CN108487943A - 基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法 - Google Patents

基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法 Download PDF

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俞建阳
陈浮
姜帅
付云峰
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Abstract

基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，属于叶轮机械被动流动控制技术领域。本发明是为了解决现有叶顶间隙的设置形式，使得泄漏流动损失大的问题。它包括：在轴流式涡轮转子叶栅内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面；在平顶动叶顶部设置曲面凹槽，所述曲面凹槽的侧壁厚为1％叶高，曲面凹槽的最深处不超过4％叶高；曲面凹槽的底面轮廓与机匣内壁曲面的相应位置表面轮廓相同；再将曲面凹槽的侧壁上表面修整为与机匣内壁曲面相应位置表面轮廓相同的叶顶外边缘轮廓。本发明可以更好的控制叶片间隙的泄漏流动。

Description

基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法
技术领域
本发明涉及基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，属于叶轮机械被动流动控制技术领域。
背景技术
涡轮叶顶间隙泄漏流动不仅使得叶顶附近载荷降低，并且增加流动损失。研究表明，叶顶间隙流动区域内二次流损失只占10％，壁面附面层损失占3％，间隙引起的损失则高达87％。因此，研究叶顶间隙泄漏流动机理，改进叶顶及机匣结构，对改善叶顶区域流动状况、降低流动损失十分重要。
目前，针对通道涡的流动控制方法主要分为主动流动控制和被动流动控制两种。其中，主动流动控制方法通常引入外加能量源，如射流漩涡发生器以及等离子体激励器，这种方法虽然能够在不同工况下进行调节，但实现结构复杂，成本较高；而被动流动控制方法主要通过改变几何结构实现对流场的调整，如翼刀，凹槽等，这种方法的实现结构简单，成本较低，但受制于有限工况。针对带有叶顶间隙的复杂环境，采用结构简单的被动控制方式更符合实际需求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有叶顶间隙的设置形式，使得泄漏流动损失大的的问题，提供了一种基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法。
本发明所述基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，它包括：
在轴流式涡轮转子叶栅内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面；
所述双峰高斯函数曲线表达式为：
其中x为机匣的轴向位置点，y为机匣的径向位置点，n1为第一峰峰高系数，n2为第一峰峰高位置系数，n3为第一峰峰宽系数，n4为第二峰峰高系数，n5为第二峰峰高位置系数，n6为第二峰峰宽系数；
机匣的轴向位置点x的定义域为叶片叶顶前缘前侧1％轴向弦长至尾缘后侧1％轴向弦长；机匣的径向位置点y的定义域为不超过2.5％叶高；
在平顶动叶顶部设置曲面凹槽，所述曲面凹槽的侧壁厚为1％叶高，曲面凹槽的最深处不超过4％叶高；曲面凹槽的底面轮廓与机匣内壁曲面的相应位置表面轮廓相同；
再将曲面凹槽的侧壁上表面修整为与机匣内壁曲面相应位置表面轮廓相同的叶顶外边缘轮廓。
所述动叶为直叶片。
机匣的径向位置点y的定义域为不超过6mm。
所述曲面凹槽的侧壁厚为2mm。
本发明的优点：本发明对涡轮的叶片叶顶与机匣重新进行了相应的结构改进，并在动叶顶部设置了一个曲面凹槽。利用双峰曲线的曲率变化能使机匣的内壁表面压力重新分布，在叶片吸力面侧中后部形成两个凹陷的低压区，使上通道涡的位置整体沿叶高向机匣迁移，缩减上通道涡的作用范围，延缓上通道涡向下游扩张的趋势，降低能量损失。同时，在叶顶上设置的曲面凹槽内部能形成大尺度驻涡，占据部分间隙空间，有效的控制间隙的泄漏流动进而降低泄漏量及其带来的能量损失，进一步提高叶栅的气动性能。
本发明方法设计的涡轮具有结构简单、成本较低、控制效果良好等优势。
附图说明
图1是采用本发明方法进行机匣及叶顶凹槽联合造型的构造示意图；
图2是采用本发明方法构造的机匣及叶顶凹槽的展向方向示意图；
图3是采用本发明方法构造的机匣及叶顶凹槽的节距方向示意图；
图4是采用本发明方法构造机匣及叶顶凹槽后的叶栅与平顶叶栅出口截面能量损失系数对比图；
图5是现有平顶凹槽方案总压损失分布云图及三维流线分布图；
图6是本发明方法构造的机匣及叶顶凹槽联合造型方案总压损失分布云图及三维流线分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的说明：
结合图1至图3所示，本实施方式所述基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，它包括：
在轴流式涡轮转子叶栅1内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线2节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面3；
所述双峰高斯函数曲线表达式为：
其中x为机匣的轴向位置点，y为机匣的径向位置点，n1为第一峰峰高系数，n2为第一峰峰高位置系数，n3为第一峰峰宽系数，n4为第二峰峰高系数，n5为第二峰峰高位置系数，n6为第二峰峰宽系数；
机匣的轴向位置点x的定义域为叶片叶顶前缘4前侧1％轴向弦长至尾缘5后侧1％轴向弦长；机匣的径向位置点y的定义域为不超过2.5％叶高；可以取机匣的径向位置点y的定义域为不超过6mm。
在平顶动叶顶部设置曲面凹槽7，所述曲面凹槽7的侧壁厚为1％叶高，曲面凹槽7的最深处不超过4％叶高；曲面凹槽7的底面轮廓与机匣内壁曲面3的相应位置表面轮廓相同；所述曲面凹槽7的侧壁厚可以取值为2mm。
再将曲面凹槽7的侧壁上表面修整为与机匣内壁曲面3相应位置表面轮廓相同的叶顶外边缘轮廓6。
本实施方式中，对于动叶片的叶顶曲面，如果将曲面凹槽7上移至叶顶表面，则叶顶外边缘轮廓6与曲面凹槽7共同构成的叶顶曲面是与机匣内壁曲面3的形状完全相同的。
本实施方式中，曲面凹槽7的形状可由3阶B样条曲面构成。控制点从8条垂直于中弧线的等分直线中获得，根据24因素5水平的正交实验设计方案，利用Kriging法构建控制点与间隙泄漏量的代理模型，采用遗传算法对其进行优化，获得最佳自由曲面凹槽方案。
所述的叶顶外边缘轮廓6的设置能保证叶顶间隙的值恒定，与原间隙大小一致，避免间隙尺寸的改变对气动性能产生影响。通常，可取叶顶间隙的值为叶高的1.5％。
本实施方式与其它通过槽、缝结构改造的机匣结构相比，构造的机匣曲线更加连续光顺，其光滑过渡有利于降低局部流动损失。曲面凹槽7的底部也具有光滑过渡的表面，能降低局部流动损失。
本发明实施方式能进一步降低叶栅的能量损失，并能显著抑制间隙的泄漏量，整体提升涡轮叶栅的气动性能。
所述动叶为直叶片。
具体实施例：
为了验证本发明的效果，对动叶平顶凹槽原型叶栅及由双峰高斯函数曲线为型线的机匣处理及叶顶凹槽改型叶栅进行了数值模拟。具体模拟参数和结果如下表所示：
表
如图4所示，通过对比原型与机匣处理方案的能量损失系数可以发现，与平顶凹槽原型曲线相比，采用双峰高斯函数曲线为型线的机匣处理及叶顶凹槽改型曲线对上通道涡的影响较为显著，可以明显降低其所带来的能量损失，其能够减小90％叶高以上范围内的损失。整体性能参数表明，本发明方法的机匣处理方案可以相对减小6.3％的能量损失系数，并使泄漏量下降了7％。
结合图5和图6，通过对比原型与机匣处理及叶顶凹槽修型方案总压损失分布云图及三维流线分布图可以发现，平顶凹槽原型中，上通道涡与泄漏涡的周向作用范围几乎一致，旋向相反。而采用双峰高斯函数曲线为型线的涡轮上端壁曲面明显缩减了泄漏涡的尺度，虽然加大了上通道涡的影响范围，但是能够缩减上通道涡的作用范围，使其周向扩张尺度小于泄漏涡，有效阻碍泄漏的发生，很大程度上避免了泄漏涡与上通道涡之间强烈的掺混损失。表明本发明方案可以有效抑制上通道涡的发展，能显著降低上通道涡带来的能量损失，提高叶栅整体的气动性能。

Claims (4)

1.一种基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，其特征在于，它包括：
在轴流式涡轮转子叶栅(1)内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线(2)节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面(3)；
所述双峰高斯函数曲线表达式为：
其中x为机匣的轴向位置点，y为机匣的径向位置点，n1为第一峰峰高系数，n2为第一峰峰高位置系数，n3为第一峰峰宽系数，n4为第二峰峰高系数，n5为第二峰峰高位置系数，n6为第二峰峰宽系数；
机匣的轴向位置点x的定义域为叶片叶顶前缘(4)前侧1％轴向弦长至尾缘(5)后侧1％轴向弦长；机匣的径向位置点y的定义域为不超过2.5％叶高；
在平顶动叶顶部设置曲面凹槽(7)，所述曲面凹槽(7)的侧壁厚为1％叶高，曲面凹槽(7)的最深处不超过4％叶高；曲面凹槽(7)的底面轮廓与机匣内壁曲面(3)的相应位置表面轮廓相同；
再将曲面凹槽(7)的侧壁上表面修整为与机匣内壁曲面(3)相应位置表面轮廓相同的叶顶外边缘轮廓(6)。
2.根据权利要求1所述的基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，其特征在于，所述动叶为直叶片。
3.根据权利要求1或2所述的基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，其特征在于，机匣的径向位置点y的定义域为不超过6mm。
4.根据权利要求1或2所述的基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，其特征在于，所述曲面凹槽(7)的侧壁厚为2mm。
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