本发明专利技术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。本发明专利技术适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域高效多级叶轮机研制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及多级叶轮机，特别涉及。
技术介绍
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。自从专利技术多级叶轮机以来，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。
技术实现思路
本专利技术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。为达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案。，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，本专利技术优点在于本专利技术克服了传统三维时序效益不如二维时序效益大的问题。本专利技术采用“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。本专利技术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。附图说明图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表示本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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（ｒ↓［ｈｕｂ］），Ｓ（ｒ↓［ｍｉｄ］）、Ｓ（ｒ↓［ｔｉｐ］）），以达到最佳效率展向分布曲线；其中，Ｓ（ｒ↓［ｈｕｂ］），Ｓ（ｒ↓［ｍｉｄ］），Ｓ（ｒ↓［ ｔｉｐ］）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（ｒ↓［ｈｕｂ］），Ｓ（ｒ↓［ｍｉｄ］），Ｓ（ｒ↓［ｔｉｐ］））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。...
【技术特征摘要】
CN 2005-10-28 20051011675441.一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...
【专利技术属性】
技术研发人员：季路成，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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