一种压气机端区流动控制建构的建立方法与流程

[0001]
本发明涉及的是一种压气机设计方法，具体地说是压气机静子叶片进口处的端壁进行凹凸结构造型的方法。


背景技术：

[0002]
随着制造技术的发展以及叶轮机械气动热力学研究能力的逐步提高，燃气轮机技术的发展态势更加迅猛，其役用标准也不断提高，作为燃气轮机的核心部件—压气机，其气动性能的提升也成为了当今的研究重点。基于对压气机压比需求的不断提升，导致其内部的逆压梯度随之变大，使得压气机内部流动变的更加复杂，端区横向二次流动对压气机流场特性的恶化作用也较为突出，端壁形成的三维角区分离涡结构对于压气机的气动性能也有较严重的影响。为了保证压气机叶栅内部流动的稳定，改善其端区的横向流动并进而提高压气机级气动性能，国内外学者从端璧流动控制的角度提出了一系列的流动控制思路和端壁结构，包括非轴对称端璧、端区小翼、机匣处理等结构，通过干扰端区的漩涡结构实现减阻和扩稳的目的，取得了良好的效果。
[0003]
在20世纪60年代，deich对压气机叶栅的流动进行的收缩，降低斜切区域以及周围区域边界层的厚度，在一定程度上起到了抑制附面层分离的作用，降低了叶栅损失。基于此研究结果，人们发现子午流道的收缩能够改变通道内的压力分布，而达到抑制二次流的作用。到了20世纪80年代，一种新型涡轮端壁造型设计被提出，这种新型端壁的特征主要是周向非轴对称以及流向轴对称的凹凸设计。在接近21世纪时，schnaus和forner应用了这种端壁造型设计，使叶栅子午流道产生了一定的收缩效应，这一结果较为有效的削弱了端壁附近的二次流损失，并增加了出口流场的均匀度，但却导致了叶栅损失的增加。在此基础上，研究学者对涡轮叶栅的端壁造型设计展开了广泛的研究。
[0004]
压气机内部的非轴对称端壁造型研究相对于涡轮较晚，2002年hoeger在跨音速压气机中尝试应用了非对称端壁造型技术，有效降低了激波损失，同时发现非对称端壁的流动控制手段不仅能够影响到轮毂区域的流动，还能对一定叶高范围内的流场均产生流动改善的作用。2007年dorfner应用了端壁造型方法，进行压气机内部流场的控制，发现其对压气机端区流场结构的影响是较为显著的，但仍未整理出清晰的压气机端区流动控制方法。2011年吴吉昌等人对大折转角的压气机叶栅进行了非对称端壁造型改造，发现其端壁流动控制手段降低了二次流损失，并且提高了压气机的效率0.45％。
[0005]
传统的非轴对称端壁造型方式主要在涡轮中已经获得了一定的应用，并且取得了良好的流动控制效果，但是在压气机内部流动控制领域的应用还很少，而且结构形式单一，流动控制效果有待提高，传统的非轴对称端区造型能够削弱端区的二次流动，提高叶栅出口的流场均匀度，但并不能有效的降低叶栅损失。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供在改善端区二次流动的同时还能够有效降低叶栅的总压
损失，起到提高压气机气动性能目的的一种压气机端区流动控制建构的建立方法。
[0007]
本发明的目的是这样实现的：
[0008]
本发明一种压气机端区流动控制建构的建立方法，其特征是：
[0009]
端壁凹凸结构的造型受正弦函数控制，轴向视图上，其形状由式控制，周向视图由式进行控制：
[0010]
h表示叶高，l表示栅距，参数a表示的是参数与叶片高度的关系，参数b表示的是参数与叶栅栅距的关系，c表示叶片弦长，c＝a/2，参数d表示的是参数与叶片弦长的关系；
[0011]
对于a，b，d三个参数，结合压气机静叶的扩散因子d
f
以及总压损失系数cl
tp
这两个关键特性，对端区凹凸结构进行参数化数值模拟，得出相应参数的选取规律，给出不同扩散因子下总压损失系数随参数变化的曲线：
[0012]
对于参数a，建立cl
tp
与参数a之间的变化关系：cl
tp
与参数a之间的曲线方程为：
[0013]
cl
tp
＝a4·
a4+a3·
a3+a2·
a2+a1·
a+a0[0014]
根据变扩散因子—总压损失系数—参数变化曲线，根据需求进行参数a的选取；
[0015]
对于参数b，建立cl
tp
与参数b之间的变化关系，cl
tp
与参数b之间的曲线方程为：
[0016]
cl
tp
＝b4·
b4+b3·
b3+b2·
b2+b1·
b+b0[0017]
对于参数b的选取，在参照方程组的同时，进行实际周期大小参数的计算，并对其数值进行相应调整，以保证实际应用于叶轮中时，其正弦曲线的周期数量为整数；
[0018]
对于参数d，建立cl
tp
与参数d之间的变化关系，cl
tp
与参数d之间的曲线方程为：
[0019]
cl
tp
＝d4·
d4+d3·
d3+d2·
d2+d1·
d+d0[0020]
通过cl
tp
与参数a、b、d之间的曲线方程，以及式c＝a/2，根据不同扩压因子下总压系数的取值，完成参数a，b，c，d的选取，完成控制端区凹凸结构造型曲线，完成端区流动控制建构的建立。
[0021]
本发明还可以包括：
[0022]
1、考虑到叶型的实际应用损失范围，当扩散因子d
f
分别取0.35、0.40、0.45、0.50、0.55时：
[0023]
对于参数a，建立总压损失系数cl
tp
与参数a之间的变化关系，cl
tp
与参数a之间的曲线方程如下式所示：
[0024][0025]
根据变扩散因子—总压损失系数—参数变化曲线，根据需求进行参数a的选取；
[0026]
对于参数b，建立cl
tp
与参数b之间的变化关系，cl
tp
与参数b之间的曲线方程如下式所示以进行参数b的选取：
[0027][0028]
对于参数d，建立cl
tp
与参数d之间的变化关系，cl
tp
与参数d之间的曲线方程如下式所示以进行参数d的选取，
[0029][0030]
2、为了保证端区凹凸结构不对叶栅流场产生过渡扰动，a的取值范围是[1％，5％]；为了避免周期过小导致的端区凹凸结构产生剧烈的曲率变化影响流场结构，并产生应力集中影响实际加工使用的情况，参数b的取值范围是
[0031]
[20％，70％]，为了避免参数d过小导致的凹凸结构的轴向长度过小引起的曲率剧烈变化，产生应力集中而影响实际加工使用，同时凹凸结构的轴向长度小于动叶尾缘与静叶前缘之间轴向距离的75％，参数d的取值范围是[4％，12％]。
[0032]
本发明的优势在于：
[0033]
1、通过在叶栅进口处布置的端壁凹凸结构，能够对来流起到整流作用，并在波峰波谷压力差的作用下，在凹凸变化的端壁曲面之间因剪切力形成成对的流向涡结构。相比于非对称端壁造型技术对流道内的压力梯度进行改变，本专利相应的流动控制机理有所不同，并且能更有效的起到降低端区吸力面、压力面的压差(见附图2)，削弱横向二次流动的作用(见附图3)，有效改善角区分离现象，提高叶栅的气动性能。
[0034]
2、采用轮盘嵌套的装配方式，相比基于正弦曲线在进行子午流道收缩扩张的非对称端壁造型技术而言，这种端壁流动控制手段更易于安装、拆卸，并且该结构的应用具有可选择性。
附图说明
[0035]
图1为端壁凹凸结构的曲线控制方式；
[0036]
图2a为带有端壁凹凸结构造型方程的参数化性能曲线(a参数)，图2b为带有端壁凹凸结构造型方程的参数化性能曲线(b参数)，图2c为带有端壁凹凸结构造型方程的参数化性能曲线(d参数)；
[0037]
图3为带有端壁凹凸结构压气机叶栅的典型流场结构变化示意图；
[0038]
图4为1.5级压气机叶片实际应用本发明端区控制结构的周向视图；
[0039]
图5a为压气机静叶叶轮应用示意图，图5b为图5a局部放大图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[0041]
结合图1-5b，将凹凸端壁造型布置于叶栅进口前的位置，其中：
[0042]
1、端壁凹凸结构的造型受正弦函数控制，其中，轴向视图上，其形状由式(1)控制，周向视图有式(2)进行控制：
[0043][0044][0045]
对于式(1)其中参数a影响端壁凹凸结构的幅值，参数b影响端壁凹凸结构的周期，h表示叶高，l表示栅距。由于正弦函数的周期性以及对称性，使这种新型压气机端壁结构能够保证平均轮毂半径以及叶栅通流面积均与原始静子相同。
[0046]
对于式(2)其中参数c影响端壁凹凸结构的幅值，参数d影响端壁凹凸结构的周期，h表示叶高，c表示叶片弦长。建立周期的余弦函数，使得定义域内的两端，函数的切线斜率逐渐趋近于0，保证了为保证端壁凹凸结构与端壁平面的光滑过渡，基于式(1)(2)的进口端壁凹凸结构如附图1所示。
[0047]
2、对于上述式(1)(2)中，参数的设定将遵循如下选取规律：
[0048]
参数c：对于式(1)中的参数a以及式(2)中的参数c，保证c＝a/2，为模型要求，详情参见附图1。
[0049]
参数a，表示的是参数与叶片高度的关系，即实际幅值＝a*h(h表示叶高)参数b，表示的是参数与叶栅栅距的关系，即实际周期＝b*l(l表示栅距)
[0050]
参数d，表示的是参数与叶片弦长的关系，即轴向实际长度＝d*c(c表示弦长)
[0051]
对于a，b，d三个参数，结合压气机静叶的扩散因子以及总压损失系数这两个关键特性，对端区凹凸结构进行参数化数值模拟研究，得出相应参数的选取规律，给出不同扩散因子下总压损失系数随参数变化的曲线。
[0052]
对于参数a，建立总压损失系数(cl
tp
)与参数a之间的变化关系：当扩散因子(d
f
)取一定值时，cl
tp
与参数a之间的曲线方程为：
[0053]
cl
tp
＝a4·
a4+a3·
a3+a2·
a2+a1·
a+a0ꢀꢀ
(3)
[0054]
根据变扩散因子—总压损失系数—参数变化曲线，可以根据需求进行参数a的选取。
[0055]
类似地，对于参数b，建立cl
tp
与参数b之间的变化关系，cl
tp
与参数b之间的曲线方程为：
[0056]
cl
tp
＝b4·
b4+b3·
b3+b2·
b2+b1·
b+b0ꢀꢀ
(4)
[0057]
对于参数b的选取，除了应当参照方程组的同时，还应当在参照方程组进行取值后，进行实际周期大小参数的计算，并对其数值进行相应调整，以保证实际应用于叶轮中时，其正弦曲线的周期数量为整数，以保证压气机叶轮端区凹凸结构的完整性。
[0058]
对于参数d，建立cl
tp
与参数d之间的变化关系，cl
tp
与参数d之间的曲线方程为：
[0059]
cl
tp
＝d4·
d4+d3·
d3+d2·
d2+d1·
d+d0ꢀꢀ
(5)
[0060]
为了避免参数d过小导致的凹凸结构的轴向长度过小引起的曲率剧烈变化，产生应力集中而影响实际加工使用，同时由于凹凸结构的轴向长度的限制，也限制了参数d的取值范围。
[0061]
通过式组(3)～(5)，以及式c＝a/2，根据不同扩压因子下总压系数的取值，完成参数a，b，c，d的选取，完成控制端区凹凸结构造型曲线，完成端区流动控制建构的建立。
[0062]
考虑到叶型的实际应用损失范围，当扩散因子(d
f
)分别取0.35、0.40、0.45、0.50、0.55时：
[0063]
对于参数a，建立总压损失系数(cl
tp
)与参数a之间的变化关系，cl
tp
与参数a之间的曲线方程如s式(6)所示。根据变扩散因子—总压损失系数—参数变化曲线，可以根据需求进行参数a的选取，其中为了保证端区凹凸结构不对叶栅流场产生过渡扰动，则a的取值范围是[1％，5％]。
[0064][0065]
对于参数b，建立cl
tp
与参数b之间的变化关系，cl
tp
与参数b之间的曲线方程如式(7)所示以进行参数b的选取，为了避免周期过小导致的端区凹凸结构产生剧烈的曲率变化影响流场结构，并产生应力集中影响实际加工使用的情况，参数b的取值范围是[20％，70％]。
[0066]
对于参数b的选取，除了应当参照下式(7)的方程组，还应当在参照方程组进行取值后，进行实际周期大小参数的计算，并对其数值进行相应调整，以保证实际应用于叶轮中时，其正弦曲线的周期数量为整数，保证压气机叶轮端区凹凸结构的完整性。
[0067][0068]
对于参数d，建立cl
tp
与参数d之间的变化关系，d
f
分别为0.35、0.40、0.45、0.50、0.55时，cl
tp
与参数d之间的曲线方程如式(8)所示以进行参数d的选取，为了避免参数d过小导致的凹凸结构的轴向长度过小引起的曲率剧烈变化，产生应力集中而影响实际加工使用，同时凹凸结构的轴向长度也应当小于动叶尾缘与静叶前缘之间轴向距离的75％，则参数d的取值范围是[4％，12％]。
[0069][0070]
然后通过式组(6)～(8)，以及式c＝a/2，根据不同扩压因子下总压系数的取值，最终完成参数a，b，c，d的选取，完成控制端区凹凸结构造型曲线，进而完成端区流动控制建构的建立。
[0071]
附图1为本专利所示的一种新型压气机端区流动控制结构的轴向示意图，该端壁凹凸结构布置在压气机叶片进口位置，而并非在槽道内部。实际装配过程中，可以采用轮盘嵌套等装配方式，结构简单、易于拆卸，并且可以有选择性进行端区凹凸结构的应用。附图1中，所示端区凹凸结构受两个方向的曲线影响，具体曲线情况见技术方案对式(1)(2)的解释。
[0072]
附图2a-c为本专利所示的端区凹凸结构控制曲线的参数选取规律曲线，附图2中的(a)(b)(c)图分别代表了参数a，b，d的选取，具体选取方式参考技术方案中式组(3)～(5)。
[0073]
附图3为本专利所示的一种新型压气机端区流动控制结构对流场结构的影响，附图3左为典型压气机静叶的旋涡结构示意图，附图3右为进口处布置了端区凹凸结构后压气机叶栅旋涡结构的变化。由于端区凹凸结构的存在，使得气流流经凹凸曲面后，形成了波峰与波谷之间的压力梯度，产生了剪切力而使得附面层发生了卷曲，形成了流向涡结构，能够有效的抑制横向流动，改善角区分离现象，起到了降低端区二次流损失，优化流场结构的作用。
[0074]
附图4为本专利所示的一种新型压气机端区流动控制结构应用在实际1.5级压气机中的示意图。端区凹凸结构布置在动叶与静叶之间，距离静叶前缘保持一定距离，该结构的各项参数选取见附图2a-c所示以及技术方案中的定义。附图5a为本专利所示的一种新型压气机端区流动控制结构布置在压气机静子的三维模型图，相比于压气机叶栅的端壁凹凸造型，在叶轮上进行凹凸造型需要在轴向视图的轮毂圆曲线以及轴向视图的端壁型线进行曲线坐标变换，建模后的示意图如附图5a图所示。