本发明涉及控制涡轮叶尖间隙流动的机匣及叶片联合造型方法，属于叶轮机械被动流动控制技术领域。
背景技术：
为避免动叶与机匣产生有摩擦的相对运动，涡轮叶栅与机匣之间会保留叶顶间隙，叶顶间隙的存在会使泄漏流体加速流入叶栅并在其吸力面一侧流出，最终卷起形成泄漏涡。正是由于泄漏涡的存在，使叶栅上通道涡造成的损失要明显强于下通道涡，因此，泄漏涡成为叶栅气动损失的主要来源之一，因此，采用各种流动控制方法来控制上通道涡的形成和发展成为了提高叶栅气动性能的重要手段。
目前，针对通道涡的流动控制方法主要分为主动流动控制和被动流动控制两种。其中，主动流动控制方法通常引入外加能量源，如射流漩涡发生器以及等离子体激励器，这种方法虽然能够在不同工况下进行调节，但实现结构复杂，成本较高；而被动流动控制方法主要通过改变几何结构实现对流场的调整，如翼刀，凹槽等，这种方法的实现结构简单，成本较低，但受制于有限工况。针对带有叶顶间隙的复杂环境，采用结构简单的被动控制方式更符合实际需求。
为保证旋转叶片与机匣间存在一定的裕度空间，现有的机匣处理研究多采用槽、缝相结合的形式，从节距方向来看，其构造的上端壁型线均满足特殊的锯齿状分布，通常来说，流体在连续光顺的表面流动受到的阻力最小。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决现有叶顶间隙的设置形式产生的泄漏涡与叶栅上通道涡易形成掺混损失，造成的能量损失大的问题，提供了一种控制涡轮叶尖间隙流动的机匣及叶片联合造型方法。
本发明所述控制涡轮叶尖间隙流动的机匣及叶片联合造型方法，它包括：
在轴流式涡轮转子叶栅内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面；
所述双峰高斯函数曲线表达式为：
其中x为机匣的轴向位置点，y为机匣的径向位置点，n1为第一峰峰高系数，n2为第一峰峰高位置系数，n3为第一峰峰宽系数，n4为第二峰峰高系数，n5为第二峰峰高位置系数，n6为第二峰峰宽系数；
机匣的轴向位置点x的定义域为叶片叶顶前缘前侧1％轴向弦长至尾缘后侧1％轴向弦长；机匣的径向位置点y的定义域为不超过2.5％叶高。
进一步地，它还包括构造与机匣内壁曲面相同的曲面贴片，所述曲面贴片用于相应的安置在叶片叶顶的上表面。
进一步地，所述叶片为直叶片。
本发明的优点：本发明以有限定义域内双峰高斯函数曲线为中弧线节距方向的型线，构建连续光顺的三维涡轮上端壁曲面，它通过双峰曲线的曲率变化使机匣内壁(涡轮上端壁)表面的压力重新分布，能使叶片吸力面侧中后部形成两个凹陷的低压区，使叶片上通道涡的位置整体沿叶高向机匣方向迁移，缩减其作用范围，并延缓上通道涡向下游扩张的趋势，有效的改善了流场中的流动情况，降低了涡轮叶栅转子能量损失。
采用本发明方法重新构造后的机匣及叶片结构简单，并且构造成本较低，对通道涡的控制效果良好。
附图说明
图1是采用本发明方法进行机匣及叶片联合造型的构造示意图；
图2是采用本发明方法构造的机匣的节距方向示意图；
图3是采用本发明方法构造机匣后的叶栅与平顶叶栅出口截面能量损失系数对比图；
图4是现有考虑叶顶间隙的平顶叶栅出口截面二次流线图；
图5是采用本发明方法构造机匣后的叶栅出口截面二次流线图；
图6是机匣与叶片的相对位置关系示意图；
图7是将图6中机匣与叶片分解后的结构示意图；
图8是图6的径向截面示意图；
图9是平顶叶栅原型的总压损失分布云图及三维流线分布图；
图10是采用本发明方法构造的机匣改型总压损失分布云图及三维流线分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的说明：
结合图1和图2所示，本实施方式所述控制涡轮叶尖间隙流动的机匣及叶片联合造型方法，它包括：
在轴流式涡轮转子叶栅1内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线2节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面3；
所述双峰高斯函数曲线表达式为：
其中x为机匣的轴向位置点，y为机匣的径向位置点，n1为第一峰峰高系数，n2为第一峰峰高位置系数，n3为第一峰峰宽系数，n4为第二峰峰高系数，n5为第二峰峰高位置系数，n6为第二峰峰宽系数；
结合图1和图2所示，机匣的轴向位置点x的定义域为叶片叶顶前缘4前侧1％轴向弦长至尾缘5后侧1％轴向弦长；机匣的径向位置点y的定义域为不超过2.5％叶高，可以取径向位置点y的取值不超过6mm。
本实施方式与其它通过槽、缝结构改造的机匣结构相比，构造的机匣曲线更加连续光顺，有利于降低局部流动损失，并有利于加工。本实施方式所构造的机匣结构通过6个系数(n1、n2、n3、n4、n5及n6)的给合决定，易于方案的优化。本发明方法构造的机匣结构在保证不增加泄漏的同时，降低了上通道涡所造成的损失，实现了涡轮叶栅气动性能的提升。
由于本公开中双峰高斯函数曲线的具体形状由6个系数决定，根据6因素5水平的正交实验设计方案，可以利用kriging法构建函数系数与出口截面能量损失的代理模型，并采用遗传算法对其进行优化，获得最佳双峰曲线方案。
图2所示，本发明的实施方式还包括构造与机匣内壁曲面3相同的曲面贴片6，所述曲面贴片6用于相应的安置在叶片叶顶的上表面。在叶片顶部安装曲面贴片6，是为了保证叶顶间隙的值恒定，与原间隙大小一致，避免间隙尺寸的改变对气动性能产生影响。通常，可取叶顶间隙的值为叶高的2.5％。
图6至图8给出了采用本发明方法构造的机匣结构的明确示意，其机匣的内壁曲面由高斯双峰函数曲线沿着节距方向(叶片厚度方向)拉伸而成，对于机匣来说，函数曲线峰值点为机匣处理最深点，对于动叶片来说，函数曲线峰值点为修型后叶片最高点。
本发明的实施方式所述叶片为直叶片。
具体实施例：
为了验证本发明的效果，对动叶平顶间隙原型叶栅及由双峰高斯函数曲线为型线的机匣处理叶栅进行了数值模拟。具体模拟参数和结果如下表所示：
表
如图3所示，通过对比原型与机匣处理方案的能量损失系数可以发现，与平顶原型叶栅曲线相比，采用双峰高斯函数曲线为型线的机匣内壁曲面曲线对上通道涡的影响较为显著，可以明显降低其所带来的能量损失，其能够减小90％叶高以上范围内的损失。整体性能参数表明，本发明方法的机匣处理方案可以相对减小10.9％的总压能量损失系数，并使泄漏量下降了17.8％。
结合图4和图5及图9和图10所示，通过对比原型与机匣处理方案出口截面二次流线图可以发现，平顶原型叶栅中，上通道涡与泄漏涡的周向作用范围几乎一致，旋向相反。而采用双峰高斯函数曲线为型线的涡轮上端壁曲面明显缩减了泄漏涡的尺度，虽然加大了上通道涡的影响范围，但是能够缩减上通道涡的作用范围，使其周向扩张尺度小于泄漏涡，有效阻碍泄漏的发生，很大程度上避免了泄漏涡与上通道涡之间强烈的掺混损失。表明本发明方案可以有效抑制上通道涡的发展，能显著降低上通道涡带来的能量损失，提高叶栅整体的气动性能。