涡轮机多级涡轮的设计方法技术

一种涡轮机多级涡轮的设计方法，其中每个涡轮级包括静子叶栅和转子叶栅，每个叶栅由一排环形设置的叶片组成，其中，对于所有静子或转子叶栅，该方法包括同时修正各个叶栅的叶片形状，以对所述叶片后缘的尾流进行整流；然后，按如下方式使各个叶栅彼此之间构成角度，即静子或转子叶栅的尾流撞击位于下游的静子或转子叶栅的前缘，从而实现对整个涡轮同时进行多级气动力耦合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及涡轮机(诸如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机)的多级涡轮的设计方法。
技术介绍
涡轮发动机的涡轮包括多个级，每个涡轮级都由固定的静子叶栅和移动的转子叶栅组成。每个叶栅由环形设置的一排叶片组成，这些叶片整齐地分布在涡轮纵轴周围。转子叶栅的叶片由与涡轮轴相连的叶盘支撑，而静子叶栅的叶片则连接到涡轮的外壳体上。叶栅的叶片基本上延伸穿过流动段的整个径向部分，而热燃气经由流动段流过涡轮。热燃气离开涡轮机的燃烧室并流过涡轮，从而将能量传输给转子叶栅，后者带动涡轮轴旋转。为了改善涡轮的性能，已知的做法是，在两个连续的且由静子叶栅分开的转子叶栅之间或在两个连续的且由转子叶栅分开的静子叶栅之间，进行多级气动耦合(multistage aerodynamic coupling)。多级气动耦合是，选择同类型的并具有相同数量的叶片或叶片数量是上游同类型叶片数的倍数的两个连续叶栅(即，两个转子叶栅或两个静子叶栅)，并按如下方式确定下游叶栅相对于上游叶栅的角度位置，即，上游叶栅叶片的后缘所形成的尾流(wakes)在一定容限范围内撞击下游叶栅的叶片前缘。已经提出了许多有关如何设计涡轮机以获得该耦合的方法，然而，这些方法都是要利用复杂的计算，就时间而言，这些计算方法都非常昂贵，因而，无法满足传统的设计期限要求。此外，这些方法总是没有考虑涡轮流动段整个高度上的多级气动力耦合，即在叶栅叶片的整个径向范围内的多级气动力耦合。最后，目前已有的方法只能在一对同类型叶栅上应用，即在一个半涡轮级上(静子叶栅/转子叶栅/静子叶栅，或转子叶栅/静子叶栅/转子叶栅)应用，因此，为了设计所有的涡轮级，需要多次重复这些方法。这种方法存在一个重大缺陷：成对的叶栅按一定角度分布，且与其它成对叶栅的角度位置无关，然而，每个叶栅应该取决于上游叶栅的角度位-->置，并且应该影响位于下游叶栅的角度位置。同时应考虑涡轮流动段的整个高度。除非不得不依赖因计算时间长而昂贵的冗长重复过程，这种缺陷会导致涡轮布局形式无法进行多级气动力耦合优化。
技术实现思路
本专利技术的一个具体目的是提供一种解决这些问题的方案，这种解决方案简单，有效，而且成本低廉。本专利技术提供了一种设计方法，该方法可以同时在涡轮所有转子叶栅或所有静子叶栅上进行多级气动力耦合，而且可以在涡轮流动段的基本上整个高度上进行耦合。为此，本专利技术提出了一种涡轮机多级涡轮的设计方法，每个涡轮级包括静子叶栅和转子叶栅，每个叶栅由一排环形设置的叶片组成，每个静子或转子叶栅分别具有相同数量的叶片或者是位于上游的同类型叶栅的叶片数量的倍数，其中，对于所有的静子或转子叶栅，该方法包括：a)同时修正各个叶栅的叶片形状，以在叶片的基本上整个径向范围内对所述叶片后缘的尾流进行整流；以及b)按如下方式使各个叶栅彼此之间构成角度，即涡轮级n的静子或转子叶栅的尾流分别在一定角度容限范围内撞击下游涡轮级n+1的静子或转子叶栅前缘，从而实现对整个涡轮同时进行多级气动力耦合。本专利技术同样适用于涡轮内的转子叶栅和静子叶栅，已对涡轮内给定类型的所有叶栅，以及在涡轮流动段的基本上整个高度上，即在叶片整个径向范围内，同时实现多级气动力耦合。为此，术语“叶栅”在本专利技术申请中既表示转子叶栅也表示静子叶栅。本专利技术所提出的方法首先包括：同时修正或优化各个涡轮级的转子或静子叶片的形状，以便在叶片整个径向范围内对叶片后缘尾流进行整流。术语“整流尾流”此处用来表示使尾流轮廓基本上变直，其中，这些轮廓是由轮廓流线和垂直于涡轮旋转轴的平面相交而成，涡轮旋转轴与叶栅叶片的前缘基本上对齐。叶片后缘的尾流的轮廓一般呈变形或波浪状，从而，即使其与后面涡轮级的同类型叶片的前缘也尽可能对齐，也无法使多级气动力耦合得以优化。本专利技术通过对涡轮中对要考虑的相同类型的各个叶栅，在进行角度修正或设定之前整流叶片尾流以解决该缺陷。-->还有，本专利技术接着包括以如下方式确定叶栅彼此之间的角度位置，即，使涡轮级n的静子(或转子)叶片的尾流在一定容限范围内分别撞击下游涡轮级n+1的静子(或转子)叶片的前缘。涡轮具有限定数量的涡轮级。第二涡轮级的转子或静子叶栅的位置相对于位于上游的第一涡轮级的同类型叶栅成一定角度，通过前述步骤所进行的尾流整流，使得这一步骤较容易实施。第二叶栅相对于第一叶栅的角度位置是确定的，以便第一叶栅叶片的尾流在一定角度容限范围内撞击第二叶栅的同类型叶片的前缘，该角度容限一般相当于该叶栅内两个相邻叶片之间间距的百分比。位于第二级下游的第三级内的相同类型叶栅的位置也依次以上述相同方式构成一定角度，依次类推，直到下游最后一个涡轮级。在步骤a)中，还可以包括：1)在叶片的基本上整个径向范围内，确定各个叶栅的叶片形状；2)在叶片的基本上整个径向范围内，例如，通过在整个涡轮计算轴向对称流，确定各个叶栅的叶片周围的燃气平均流；3)确定各个叶栅的叶片尾流是如何变化的；以及4)验证涡轮级n的静子或转子叶片的尾流分别在给定角度容限范围内，基本上平行于对应下游n+1级的静子或转子叶片的前缘。通过改变一个或多个参数来修正叶片的形状；所述参数可以选自如下参数：叶片的空间分布、叶片的弯曲度、叶片前缘和后缘的角度位置。一个叶栅的叶片形状可以与其它涡轮级的叶片的形状相同或不同。叶片之间的平均气流可以通过在整个涡轮上以及叶片的整个径向范围内进行至少一次轴向对称流计算来确定，该计算可以基于径向平衡原理或欧拉定律。此后，各个叶栅中叶片尾流的变化可以采用相应软件工具来进行分析，经验证，尾流基本上径向延伸并与位于下游的叶栅叶片的前缘平行。如果验证结果不理想，本专利技术的该方法还可以进一步包括：5)在叶片的整个径向范围内，修正各个叶栅的叶片形状；6)例如，通过对每个叶栅进行二维或三维定常流计算，验证所修正的叶片的气动力特性；以及7)重复步骤2)，3)和4)。在修正叶栅叶片形状的同时，该方法优选为包括：保持所述叶栅的平均载荷分-->布，以使修正不会对涡轮性能带来任何直接影响。在步骤6)中使用的定常流计算可以基于二维(2D)或三维(3D)纳维-斯托克斯方程，这些计算可以在一个或多个流线上验证每个叶片的特性。上述步骤5)，6)和7)可以重复一次或多次，直到每个叶栅的叶片的尾流被充分整流，并基本上与直接位于下游的同类型叶栅叶片的前缘对准。为了限制步骤5)，6)和7)构成的循环的重复次数，可以使用优化算法，作为步骤4)的结果的函数，在数据库的基础上，在步骤5)中推导出应用于叶栅的最佳形状变化。本专利技术所提出的方法还可以包括：在步骤4)或7)之后，通过分析涡轮内的燃气性能(例如通过三维的定常流计算)来验证涡轮的气动力性能。该步骤用于通过评估涡轮的综合气动力性能来验证对叶片所进行的形状修正情况，但没有考虑多级气动力耦合的影响，因为此时该气动力耦合还未被优化。该步骤可以通过至少一次基于三维的纳维-斯托克斯方程的定常流计算来进行。在步骤b)中，该方法可以包括：i)确认(例如通过使用至少一次非定常流计算方法)每个涡轮级n+1的静子(或转子)的叶栅相对于上游涡轮级n的静子(或转子)的叶栅的优选角度位置，以及相对于所述涡轮级n的叶栅叶片的尾流的优选角度位置；以及ii)以如下方式从上游到下游使各叶栅彼此之间构成角度，即涡轮级n静子(或转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮机多级涡轮的设计方法，每个涡轮级包括静子叶栅和转子叶栅，每个叶栅由一排环形设置的叶片组成，每个静子或转子叶栅分别具有相同数量的叶片或者是位于上游的同类型叶栅的叶片数量的倍数，其中，对于所有的静子或转子叶栅，该方法包括：　ａ）同 时修正各个叶栅的叶片形状，以在叶片的基本上整个径向范围内对所述叶片后缘的尾流进行整流；以及　ｂ）按如下方式使各个叶栅彼此之间构成角度，即涡轮级ｎ的静子或转子叶栅的尾流分别在一定角度容限范围内撞击位于下游涡轮级ｎ＋１的静子或转子叶栅的前 缘，从而实现对整个涡轮同时进行多级气动力耦合。

【技术特征摘要】
FR 2007-12-14 07/087101.一种涡轮机多级涡轮的设计方法，每个涡轮级包括静子叶栅和转子叶栅，每个叶栅由一排环形设置的叶片组成，每个静子或转子叶栅分别具有相同数量的叶片或者是位于上游的同类型叶栅的叶片数量的倍数，其中，对于所有的静子或转子叶栅，该方法包括：a)同时修正各个叶栅的叶片形状，以在叶片的基本上整个径向范围内对所述叶片后缘的尾流进行整流；以及b)按如下方式使各个叶栅彼此之间构成角度，即涡轮级n的静子或转子叶栅的尾流分别在一定角度容限范围内撞击位于下游涡轮级n+1的静子或转子叶栅的前缘，从而实现对整个涡轮同时进行多级气动力耦合。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中，还包括：1)在叶片的基本上整个径向范围内，确定各个叶栅的叶片形状；2)在叶片的基本上整个径向范围内，确定各个叶栅的叶片周围的燃气平均流；3)确定各个叶栅的叶片尾流是如何变化的；以及4)验证涡轮级n的静子或转子叶片的尾流分别在给定角度容限范围内，基本上平行于对应下游n+1级的静子或转子叶片的前缘。3.根据权利要求2所述的方法，其中，当步骤4)的验证结果为否定时，该方法进一步包括：5)在叶片的整个径向范围内，修正各个叶栅的叶片形状；6)验证所修正的叶片的气动力特性；以及7)重复步骤2)，3)和4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：让迈克尔吉姆巴德，奥利维尔库尼，埃里克舒沃茨，
申请(专利权)人：斯奈克玛，
类型：发明
国别省市：FR[法国]