比为：

优选地，进一步得到涡轮的总效率表示为：

从而涡轮的出功比、高压涡轮效率、低压涡轮效率、涡轮总效率等参数，均可由所述7个变量计算出来。

优选地，高低压涡轮落压比分别为1.97和3.2，转速分别为48491rpm和35000rpm时，选取α1＝16度，β2＝161.5度，k43＝1。

优选地，基于总效率和出功比的影响选择流量系数。

本发明还提供了一种所述的方法设计得到的无导叶对转涡轮。

本发明还提供了一种所述的方法在无导叶对转涡轮的气动设计技术领域中的应用。

(三)有益效果

本发明根据无导叶对转涡轮设计特点，给出无导叶对转涡轮速度三角形关键参数的选取方法或合理的取值范围，进而探讨和发展无导叶对转涡轮一维气动设计方法。此设计方法可以快速、准确评估无导叶对转涡轮气动性能，并通过合理的选择设计参数，实现对转涡轮的优化设计。

附图说明

图1为对转涡轮基元级速度三角形示意图；

图2为对转涡轮基元级焓熵图；

图3为涡轮效率功率比随流量系数的变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明在大量的速度三角形正问题研究的基础上，根据涡轮气动设计的具体要求，给出了无导叶对转涡轮速度三角形关键气动参数的选取方法，并研究这些变量的合理取值范围及其对涡轮气动性能的影响，重点讨论这些参数对涡轮效率、出功比等参数的影响，给出了无导叶对转涡轮一维气动设计方法。

参考图1，图2，本发明提供的一种无导叶对转涡轮一维气动设计方法，包括以下步骤：对于无导叶对转涡轮，推导出涡轮的出功比、高压涡轮效率、低压涡轮效率、涡轮总效率这几个参数随基元级的气动性能参数的变化，从而基于基元级的气动性能参数设计涡轮的出功比、高压涡轮效率、低压涡轮效率、涡轮总效率这几个参数。

其中，设高压动叶、低压动叶圆周速度分别为ua、ub，则基元级的气动性能可由以下7个变量确定，分别是：

第一级静叶出口气流角α1；

流量系数φ＝c1z/ua；

动叶出口相对气流角β2；

高压级轴向速度比k21＝c2z/c1z；

高压动叶与低压动叶圆周速度比uab＝ua/ub；

轴向速度比k43＝c4z/c3z；

出口绝对气流角α4；

其中，c表示绝对速度，下标1、2、3、4分别表示高转进口、高转出口、低转进口、低转出口，下标z表示轴向速度，例如，c1表示高转进口的绝对速度，c1z表示高转进口的轴向绝对速度；

定义高压涡轮的载荷系数为：

其中，lua为高压涡轮轮缘功；δcua为高转扭速；

上式中

c2u为高转出口切向速度；w2u为高转出口速度周向分量；w2z为高转出口速度轴向分量；

定义低压涡轮的载荷系数为：(忽略子午扩张影响有)

lub为低转涡轮轮缘功；δcub为低转扭速；c3u、c4u为低转进口、低转出口切向速度；α3为低压涡轮转子进口绝对气流角；

对于涡轮基元级，可采用如下效率定义：

lu为涡轮轮缘功；lr为涡轮损失功率；w2为高转出口速度；φ为静叶速度损失系数；

在基元级假设下，对转涡轮高压级的效率为：

上式中

其中，δcua为高转扭速；w2为高转出口速度；

对于低压涡轮，涡轮的效率为：

上式中

ψa，ψb分别为静叶速度系数、第一级动叶速度系数、第二级动叶速度系数。w4为低转出口速度；w4u为低转出口切向速度；w4z低转出口轴向速度；

高低压涡轮出功比为：

则涡轮的总效率表示为：

从上面的公式可以看出，涡轮的出功比、高压涡轮效率、低压涡轮效率、涡轮总效率等参数，均可由前面定义的7个参数计算出来。涡轮的出功比、总效率是参数选取过程中，要重点考虑的问题，同时也希望涡轮出口气流角偏离轴向不超过10°。

以某高低压涡轮落压比分别为1.97和3.2，转速分别为48491rpm和35000rpm为例，选取α1＝16度，β2＝161.5度，k43＝1，研究涡轮总效率和出功比随着流量系数和高压动叶进出口轴向速度比的变化，见图3。

从图3可以看出，高压涡轮动叶进出口轴向速度比(k21)对无导叶对转涡轮效率和出功比都有较大影响。轴向速度比不同，对转涡轮效率极值点对应的流量系数变化较大；相同的轴向速度比下，效率随流量系数的变大先增大后减小；轴向速度比越大，最高效率对应的流量系数越小，效率极值点后效率下降幅度越大；轴向速度比对对转涡轮出功比影响明显，流量系数相同时，轴向速度比越大越有利于降低对转涡轮出功比，并且当轴向速度比较大时，如图中所示的k21＝2.5时，对转涡轮出功比可以很快降低到一个较低的水平，在此之后，出功比随着流量系数的增加缓慢降低；当轴向速度比增加到一定程度时，出功比降低幅度并不明显。

在选择流量系数时应充分考虑效率和出功比的影响。在相同轴向速度比，总效率达到最高点对应的流量系数附近，流量系数对出功比的影响比较明显，只有继续增大流量系数时，出功比变化才平缓。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。