第27卷 第1期

文章编号:1006-9348(2010)01-0102-04

计 算 机 仿 真

2010年1月

单级低压涡轮气动设计方法研究

张 培,楚武利,吴艳辉,张 扬

(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072)

摘要:研究一套单级轴流式涡轮气动设计仿真程序。在通流设计阶段,融入了先进的可控涡和可变涡轮功设计思想,有着AMDC、Soderberg、Carter三种模型可供选择。仿真程序采用一种新的涡轮平面叶栅反设计方法,相比传统反设计算法,更加简单实用;在原有理论基础上,引入非均匀有理B样条曲线,改进了前、后倒圆生成方法,消除了低能阻塞区;为验证设计程序,给出了单级涡轮设计实例进行仿真,结果表明程序稳定,可以实现涡轮叶片设计,叶片通道收敛效果良好。关键词:轴流涡轮;可控涡;可变涡轮功;反设计中图分类号:V231.3 文献标识码:A

MethodInvestigationofOne-stageAxialTurbineAero-dynamicalDesign

ZHANGPe,iCHUWu-l,iWUYan-hui,ZHANGYang

(CollegeofPowerandEnergy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.anShanxi710072,China)ABSTRACT:Anone-stageaxialturbineaero-dynamicaldesigncomputerprogramwascompleted.Inthephaseofthrough-flowdesign,controlled-vortexdesignmethodandvariableturbineworkdesignapproachwereintroduced,inwhichthreelossmodelscouldbechosen,namelyAMDC,Soderberg,Carter.Forthepartofplanecascadede-sign,anewturbinecascadeinversedesignmethodwasadopted,whichwasmorefeasiblecomparedwithtraditionalinversedesignmethod.TheinversemethodwasimprovedthroughusingNURBScurveintheaspectofleadingandtrailingedgedesign.Totestifyturbinedesigncomputerprogram,anone-stageaxialturbinewasdesigned.There-sultrevealedthattheprogramwasrobust,andtheturbinebladedesignalgorithmwasfeasible.KEYWORDS:Axialturbine;Controlled-vortex;Variableturbinework;Inversedesign

1 引言

当前涡轮叶片设计多是采用子午面通流计算加上平面叶栅设计来共同完成。其中的轴流涡轮平面叶栅设计方法,如T.Korakianitis等提出了预置曲率分布的设计方法

[1]

5Cm

=sinE5Cm

-KmcosCm+

Cm(1)

和十

5H5SCu5(RCu1-T-CmR一参数方法[2],但是这些方法都不能直接控制叶型表面气动参数分布。BentPhillipsen提出了一种简单的平面叶栅反设计方法[3],工程实用性强。作者依托上述平面叶栅反设计方法,结合流线曲率法反设计程序[4],编写了一套单级轴流涡轮气动设计程序。该程序使用了可控涡设计[5]、沿叶高可变涡轮功[6]、非均匀有理B样条曲线(简称NURBS曲线)[7]、平面叶栅反设计等设计思想。

式中u为圆周方向,m为子午方向,q为计算站方向,E为子午方向与计算站夹角的余角,Km为流线曲率半径,R*Cu为环量。为提升程序稳定性确保收敛,使用四阶龙格库塔方法,数值求解完全径向平衡方程;而流动损失方面,有三种模型供选择:AMDC模型、Soderberg模型和Carter模型。

在通流设计部分,作者在程序中加入了可控涡设计思想,可根据需要给出沿动叶出口计算站的环量R*Cu分布曲线。可控涡设计思想能有效提高涡轮叶片根部反力度,从而获得较高的效率;同时,作者还为程序增添了沿动叶叶高可变涡轮功Lu的设计功能。国外研究成果证实,在设计小展弦比涡轮叶片时,抛物形的涡轮功分布能有效减少端壁二次流损失。

另一方面,在设置环量和涡轮功沿计算站的分布时,作者在程序中成功引入NURBS曲线,令其插值若干叶高上先期作者设置好的环量值R*Cu和涡轮功Lu,从而最终获得整

2 子午面通流设计

在已知涡轮子午流道和总体参数基础上,假设涡轮流场定常、绝热、无粘和轴对称流动,则完全径向平衡方程为:

基金项目:西北工业大学研究生创业种子基金资助(200825)收稿日期:2008-12-05 修回日期:2008-12-10

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