虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法技术

本发明专利技术属于燃气轮机设备技术领域，具体涉及一种虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法，该方法对原始气动设计叶型进行离心力作用下的非线性静力学分析，得到初始预测冷态叶型，然后通过流固耦合求解的反复迭代，获得最终过渡热态叶型以及对应的冷态加工叶型，并根据冷态加工叶型在不同工况下的最终热态叶型，进行整个压气机全工况的三维粘性流场分析求解，验证反扭设计结果。将反扭角数值作为收敛条件，以此为基础构建整个舰船燃机压气机动叶片反扭设计过程，并将整个压气机的气动性能校核结果作为反扭设计的最终判别依据，实现了反扭设计与压气机工程设计的无缝连接，提高了反扭设计效率，具有重要的工程应用价值。

An inverse torsional design method considering the effect of pre deformation of compressor blades in naval vessels

The invention belongs to the technical field of gas turbine equipment, in particular relates to a reverse torsion design method taking into account the influence of pre-deformation of compressor blade of marine gas turbine. The method carries out nonlinear static analysis of the original aerodynamic design blade under centrifugal force, obtains the initial prediction of cold blade shape, and then solves it by FLUID-SOLID coupling method. The final transient hot profile and the corresponding cold-worked profile are obtained by iteration, and the three-dimensional viscous flow field of the whole compressor is analyzed and solved according to the final hot profile of the cold-worked blade under different working conditions, and the results of the reverse-torsion design are verified. Taking the numerical value of anti-torsion angle as the convergence condition, the whole process of anti-torsion design of marine gas turbine compressor blade is constructed, and the aerodynamic performance check result of the whole compressor is taken as the final criterion of anti-torsion design. The seamless connection between anti-torsion design and compressor engineering design is realized, and the efficiency of anti-torsion design is improved. It has important engineering application value.

【技术实现步骤摘要】
虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法
：本专利技术属于燃气轮机设备
，具体涉及一种虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法。
技术介绍
：压气机的性能直接决定着舰船燃气轮机的总体性能指标。随着舰船燃气轮机的不断发展，现如今压气机动叶片有着更高的负载能力及叶尖切线速度。为此，压气机的动叶片常常采用较为复杂的三维空间构型以及更薄的叶身厚度，使得叶片相对刚性下降，在气动载荷和离心载荷的共同作用下，容易产生较大变形。而叶型是决定压气机性能的关键要素，在压气机工作过程中确保其叶片形状尽量接近气动设计状态，是实现压气机设计指标的重要环节及保证。叶片在实际工作状态下的变形，会对叶型安装角、叶尖间隙及进出口几何角等产生影响，使得压气机内的流动状况与设计预期有一定偏差，特别是对于进口跨音速级而言，叶片变形会引起激波位置移动，从而偏离其最佳设计点，进而影响压气机性能及效率，甚至带来气弹稳定性等问题。只有在压气机运行过程中，叶片实际工作状态的叶型（热态叶型）与气动设计叶型相吻合，才能获得叶片的最佳气动性能。为此，在压气机设计过程中，必须充分考虑叶片变形对气动性能的影响，进行叶片从气动设计叶型到冷态加工叶型的反推设计过程，即叶片的反扭设计。由于舰船燃气轮机的运行特点，要求其压气机具有中高转速效率高、全工况范围内稳定裕度大等特征。为了实现全工况性能指标，必须充分考虑到不同工况下压气机动叶片的预变形情况，并且针对叶片在全工况范围内的不同实际状态进行气动性能校核，从而保证舰船燃机压气机的性能要求。因此，发展适合工程设计应用的、能够充分虑及叶片预变形影响的压气机动叶片反扭设计方法具有十分重要的意义。
技术实现思路
：本专利技术的目的是为了解决舰船燃机压气机在实际运行过程中由于动叶片变形所导致的压气机性能衰减问题，进而提供了一种虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法。本专利技术采用的技术方案为：一种虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法，包括以下步骤：步骤一：以气动设计方案的叶片几何叶型作为原始设计叶型，构建原始设计叶型的几何模型；步骤二：对原始设计叶型进行网格离散，根据叶片材料性能参数，形成叶片有限元模型，结合设计工况点转速要求，进行叶片在离心力作用下的非线性静力学分析，得到叶片不同叶高位置安装角及进出口几何角的变化量，计算出叶片不同叶高位置的反扭角数值；步骤三：根据以上计算得到的反扭角，反向调整原始气动叶型对应叶高位置的安装角及进出口几何角，重新生成叶片几何模型，以此来构建初始预测冷态叶型；步骤四：进行压气机叶栅通道流体域的网格离散，以初始预测冷态叶型为起点，进行流场定常流动分析，从而获得一个定常流动解；步骤五：将以上定常流动解作为初场，进行流固耦合数值求解，采用动网格技术调整流体域网格节点，尽量保证每一次流场求解的网格质量一致性，并通过守恒三维插值法完成流体/固体交界面的数据交换，将流体域计算获得的压力载荷传递到叶片固体域上，完成叶片在离心力和气动力共同作用下的有限元分析，获得初始过渡热态叶型；步骤六：将初始过渡热态叶型与原始设计叶型进行对比并重新计算反扭角数值，得到新的预测冷态叶型，再次进行步骤五的流固耦合求解计算，获得新的过渡热态叶型；步骤七：以新的过渡热态叶型与原始设计叶型之间的反扭角数值作为反扭设计收敛条件，重复进行步骤六的求解迭代，直至过渡热态叶型与原始设计叶型之间的反扭角数值满足设计收敛要求；步骤八：根据以上迭代求解的最终结果，得到最终过渡热态叶型对应的冷态加工叶型；步骤九：按照步骤五的方法，对冷态加工叶型进行不同工况下的流固耦合求解计算，获得在不同工况离心力和气动力共同作用下相对应的最终热态叶型；步骤十：根据叶片不同工况下的最终热态叶型，进行整个压气机全工况的三维粘性流场分析求解，将得到的压气机性能计算结果与气动设计特性进行比较，若满足性能要求，则整个反扭设计过程结束；若压气机性能下降不能满足设计要求，则减小反扭角收敛条件，重新进行以上反扭设计过程，直至压气机性能达到预期目标为止，最终得到满足舰船燃机压气机全工况性能的冷态加工叶型。进一步地，所述步骤二中所述的叶片不同叶高位置的反扭角具体为：叶片在实际工作状态下的热态叶型与原始设计叶型之间的角度差值特征量，该角度差值特征量是综合考虑不同叶高位置叶片安装角与进出口几何角的变化量得到的。进一步地，以叶片反扭角作为判断舰船燃机压气机动叶片预变形对气动性能影响的首要因素，将反扭角数值作为收敛条件，以此为基础构建整个舰船燃机压气机动叶片反扭设计过程。进一步地，步骤七中所述的以新的过渡热态叶型与原始设计叶型之间的反扭角数值作为反扭设计收敛条件具体为：过渡热态叶型与原始设计叶型各对应叶高截面之间的反扭角数值均小于0.1°。进一步地，步骤十中所述的整个压气机全工况的三维粘性流场分析求解具体为：在反扭设计过程中的反扭角数值达到收敛要求后，必须按照压气机原始气动设计过程中所采用的三维粘性流场分析方法，对反扭设计结果进行相同工况条件下的三维流场分析对比，并将对比结果作为反扭设计是否达到预期目标的最终判别依据。进一步地，所述叶片造型、网格离散、有限元求解以及三维粘性流场求解均使用具有自主知识产权的软件或通用的商业软件完成。本专利技术的有益效果：解决了舰船燃机压气机在实际运行过程中由于动叶片变形所导致的压气机性能衰减问题。主要优点如下：（1）、以叶片反扭角作为判断舰船燃机压气机动叶片预变形对气动性能影响的首要因素，将反扭角数值作为收敛条件，以此为基础构建整个舰船燃机压气机动叶片反扭设计过程。反扭角综合考虑了叶片安装角与进出口几何角的变化量，可以直接在叶片造型设计程序中直接调整，实现了反扭设计与压气机工程设计的无缝连接，提高了反扭设计效率，具有重要的工程应用价值；（2）、虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法充分考虑舰船燃机压气机特点，以整个压气机的气动性能校核结果作为反扭设计的最终判别依据，针对叶片在不同工况下的实际工作状态进行气动特性校核对比，以确保最终得到的冷态加工叶型能够满足舰船燃机压气机的全工况性能要求；（3）、压气机动叶片反扭设计方法具有通用性，不只局限于舰船燃机压气机叶片，同样适用于航空发动机、陆用及其他领域燃气轮机压气机叶片的反扭设计过程。附图说明：图1是本专利技术的流程框图。具体实施方式：参照图1，一种虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：步骤一：以气动设计方案的叶片几何叶型作为原始设计叶型，使用自主知识产权叶片造型软件或通用商业几何构型软件构建原始设计叶型的几何模型；步骤二：使用有限元网格划分软件对原始设计叶型进行网格离散，根据叶片材料获取弹性模量、密度及泊松比等性能参数，形成叶片有限元模型，结合设计工况点转速要求，施加有限元计算的离心力及位移约束边界条件，使用有限元软件进行叶片在离心力作用下的非线性静力学分析，得到叶片不同叶高位置安装角及进出口几何角的变化量，计算出叶片不同叶高位置的反扭角数值。步骤三：根据以上计算得到的反扭角，在叶片造型软件中反向调整原始气动叶型对应叶高位置的安装角及进出口几何角，重新生成叶片几何模型，以此来构建初始预测冷态叶型；步骤四：采用流体网格划分软件进行压气机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：以气动设计方案的叶片几何叶型作为原始设计叶型，构建原始设计叶型的几何模型；步骤二：对原始设计叶型进行网格离散，根据叶片材料性能参数，形成叶片有限元模型，结合设计工况点转速要求，进行叶片在离心力作用下的非线性静力学分析，得到叶片不同叶高位置安装角及进出口几何角的变化量，计算出叶片不同叶高位置的反扭角数值；步骤三：根据以上计算得到的反扭角，反向调整原始气动叶型对应叶高位置的安装角及进出口几何角，重新生成叶片几何模型，以此来构建初始预测冷态叶型；步骤四：进行压气机叶栅通道流体域的网格离散，以初始预测冷态叶型为起点，进行流场定常流动分析，从而获得一个定常流动解；步骤五：将以上定常流动解作为初场，进行流固耦合数值求解，采用动网格技术调整流体域网格节点，尽量保证每一次流场求解的网格质量一致性，并通过守恒三维插值法完成流体和固体交界面的数据交换，将流体域计算获得的压力载荷传递到叶片固体域上，完成叶片在离心力和气动力共同作用下的有限元分析，获得初始过渡热态叶型；步骤六：将初始过渡热态叶型与原始设计叶型进行对比并重新计算反扭角数值，得到新的预测冷态叶型，再次进行步骤五的流固耦合求解计算，获得新的过渡热态叶型；步骤七：以新的过渡热态叶型与原始设计叶型之间的反扭角数值作为反扭设计收敛条件，重复进行步骤六的求解迭代，直至过渡热态叶型与原始设计叶型之间的反扭角数值满足设计收敛要求；步骤八：根据以上迭代求解的最终结果，得到最终过渡热态叶型对应的冷态加工叶型；步骤九：按照步骤五的方法，对冷态加工叶型进行不同工况下的流固耦合求解计算，获得在不同工况离心力和气动力共同作用下相对应的最终热态叶型；步骤十：根据叶片不同工况下的最终热态叶型，进行整个压气机全工况的三维粘性流场分析求解，将得到的压气机性能计算结果与气动设计特性进行比较，若满足性能要求，则整个反扭设计过程结束；若压气机性能下降不能满足设计要求，则减小反扭角收敛条件，重新进行以上反扭设计过程，直至压气机性能达到预期目标为止，最终得到满足舰船燃机压气机全工况性能的冷态加工叶型。...

【技术特征摘要】
2018.02.08 CN 20181012695301.一种虑及舰船燃机压气机动叶片预变形影响的反扭设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：以气动设计方案的叶片几何叶型作为原始设计叶型，构建原始设计叶型的几何模型；步骤二：对原始设计叶型进行网格离散，根据叶片材料性能参数，形成叶片有限元模型，结合设计工况点转速要求，进行叶片在离心力作用下的非线性静力学分析，得到叶片不同叶高位置安装角及进出口几何角的变化量，计算出叶片不同叶高位置的反扭角数值；步骤三：根据以上计算得到的反扭角，反向调整原始气动叶型对应叶高位置的安装角及进出口几何角，重新生成叶片几何模型，以此来构建初始预测冷态叶型；步骤四：进行压气机叶栅通道流体域的网格离散，以初始预测冷态叶型为起点，进行流场定常流动分析，从而获得一个定常流动解；步骤五：将以上定常流动解作为初场，进行流固耦合数值求解，采用动网格技术调整流体域网格节点，尽量保证每一次流场求解的网格质量一致性，并通过守恒三维插值法完成流体和固体交界面的数据交换，将流体域计算获得的压力载荷传递到叶片固体域上，完成叶片在离心力和气动力共同作用下的有限元分析，获得初始过渡热态叶型；步骤六：将初始过渡热态叶型与原始设计叶型进行对比并重新计算反扭角数值，得到新的预测冷态叶型，再次进行步骤五的流固耦合求解计算，获得新的过渡热态叶型；步骤七：以新的过渡热态叶型与原始设计叶型之间的反扭角数值作为反扭设计收敛条件，重复进行步骤六的求解迭代，直至过渡热态叶型与原始设计叶型之间的反扭角数值满足设计收敛要求；步骤八：根据以上迭代求解的最终结果，得到最终过渡热态叶型对应的冷态加工叶型；步骤九：按照步骤五的方法，对冷态加工叶型进行不同工况下的流固耦合求解计算，获得在不同工况离心力和气动力共同作用下相对应的最终热态叶型；步骤十：根据叶片不同工况下的最终热态叶型，进行整个压...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，洪青松，王廷，任兰学，张亮，刘云宁，万新超，罗铭聪，邓庆锋，
申请(专利权)人：哈尔滨广瀚燃气轮机有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23