经验公式叶片生成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种经验公式叶片生成系统，设计亚音速和跨音速涡轮级，参数化系统中使用的设计变量的值由相关方程计算；需要迭代来修改设计变量；然后由参数化系统生成静子和转子的几何形状和块；通过使用几何图形和块，在经ICEM CFD脚本自动形成网格；之后通过CFD求解器评估涡轮级的性能；对计算结果进行分析，并寻找未来改进的方向；通过多轮反复训练和残差迭代来获得最终的叶片设计。最后，产生了高效率的亚音速和跨音速涡轮级。率的亚音速和跨音速涡轮级。率的亚音速和跨音速涡轮级。

【技术实现步骤摘要】
经验公式叶片生成系统


[0001]本专利技术涉及叶片生成领域，尤其涉及一种经验公式叶片生成系统。

技术介绍

[0002]亚音速以及跨音速涡轮广泛应用于航空发动机、燃气轮机、轮船动力等领域。其中跨音速叶片由于具有高载荷，高功率、体积小等优点，是目前涡轮设计研究的重要方向之一。现有的亚音速和跨音速涡轮级的叶片设计主要是基于实验结果的反复迭代而生成。而本专利技术提出了一套简单可行的基于经验公示的涡轮机叶片设计方法。能广泛应用的不同速度、不同工况、不同应用场景的叶片造型，能够快速生成性能较好的涡轮叶片设计。目前叶片设计产生的亚音速和跨音速涡轮级效率低。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种通过改进型的叶片设计后能产生高效率的亚音速和跨音速涡轮级的经验公式叶片生成系统。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种经验公式叶片生成系统，采用基线中跨叶片轮廓设计，用以设计亚音速和跨音速涡轮级，参数化系统中使用的设计变量的值由相关方程计算；需要迭代来修改设计变量，以确保基准即有合理的空气动力学性能；然后由参数化系统生成静子和转子的几何形状和块；通过使用几何图形和块，在经ICEM CFD脚本自动形成网格；之后通过CFD求解器评估涡轮级的性能；对计算结果进行分析，并寻找未来改进的方向；通过多轮反复训练和残差迭代来获得最终的叶片设计。
[0005]优选地，所述中跨叶片剖面的11个参数中的叶片轴向弦长C
ax
、前缘楔角ε
LE
、后缘楔角ε
TE
和速度三角形是根据先验经验获得；然后转子和静子的前缘金属角和后缘金属角从具有指定流量系数、负载系数和反作用力的速度三角形推导出来；最后计算交错角α
stagger
、节距p、喉道t、前缘半径r
LE
、后缘半径r
TE
和无导向转向δ
unguided
。
[0006]优选地，在亚音速转子中，通过已知的流动系数φ、载荷系数ψ和反作用力R
η
生成速度三角形，其中静子金属角度是绝对速度的角度，而转子金属角度是相对速度的角度。
[0007]优选地，基于前缘金属角β
LE
和后缘金属角β
TE
的赋值，推导出交错角α
stagger
。
[0008]优选地，通过切向升力系数C
L
计算转子螺距p
rotor
，如公式1所示，其中，F
tan
是切向游隙，A
tan
是切向叶片面积，是后缘不可压缩的动压头：
[0009][0010]如公式2所示，其中是转子通道中的质量流量；w
LE
和w
TE
是相对流速，β
LE
和β
TE
是叶片金属角；
[0011][0012]通过结合公式1和公式2，推导出公式3用于计算具有切向升力系数C
L
、弦长C、前缘
金属角β
LE
和后缘金属角β
TE
和交错角α
stagger
的节距p：
[0013][0014]喉部t可以通过后缘流动角α
TE
，节距p，喉部马赫数M
t
，和喉部下游叶片吸力侧曲线的等效曲率半径r
ss
之间的相关性计算得出，如方程组4所示：
[0015][0016]优选地，喉部下游吸力侧曲线是九阶贝塞尔曲线，所述九阶贝塞尔曲线的等效半径用于表示叶片的转动，等效曲率半径r
SS
被假定为r
SS,1
和r
SS,2
的平均值，如公式5所示：
[0017][0018]本专利技术经验公式叶片生成系统的有益效果是，设计亚音速和跨音速涡轮级，参数化系统中使用的设计变量的值由相关方程计算，需要迭代来修改设计变量，以确保基准即有合理的空气动力学性能；然后由参数化系统生成静子和转子的几何形状和块；通过使用几何图形和块，在经ICEM CFD脚本自动形成网格；之后通过CFD求解器评估涡轮级的性能；对计算结果进行分析，并寻找未来改进的方向；通过多轮反复训练和残差迭代来获得，最终的叶片设计能产生高效率的亚音速和跨音速涡轮级。
附图说明
[0019]图1为涡轮级设计流程；
[0020]图2为基线模型的速度三角形；
[0021]图3为典型涡轮叶片截面交错角的相关性，来自Kacker和Okapuu；
[0022]图4为用于计算喉部t和无导向转弯δ
unguided
的等效曲率半径r
SS
和三角形ΔO
r
‑
pt3
up
‑
pt3。O
r
‑
pt2和O
r
‑
pt3，其长度由它们的平均值r
SS
近似，是曲线2在pt2和pt3处的法线；
[0023]图5为亚音速级静子和转子不同径向截面处的叶片2D轮廓；
[0024]图6为跨音速级静子和转子不同径向截面处的叶片2D轮廓；
[0025]图7为亚音速和跨音速涡轮级中叶片中跨轮廓对比；
[0026]图8为亚音速涡轮机的计算域；
[0027]图9为跨音速涡轮机的计算域；
[0028]图10为涡轮史密斯图表中显示的基线模型效率；
[0029]图11为转子叶片在亚音速和跨音速阶段中跨度和95％跨度的载荷图。
具体实施方式
[0030]以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。
[0031]结合附图1
‑
11所示，本实施例一种叶片
[0032]1基线中跨叶片轮廓设计
[0033]通过参数化系统(参数化设计系统以2D
‑
3D的方式进行：首先沿着径向方向再每一层生成2D叶片轮廓，然后将2D轮廓转换为3D并沿着堆叠线生成3D叶片)，本实施例设计亚音速和跨音速涡轮级，级设计的一般程序如图1所示。为保证从一开始便开展合理的涡轮设计，参数化系统中使用的设计变量的值由相关方程计算。需要迭代来修改设计变量，以确保基准即有合理的空气动力学性能。然后由参数化系统生成静子和转子的几何形状和块。通过使用几何图形和块，在经ICEM CFD脚本自动形成网格。之后，通过CFD求解器评估涡轮级的性能。对计算结果进行分析，并寻找未来改进的方向。通过多轮反复训练和残差迭代来获得最终的叶片设计。最后，产生了高效率的亚音速和跨音速涡轮级。由于亚音速级和跨音速级的程序相似，这里只展示亚音速级的设计实践。
[0034]在中跨叶片剖面的11个参数中(11个参数有轴向弦长C
ax
、节距p、交错角α
stagger
、喉部t、无导向转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种经验公式叶片生成系统，其特征在于：设计亚音速和跨音速涡轮级，参数化系统中使用的设计变量的值由相关方程计算；需要迭代来修改设计变量；然后由参数化系统生成静子和转子的几何形状和块；通过使用几何图形和块，在经ICEM CFD脚本自动形成网格；之后通过CFD求解器评估涡轮级的性能；对计算结果进行分析，并寻找未来改进的方向；通过多轮反复训练和残差迭代来获得最终的叶片设计。2.根据权利要求1所述的经验公式叶片生成系统，其特征在于：所述中跨叶片剖面的11个参数中的叶片轴向弦长C
ax
、前缘楔角ε
LE
、后缘楔角ε
TE
和速度三角形是根据先验经验获得；然后转子和静子的前缘金属角和后缘金属角从具有指定流量系数、负载系数和反作用力的速度三角形推导出来；最后计算交错角α
stagger
、节距p、喉道t、前缘半径r
LE
、后缘半径r
TE
和无导向转向δ
unguided
。3.根据权利要求1所述的经验公式叶片生成系统，其特征在于：在亚音速转子中，通过已知的流动系数φ、载荷系数ψ和反作用力R
η
生成速度三角形，其中静子金属角度是绝对速度的角度，而转子金属角度是相对速度的角度。4.根据权利要求1所述的经验公式叶片生成系统，其特征在于：基于前缘金属角β
LE
和后缘金属角β
TE
的赋值，推导出交错...

【专利技术属性】
技术研发人员：段鹏浩，韩闯，
申请(专利权)人：段鹏浩，
类型：发明
国别省市：