軸流渦輪設(shè)計-第二部分

1、表1給出了一個亞聲速渦輪和跨聲速渦輪平均流線分析結(jié)果。亞聲速渦輪級設(shè)計壓比為2.0，級載荷系數(shù)為1.31，流量系數(shù)為0.47，平均反動度為0.5，平均出口相對氣流角為22，這個氣流角不會在渦輪級下游產(chǎn)生過度的壓強損失。預測的級效率為88%。設(shè)計點參數(shù)設(shè)計點參數(shù)壓比1.97級載荷系數(shù)1.31流量系數(shù)0.47平均反動度50%平均出口周向流動角22效率88%渦輪葉片設(shè)計過程渦輪葉片設(shè)計過程 葉型參數(shù)葉型參數(shù)靜子轉(zhuǎn)子入口馬赫數(shù)0.140.23出口馬赫數(shù)0.670.82流動轉(zhuǎn)折角6078展弦比0.711.25Zweifel載荷系數(shù)0.740.88尾緣厚度/喉部寬度12%9%葉尖間隙/葉片高度0.01.5

2、%渦輪葉片設(shè)計過程渦輪葉片設(shè)計過程 靜子和轉(zhuǎn)子葉片入口馬赫數(shù)較小，出口馬赫數(shù)較高，Zweifel載荷系數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)。 渦輪葉片設(shè)計過程渦輪葉片設(shè)計過程 氣動損失氣動損失靜子轉(zhuǎn)子總損失葉型損失 Kp0.024(19%)0.020(12%)0.044(15%)尾緣損失 KTE0.023(18%)0.012(7%)0.035(12%)二次流損失 Ks0.08(63%)0.063(36%)0.143(47%)葉尖間隙損失 Kclr0.0(0%)0.079(45%)0.079(26%)總損失 K0.127(100%)0.174(100%)0.300(100%)氣動損失的計算結(jié)果表明二次流損失占總的氣

3、動損失的一半左右，其次是葉尖間隙泄漏損失，占損失的26%，雖然這個損失只在轉(zhuǎn)子內(nèi)部出現(xiàn)。第三個比較大的損失是葉型損失。 跨聲速渦輪設(shè)計壓比為3.76，級載荷系數(shù)為2.47，選用反動度為0.3，預測的渦輪級效率為83.5%。渦輪級效率較低反映出載荷系數(shù)選取過大，從而導致?lián)p失過大。 渦輪葉片設(shè)計過程渦輪葉片設(shè)計過程 設(shè)計點參數(shù)設(shè)計點參數(shù)壓比3.76級載荷系數(shù)2.47流量系數(shù)0.64平均反動度30%平均出口周向流動角37效率83.5%葉型參數(shù)葉型參數(shù)靜子轉(zhuǎn)子入口馬赫數(shù)0.10.55出口馬赫數(shù)1.11.14流動轉(zhuǎn)折角76124展弦比0.71.44Zweifel載荷系數(shù)0.840.76尾緣厚度/喉部寬度

4、17%10%葉尖間隙/葉片高度0.01.5%渦輪葉片設(shè)計過程渦輪葉片設(shè)計過程 靜子和轉(zhuǎn)子出口馬赫數(shù)分別達到1.1和1.14，葉片槽道內(nèi)出現(xiàn)跨聲速流動現(xiàn)象，出口馬赫數(shù)不是太高，從而沒有產(chǎn)生較大的激波損失。Zweifel載荷系數(shù)在經(jīng)驗數(shù)據(jù)允許范圍。轉(zhuǎn)子內(nèi)氣流轉(zhuǎn)折角高達124，這么高的角度是由高載荷系數(shù)和低反動度造成的。 氣動損失氣動損失靜子轉(zhuǎn)子總損失葉型損失 Kp0.029(20%)0.058(16%)0.087(17%)尾緣損失 KTE0.046(31%)0.011(12%)0.057(12%)二次流損失 Ks0.071(49%)0.180(51%)0.251(50%)葉尖間隙損失 Kclr0.

5、0(0%)0.110(30%)0.110(21%)總損失 K0.147(100%)0.356(100%)0.500(100%)渦輪葉片設(shè)計過程渦輪葉片設(shè)計過程 在這個渦輪級中各種損失所占份額與亞聲速渦輪內(nèi)各種損失所占份額大體相當。二次流損失大約占總損失的一半，其他損失按所占份額大小依次為葉尖泄漏損失、葉型損失、葉片尾緣損失。 通流設(shè)計通流設(shè)計 在通流設(shè)計階段，開始考慮流動參數(shù)在軸向和徑向上變化，而忽略流動參數(shù)在周向上的變化，認為流動過程是軸對稱的。通流設(shè)計的目的是獲得優(yōu)化的沿葉高方向上葉片載荷分布。經(jīng)過通流設(shè)計后，可以獲得不同半徑處進出口速度三角形。通流計算所需要的輸入?yún)?shù)主要由平均流線計算獲

6、得。所需要的幾何參數(shù)主要有半徑、葉片高度、葉片數(shù)目、弦長等。流動參數(shù)有質(zhì)量流量、膨脹比、轉(zhuǎn)速。焓降和效率由通過渦輪級的平均流線獲得。渦輪級進口需要已知總溫、總壓和絕對氣流角沿葉高上的分布。在進行通流計算時，還需要已知其他一些參數(shù)分布，這些參數(shù)有堵塞因子分布、出口相對流動角(或氣流落后角)沿葉高分布、損失大小等。 通流設(shè)計通流設(shè)計 在進行通流計算時，還需要已知其他一些參數(shù)分布，這些參數(shù)有堵塞因子分布、出口相對流動角(或氣流落后角)沿葉高分布、損失大小等。 堵塞主要來源于兩個方面:一是葉片厚度導致的流動堵塞。在通流設(shè)計階段并不知道葉片的具體形狀及其厚度分布，但在通流設(shè)計階段為了獲得更為接近實際流動

7、的計算結(jié)果，就必須要考慮葉片厚度對流動產(chǎn)生的影響。為了減小葉片根部應(yīng)力，葉片厚度沿葉高方向上是變化的，在葉根處葉片較厚，在葉尖處葉片較薄，因此葉片厚度在葉高方向上產(chǎn)生的堵塞效應(yīng)是變化的。 通流設(shè)計通流設(shè)計 通流設(shè)計通流設(shè)計 堵塞的第二個原因是葉片表面和端壁邊界層產(chǎn)生的阻塞效應(yīng)。在邊界層內(nèi)，氣流流動速度小于主流流動速度，實際上就是減小了有效流通面積。當然，對于渦輪葉片在設(shè)計工況或靠近設(shè)計工況下工作，以及在吸力面上沒有出現(xiàn)較大的擴散流動過程時，葉片表面邊界層就會較薄。但是為了更加準確地設(shè)計，還是應(yīng)該在通流設(shè)計中考慮邊界層產(chǎn)生的堵塞效應(yīng)。 級數(shù)123456堵塞因子0.980.950.920.90.8

8、80.88從表可以看出，由第1級到第5級，堵塞因子減小。從第5級開始堵塞因子保持不變。 壓氣機中的堵塞因子數(shù)值壓氣機中的堵塞因子數(shù)值只有在已知葉片葉型后才能對邊界層厚度進行準確的估算，因此在通流設(shè)計階段還是要對邊界層厚度的存在導致的堵塞現(xiàn)象進行估算?？梢允褂闷骄骶€分析計算落后角和損失的平均值，但是落后角和損失沿葉高不是常數(shù)，而是變化的。沿葉高方向上葉片載荷的變化，葉片槽道內(nèi)二次流通道渦，葉尖泄漏流動都會對局部損失及落后角產(chǎn)生影響。要想充分了解這些影響，要借助于試驗數(shù)據(jù)和CFD分析計算。但是，在通流設(shè)計階段不可避免地要進行一定的假設(shè)來給定損失和落后角的分布。 通流設(shè)計通流設(shè)計 在通流設(shè)計階段要

9、給定幾個重要參數(shù)，如堵塞因子、落后角、損失沿葉高方向上的分布方式。這些參數(shù)是否給的合理，可在后面更為詳細的設(shè)計分析中進行校核，如果后面的計算結(jié)果和前面的假設(shè)結(jié)果差距過大的話，那么可根據(jù)詳細計算結(jié)果對通流計算中給定的結(jié)果進行修正，重新進行通流設(shè)計計算。通流設(shè)計通流設(shè)計 通流計算方法中使用的網(wǎng)格見圖27。沿流動方向上的網(wǎng)格線被稱為擬流線，之所以被稱為擬流線，是因為這些網(wǎng)格線不是真實的流線，在通流計算前也不可能知道這些流線，而只能近似地把這些網(wǎng)格線當作流線。另外一組流線是和擬流線近似正交的線，叫作擬正交線。通流計算求解的方程是連續(xù)方程、動量方程、能量方程。可以使用多種方法對方程進行求解，包括使用無粘

10、方法和有粘方法。通流設(shè)計通流設(shè)計 圖圖27 通流計算所使用的網(wǎng)格通流計算所使用的網(wǎng)格壓氣機通流計算使用的網(wǎng)格在劃分通流計算網(wǎng)格時，要保證擬正交網(wǎng)格和每一排葉片前緣尾緣重合。早期的通流計算方法中只有和葉片前緣尾緣相重合的擬正交網(wǎng)格。今天的通流計算方法則會在葉片前后緣之間及葉片排之間存在著擬正交網(wǎng)格，這樣可以使計算結(jié)果更加詳細。通流設(shè)計通流設(shè)計 通流結(jié)果分析通流結(jié)果分析使用通流計算分析可以獲得一些重要位置上的氣流速度及熱力學參數(shù)，以及在徑向上這些參數(shù)的分布情況。所需要的主要幾何數(shù)據(jù)是在初步設(shè)計中得到的一些參數(shù)，同時還需要給出入口參數(shù)，每排葉片沿半徑方向上的損失分布。 通流結(jié)果分析通流結(jié)果分析圖28

11、給出了進口總溫總壓、靜葉損失、動葉損失沿葉高方向上的分布曲線，通流計算需要的就是這樣的曲線。對于燃氣輪機上使用的渦輪，渦輪進口總溫和總壓是由燃燒室出口參數(shù)給定的。由損失曲線可以看出，中間葉高處的損失較低，在輪緣和輪轂處的損失增大。二次流通道渦是依賴端壁邊界層發(fā)展起來的，從而導致端壁損失增加。對于轉(zhuǎn)子葉片，葉尖泄漏是導致葉尖附近損失增大的另一個主要原因。 圖圖28 在通流計算中假設(shè)的級入在通流計算中假設(shè)的級入口條件和損失口條件和損失總溫總壓-葉高 損失-葉高圖29給出了一個噴嘴環(huán)進口和出口通流計算結(jié)果。圖中給出了兩組結(jié)果，設(shè)計人員通過比較這兩個計算結(jié)果確定葉片某一個幾何參數(shù)變化產(chǎn)生的影響。在這個

12、實例中，改變了噴嘴環(huán)葉片尾緣沿徑向上的角度分布，使葉片尾緣葉尖和葉根連線與徑向間的夾角分別為3和10。 通流結(jié)果分析通流結(jié)果分析圖圖29 通流計算預測的導通流計算預測的導流葉片進出口流動角、馬流葉片進出口流動角、馬赫數(shù)分布赫數(shù)分布導流葉片進出口流動角分布導流葉片進出口流動角分布導流葉片進出口馬赫數(shù)分布導流葉片進出口馬赫數(shù)分布噴嘴葉片入口馬赫數(shù)在葉高方向上的變化很小，對第一級渦輪導葉進口氣流參數(shù)應(yīng)該分布均勻一些。噴嘴葉片幾何參數(shù)的改變對流場產(chǎn)生的影響只有在臨近葉片尾緣時才能體現(xiàn)出來。在葉片尾緣馬赫數(shù)的變化非常明顯。葉片尾緣斜率變化使葉根馬赫數(shù)由0.65增大到0.75，但葉尖馬赫數(shù)只發(fā)生輕微變化。

13、尾緣斜率的變化也改變了葉片弦長，這也改變了葉片載荷沿葉高方向上的分布。反過來，引起出口速度三角形的變化。 通流結(jié)果分析通流結(jié)果分析圖圖29 通流計算預測的導通流計算預測的導流葉片進出口流動角、馬流葉片進出口流動角、馬赫數(shù)分布赫數(shù)分布圖30給出了轉(zhuǎn)子入口和出口相對流動角，出口相對馬赫數(shù)沿葉高方向上的分布。由于轉(zhuǎn)子入口速度三角形受到噴嘴葉片出口速度的影響，因此噴嘴葉片尾緣修改后會引起轉(zhuǎn)子葉片入口速度三角形的變化。葉根處入口馬赫數(shù)高于葉尖處入口馬赫數(shù)，表明葉根處反動度較低，轉(zhuǎn)折角較大。轉(zhuǎn)子葉片入口存在的差別也體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子出口速度分布上。 通流結(jié)果分析通流結(jié)果分析圖圖30 通流計算預通流計算預測的轉(zhuǎn)子葉

14、片進測的轉(zhuǎn)子葉片進出口流動角、馬出口流動角、馬赫數(shù)分布赫數(shù)分布由圖29和圖30可以看出采用通流分析方法可以反映出某些幾何參數(shù)變化對流動參數(shù)產(chǎn)生的影響以及對相鄰葉片排流動參數(shù)產(chǎn)生的影響。 通流結(jié)果分析通流結(jié)果分析葉形設(shè)計葉形設(shè)計 在完成渦輪葉片的初步設(shè)計和通流設(shè)計后，即可開始進行渦輪葉片葉型設(shè)計。在初步設(shè)計階段，獲得了每一排葉片進出口工質(zhì)速度三角形及熱力學參數(shù)。利用這些參數(shù)，并配合損失系數(shù)及氣流偏轉(zhuǎn)角,就可以估算設(shè)計渦輪級的氣動性能。在通流設(shè)計階段，考慮了流動參數(shù)在徑向上的變化，通過計算得到速度等參數(shù)在徑向上的分布。在完成初步設(shè)計和通流計算后，設(shè)計人員獲得了足夠的信息，接下來即可開始進行葉型設(shè)計

15、。葉片形狀比較復雜，對于給定的進出口葉片角和葉片喉部面積，可以有很多葉片形狀滿足這個條件。為了獲得性能較好的渦輪葉片，必須使葉片表面存在一個合理的壓強分布。渦輪葉片表面理想的壓強分布應(yīng)為壓力面上的壓強等于上游滯止壓強，吸力面上的壓強等于下游靜壓，這樣會在上游壓強和下游壓強的差值范圍之內(nèi)獲得盡可能大的葉片做功能力，而對于實際的渦輪葉片，這種壓強分布形式是無法獲得的，因為這種壓強分布形勢會導致葉片前緣和葉片尾緣具有無窮大的壓強梯度，實際的壓強分布形式在圖31(a)中顯示， (a)理想和實際葉片表面壓強分布理想和實際葉片表面壓強分布 圖圖31 渦輪葉片壓強分布和馬赫數(shù)分布渦輪葉片壓強分布和馬赫數(shù)分布

16、葉形設(shè)計葉形設(shè)計 在設(shè)計高載荷葉片時，應(yīng)盡可能在離葉片喉部比較遠的吸力面上減小壓強，這樣會導致在葉片喉部上游出現(xiàn)過膨脹狀態(tài)，使葉片吸力面上出現(xiàn)壓強小于葉片出口壓強的現(xiàn)象。因此吸力面接近出口位置和葉片尾緣之間會出現(xiàn)擴散流動過程，以提升壓強而達到出口壓強，當這個區(qū)域的擴散流動超過一定程度后，會出現(xiàn)分離流動現(xiàn)象，從而導致葉片性能發(fā)生惡化。葉形設(shè)計葉形設(shè)計 不同的設(shè)計機構(gòu)關(guān)于如何確定這個區(qū)域的擴散程度有不同的設(shè)計原則，這些設(shè)計原則都是根據(jù)各自的試驗結(jié)果歸納得出的，依據(jù)這些允許的擴散程度設(shè)計的渦輪葉片不會因擴散流動而引起分離流動。吸力面上的擴散程度可用吸力面擴散因子表示，即葉形設(shè)計葉形設(shè)計 maxmax

17、exitssMaMaDMa擴散因子的極限值為Dss0.2。最初步的葉片形狀采用幾何方法構(gòu)建，通常采用一系列圓弧或者其他曲線構(gòu)建，如圖32。在設(shè)計葉形時要確定節(jié)距/弦長，入口和出口葉片角，給定葉片前緣和尾緣半徑，選定安裝角，這樣葉柵喉部大小得到確定。通過嘗試的方法，使用光滑曲線或者圓弧線把這些點連接起來，形成完整的葉形。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 圖圖32 圓弧形葉片的構(gòu)造圓弧形葉片的構(gòu)造 在圖32給出的圖例中，使用三個圓弧線構(gòu)造葉片表面，其中兩條圓弧線構(gòu)造吸力面喉部上游葉片形線和喉部下游形線，第三條圓弧線構(gòu)造葉片壓力面。這種設(shè)計渦輪葉片形狀的方法看起來似乎帶有一定的隨意性，但是對于有經(jīng)驗的設(shè)計人員采用

18、這種方法可以獲得較好的設(shè)計結(jié)果。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 圖圖32 圓弧形葉片的構(gòu)造圓弧形葉片的構(gòu)造 這種設(shè)計方法存在的一個問題是在兩個圓弧線交點位置上容易出現(xiàn)曲率不連續(xù)的現(xiàn)象，因此應(yīng)該仔細設(shè)計保證葉片表面曲線和它的一階導數(shù)是連續(xù)的，而采用具有不同半徑的圓弧連接不可避免地在曲線的相交點處的曲率是不連續(xù)的，這會導致垂直于葉片表面的壓強梯度發(fā)生突然的變化。葉片表面發(fā)生曲率不連續(xù)會導致葉片表面壓強分布和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布也出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，如圖33。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 圖圖32 圓弧形葉片的構(gòu)造圓弧形葉片的構(gòu)造 圖圖33 葉片表面馬赫數(shù)分布葉片表面馬赫數(shù)分布 采用兩段圓弧構(gòu)造的葉片吸力面在葉片喉部相交

19、，氣流會在這個位置上發(fā)生突然減速，相應(yīng)地增加了邊界層的厚度和損失。采用多段圓弧可以減緩發(fā)生速度下降的程度，但是會在每一個曲線相交點處出現(xiàn)速度下降現(xiàn)象，圖33也給出了采用三段圓弧構(gòu)造吸力面時葉片表面馬赫數(shù)分布曲線，在這種情況下會出現(xiàn)兩個交點。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 圖圖32 圓弧形葉片的構(gòu)造圓弧形葉片的構(gòu)造 圖圖33 葉片表面馬赫數(shù)分布葉片表面馬赫數(shù)分布 為了解決葉片表面曲率的連續(xù)性問題，可以使用高階曲線，比如三次曲線，即使這樣，要想在葉片前緣和葉片尾緣實現(xiàn)曲率的連續(xù)依然存在一定的困難。因為葉片前緣和尾緣區(qū)域常常采用圓弧或者橢圓曲線進行定義，前后緣曲線和葉片吸力面及壓力面曲線相交位置上很難保證曲率的

20、連續(xù)，這樣會很容易在葉片吸力面上出現(xiàn)氣流的過度加速流動現(xiàn)象。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 在開始葉型設(shè)計時，應(yīng)確定葉型剖面的位置和所需要的葉型剖面數(shù)目。典型情況下選取葉型的三個剖面，即葉根剖面、中間葉高剖面、葉尖剖面。葉根和葉尖剖面可以完全沿著機匣形狀選取，也可以在距離機匣較短的葉高范圍內(nèi)截取(如10%葉高范圍內(nèi))。葉型剖面的半徑可以保持不變，或者是一個圓錐體與葉片相貫后所形成的剖面，也可以順著某條曲線，比如流線截取剖面。葉形設(shè)計葉形設(shè)計 當葉片幾何形狀比較簡單時，只選取葉根和葉尖剖面就足夠了。在葉片成型中選用三個葉片剖面的做法更為普遍一些。因為平均流線分析會得到中間葉高位置上的葉片角，這樣有必要在中間

21、葉高處對葉片進行造型。對于比較復雜的葉片形狀，設(shè)計人員可能會選用多個葉片剖面。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 葉片剖面選取的位置還要和應(yīng)力分析結(jié)果結(jié)合起來。比如，在葉片所受應(yīng)力和溫度的共同作用下，葉片的壽命極限剖面不在葉根而在中間葉高的某一位置上。應(yīng)力分析結(jié)果表明在某一個特定的葉高位置上必須要有足夠的葉片截面積承受相應(yīng)的應(yīng)力時，那么就要在這個位置上選定一個葉片剖面，以保證獲得合適的葉片截面積，以滿足葉片的壽命要求。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 葉片排間的軸向間隙是由氣動和結(jié)構(gòu)因素共同決定的。從氣動性能這方面來考慮，葉片排間軸向距離大可使葉片尾跡在流進下一排葉片前有足夠的時間進行滲混，從而減弱葉片尾跡對下游葉片排流場

22、產(chǎn)生的影響。但是當軸向距離增大后，會使輪緣輪轂壁面的摩擦損失增加，并且還會導致渦輪的軸向長度增加，重量也增加。通常情況下，葉片排間的軸向距離是由葉片排間存在的機械上的耦合來決定的。上游葉片尾跡對下游葉片有激振的作用，使下游葉片產(chǎn)生共振。葉片排間的軸向距離越大，激振力也就越小。葉片排間軸向距離通常在保證葉片壽命的前提下取得最小，為上游葉片軸向弦長的20%35%范圍內(nèi)。葉形設(shè)計葉形設(shè)計 圖36給出了葉片最大厚度/葉片弦長與葉片轉(zhuǎn)折角之間的關(guān)系曲線。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 轉(zhuǎn)折角越大葉片最大厚度也就越大圖37給出了葉片安裝角與葉片進出口角度間的關(guān)系。圖圖37 典型渦輪葉片安裝角典型渦輪葉片安裝角 葉形設(shè)

23、計葉形設(shè)計 可以采用多種方法構(gòu)建葉型剖面，比如采用標準的葉型剖面構(gòu)建，或采用數(shù)學公式構(gòu)建。無論采用什么樣的構(gòu)建方法，都應(yīng)保證能夠在計算機上通過修改一些參數(shù)來改變?nèi)~片的幾何尺寸。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 Pritchard(1985)歸納出11個參數(shù)代表渦輪葉型剖面形狀，實現(xiàn)了渦輪葉型的參數(shù)化設(shè)計，這種渦輪葉片的設(shè)計方法得到了比較廣泛的應(yīng)用，見圖38。葉形設(shè)計葉形設(shè)計 生成一個完整葉型剖面所需要的參數(shù)：葉型剖面半徑，軸向弦長，切向弦長，無生成一個完整葉型剖面所需要的參數(shù)：葉型剖面半徑，軸向弦長，切向弦長，無引導轉(zhuǎn)折，入口葉片角，入口楔形角，前緣半徑，出口葉片角，尾緣半徑，葉片引導轉(zhuǎn)折，入口葉片角，入口

24、楔形角，前緣半徑，出口葉片角，尾緣半徑，葉片數(shù)目，喉部寬度數(shù)目，喉部寬度圖圖38 使用使用11個參數(shù)定義葉型剖面?zhèn)€參數(shù)定義葉型剖面這11個參數(shù)中有一部分參數(shù)是在初步設(shè)計中確定的，另外一部分參數(shù)可根據(jù)類似的圖34、 圖36和圖37獲得。11個參數(shù)中并沒有包括安裝角，但11個參數(shù)中的軸向弦長和切向弦長是和安裝角有直接關(guān)系的。前后緣半徑大小要滿足應(yīng)力的要求。如果內(nèi)部帶有冷卻氣道，則應(yīng)滿足內(nèi)部冷卻氣道尺寸上的要求。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 生成一個完整葉型剖面所需要的參數(shù)：葉型剖面半徑，軸向弦長，切向弦長，無生成一個完整葉型剖面所需要的參數(shù)：葉型剖面半徑，軸向弦長，切向弦長，無引導轉(zhuǎn)折，入口葉片角，入口楔形

25、角，前緣半徑，出口葉片角，尾緣半徑，葉片引導轉(zhuǎn)折，入口葉片角，入口楔形角，前緣半徑，出口葉片角，尾緣半徑，葉片數(shù)目，喉部寬度數(shù)目，喉部寬度圖圖38 使用使用11個參數(shù)定義葉型剖面?zhèn)€參數(shù)定義葉型剖面在某些情況下參數(shù)可能無解，這是這種方法的局限性造成的。對于實際的物理問題不會出現(xiàn)這種情況。由于這種方法并不能保證二階導數(shù)是連續(xù)的，這會導致葉片表面曲率出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。因此必須要對葉片葉片流動分析結(jié)果進行仔細的分析和檢查，以保證參數(shù)化設(shè)計出的葉片剖面能夠獲得一個令人滿意的流場。 葉形設(shè)計葉形設(shè)計 目前，葉片剖面生成模塊使用Bezien曲線描述壓力面和吸力面的形狀。使用Bezien曲線描述的方法可以使定義

26、的曲線具有高度的連續(xù)光滑特點，它可以使設(shè)計人員很方便地對曲線進行修改，并且能自動地保證曲線的光滑過渡。在設(shè)計系統(tǒng)中，應(yīng)可以允許對曲線上的控制點進行修改。葉形設(shè)計葉形設(shè)計 rP2 rp3 rS23 rS22 rS21 rrSS1320 rS10 rS11 rS12 rP0 rP1 背弧前段 背弧后段 內(nèi)弧 喉部切點 a 出口幾何中心線 表1是關(guān)于蒸汽輪機和燃氣輪機渦輪葉片設(shè)計方法的發(fā)展過程。有一點應(yīng)該注意，并不是老的設(shè)計方法完全被新的設(shè)計方法所代替，或者后來出現(xiàn)的設(shè)計方法在每一個方面都優(yōu)于老的設(shè)計方法。不同的應(yīng)用對設(shè)計方法會產(chǎn)生不同的要求，較復雜的設(shè)計系統(tǒng)也需要較長的設(shè)計時間，即使需要采用最復雜

27、的設(shè)計系統(tǒng)進行設(shè)計，通常也是在設(shè)計的初期階段使用簡單的設(shè)計系統(tǒng)進行初步設(shè)計。葉形設(shè)計葉形設(shè)計 表表1渦輪氣動設(shè)計的發(fā)展過程渦輪氣動設(shè)計的發(fā)展過程年代方法設(shè)計方法速度三角形葉形剖面三維形狀1940手工計算一維流動自由渦圓弧徑向積疊1965計算機(輸入程序) 二維無粘流動自由渦和強制渦任意葉形徑向積疊1975計算機(交互方式) 二維和準三維無粘流動并耦合邊界層計算任意渦任意葉形傾和彎1985計算機(交互方式) 三維粘性全三維分析計算 重要工具: 計算機與計算機網(wǎng)絡(luò) 一體化: CAD, CAE,CFD,CAA,CAM多個平臺與綜合平臺 智能優(yōu)化: 數(shù)值優(yōu)化,非數(shù)值優(yōu)化,專家系統(tǒng) 大型綜合設(shè)計數(shù)據(jù)庫:

28、 知識學習與挖掘 基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究與開發(fā)之間距離越來越?。汗こ袒A(chǔ)研究與設(shè)計 計算數(shù)學 虛擬現(xiàn)實 一元流設(shè)計方法(傳統(tǒng)設(shè)計) 基元級參數(shù)優(yōu)化 準三元設(shè)計方法(傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計過渡) 徑向參數(shù)優(yōu)化 全三元定常設(shè)計方法(現(xiàn)代設(shè)計階段1) 性能預測,機理預測 全三元非定常設(shè)計方法(現(xiàn)代設(shè)計階段2) 性能預測,機理預測 全三元多物理設(shè)計方法(現(xiàn)代設(shè)計階段3) 一體化PDM CAD CAE CFD CAM (現(xiàn)代設(shè)計階段4) 應(yīng)用軟件系統(tǒng)接口技術(shù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)接口技術(shù)參數(shù)化幾何造型系統(tǒng)參數(shù)化幾何造型系統(tǒng)虛擬裝配樣機虛擬裝配樣機發(fā)動機流場及性能計算發(fā)動機流場及性能計算結(jié)構(gòu)、強度、振動計算結(jié)構(gòu)、強度、振動

29、計算控制設(shè)計系統(tǒng)控制設(shè)計系統(tǒng)虛擬制造、工藝系統(tǒng)虛擬制造、工藝系統(tǒng)測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)無縫接口IGESSTEPDXFIGESSTEPDXF無縫接口無縫接口IGES 、STEP、 DXF？現(xiàn)代設(shè)計體系采用畫圖方法進行葉片排初步設(shè)計實例采用畫圖方法進行葉片排初步設(shè)計實例(看書看書)一個靜子葉片設(shè)計實例一個靜子葉片設(shè)計實例 圖41是一個靜子葉片的設(shè)計實例，這個圖上給出了葉型剖面，定義這個葉型剖面所需要的參數(shù)，以及由二維葉片葉片分析所得到的葉片表面馬赫數(shù)分布。流動分析表明，在吸力面喉部前方氣流加速過度，在葉片喉部馬赫數(shù)達到0.73。 圖圖41 修改前的導流葉片修改前的導流葉片 圖上表示的是葉形剖面和表面曲率

30、分布在喉部下游，吸力面上氣流速度下降，出現(xiàn)擴散流動現(xiàn)象。定義擴散比(MamaxMa2)/Mamax，式中Mamax是吸力面上最大馬赫數(shù)，這樣得到的擴散比為0.08，對于這個渦輪葉片而言，擴散比過大。為了減小或消除在吸力面上出現(xiàn)的擴散流動現(xiàn)象，必須要減小喉部上游的氣流加速程度，通過減小喉部上游葉片吸力面的彎曲程度，同時增加喉部下游葉片吸力面彎曲程度來減弱在葉片吸力面喉部上游出現(xiàn)的加速過程和喉部下游出現(xiàn)的減速過程。 一個靜子葉片設(shè)計實例一個靜子葉片設(shè)計實例 圖42給出了如上描述修改后得到的結(jié)果。從圖上給出的數(shù)據(jù)表可以看出從吸力面喉部到葉片尾緣轉(zhuǎn)折角由2.5增加到5.5。由于葉片喉部上游彎曲程度減小

31、，其結(jié)果是吸力面峰值馬赫數(shù)減小到0.7，并且在葉片吸力面喉部下游沒有出現(xiàn)擴散流動現(xiàn)象。 一個靜子葉片設(shè)計實例一個靜子葉片設(shè)計實例 圖42 修改后的導流葉片 比較圖41和圖42 ，可以看出，修改前后的葉片形狀基本是一致的， 其形狀上的差別很難測量出來，然而所引起的馬赫數(shù)和氣動性能參數(shù)上的變化是非常明顯的。可以說葉片形狀上的差別是在制造公差允許的范圍之內(nèi)。為了獲得性能改進的葉片，就必須要盡可能地控制葉片加工形狀，以期獲得滿意的葉片性能。 圖圖41 修改前的導流葉片修改前的導流葉片 圖圖42 修改后的導流葉片修改后的導流葉片 一個靜子葉片設(shè)計實例一個靜子葉片設(shè)計實例 圖43和圖44給出了另外一個渦輪

32、葉型的設(shè)計實例。最初葉片吸力面峰值馬赫數(shù)為0.92，擴散因子為0.12。對葉片的修改只是使吸力面喉部到葉片尾緣轉(zhuǎn)折角有5.5增大到6。只對葉片進行這樣的修改就使葉片吸力面峰值馬赫數(shù)為0.92下降到0.89，擴散因子下降到0。 一個靜子葉片設(shè)計實例一個靜子葉片設(shè)計實例 圖圖43 修改前的葉片修改前的葉片 圖圖44 修改后的葉片修改后的葉片上面給出的例子都是根據(jù)葉片吸力面上速度分布確定修改方案的。為了更進一步的定量判斷葉片形狀修改對葉片性能產(chǎn)生的影響，就要進行三維粘性流場計算分析。當然，三維粘性流場分析所需時間較長。如果設(shè)計人員能夠依靠經(jīng)驗判斷修改的葉型是成功的，那么就可以減少采用CFD計算分析的

33、次數(shù)，這樣可以有效縮短葉片設(shè)計時間。而在最終確定葉片形狀后，依然需要CFD計算軟件對所設(shè)計的葉片進行深入分析。葉片表面曲率分布的影響葉片表面曲率分布的影響 在早期設(shè)計蒸汽透平和燃氣透平渦輪時，采用的是把葉片厚度分布在葉片中線兩側(cè)的方法。隨著葉片切向載荷系數(shù)的增加和葉片稠度的減小，采用這種厚度分布的設(shè)計亞聲速渦輪方法很難保證葉片流道從進口到出口流通面積是逐漸減小的。從1950年代開始，絕大多數(shù)渦輪葉片的設(shè)計采用規(guī)定葉片吸力面和壓力面形狀的方法進行設(shè)計，這種方法實際上也是規(guī)定了葉片流道形狀的方法。 圖45給出了一個B40渦輪葉片二維葉柵計算獲得的性能，其中圖45a給出的是代表葉片表面馬赫數(shù)分布，橫

34、坐標代表葉片軸向方向。圖45b給出的是葉片槽道內(nèi)的馬赫數(shù)分布的等值線圖。 葉片表面曲率分布的影響葉片表面曲率分布的影響 (a) 表面馬赫數(shù)分布表面馬赫數(shù)分布 (b)馬赫數(shù)分布馬赫數(shù)分布圖圖45 一種典型渦輪葉柵參數(shù)分布一種典型渦輪葉柵參數(shù)分布 1 40 ， 260 ， 32 ，CL 1.0圖45c和圖45d給出了B4-0B4-3四種葉片表面曲率分布，以及計算得到的邊界層位移厚度，圖45d畫出了全部四種渦輪葉片葉形。由于葉片形狀的差別很小，因此很難在圖45d上看出。 (c) 表面曲率分布表面曲率分布 (d)葉形及邊界層位移厚度分布葉形及邊界層位移厚度分布(自由流湍流度自由流湍流度15%)在圖45

35、c上可以看出四種葉片存在的曲率上的差別，葉片表面曲率的差別導致馬赫數(shù)分布出現(xiàn)了差異。對于葉片表面曲率分布最差的兩種葉片B4-2和B4-3，在葉片吸力面表面出現(xiàn)了邊界層分離流動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象即使邊界層重新附著在葉片表面，也會產(chǎn)生流動損失。 葉片表面曲率分布的影響葉片表面曲率分布的影響 葉片設(shè)計中的正問題和反問題葉片設(shè)計中的正問題和反問題不同的設(shè)計人員對葉輪機械的設(shè)計問題給出了各種稱呼，如使用最為廣泛的反問題、正問題，還有半反問題、全反問題、全優(yōu)化設(shè)計(Meauze,1989)、分析和設(shè)計模式(Stow,1989)、優(yōu)化設(shè)計方法(Bry,1989)等各種稱呼。 通常對正問題的定義是在設(shè)計過程中設(shè)計

36、人員輸入葉片形狀，輸出的是能夠反映出葉片性能的參數(shù)如葉片表面馬赫數(shù)分布和壓強分布等。通過葉片性能參數(shù)和氣動參數(shù)的分布形式?jīng)Q定葉片上的哪一個位置應(yīng)增加載荷，哪一個位置應(yīng)減小載荷，以及在迭代設(shè)計過程中如何對葉片表面形狀進行修改。在迭代設(shè)計過程中需要一個完成幾何形狀修改設(shè)計的程序和葉片性能計算程序，直到獲得滿意的葉片性能計算結(jié)果才標志著葉片設(shè)計的成功。 所謂反問題是這樣定義的，設(shè)計人員給定的是葉片性能，根據(jù)性能設(shè)計出需要的葉片形狀。比如在設(shè)計中給定葉片表面的速度分布和壓強分布，在設(shè)計中可通過修改局部葉片形狀獲得滿足規(guī)定的速度分布和壓強分布。后一種方法包括設(shè)計人員所說的半反問題、全反問題等方法。 葉片

37、設(shè)計中的正問題和反問題葉片設(shè)計中的正問題和反問題正問題方法和反問題方法都是認為葉片內(nèi)部流動是定常流動，通過數(shù)值迭代的方法得到需要的葉片形狀和性能指標。采用正問題方法設(shè)計時工作量比較大，但設(shè)計過程比較直觀，設(shè)計人員在設(shè)計過程中可以對幾何參數(shù)進行控制。當葉片形狀存在結(jié)構(gòu)不合理現(xiàn)象時，設(shè)計人員可以直接否決這個方案，而不需要再進行性能分析計算。 在實際葉片設(shè)計過程中，可以把正問題方法和反問題方法結(jié)合使用，在設(shè)計的前期使用正問題方法初步確定葉片的形狀，在葉片形狀基本確定，基本可以接受的情況下，再采用反問題方法完成葉片的最終設(shè)計。這種做法可以明顯減少反問題的迭代次數(shù)。 反問題設(shè)計方法不要求設(shè)計人員投入大量

38、的時間，但是反問題中存在著一些數(shù)學上的問題較難解決，如在設(shè)計過程中如何處理葉片尾緣厚度。很多反問題方法必須依靠正問題和初步設(shè)計方法，在有了葉片形狀后，才開始使用反問題方法。 葉片設(shè)計中的正問題和反問題葉片設(shè)計中的正問題和反問題在直接采用反問題設(shè)計葉片時，如果采用給定葉片表面壓強分布或者速度分布進行設(shè)計，如何給定這些參數(shù)合理的分布形式也是設(shè)計人員面臨的一個問題。在使用反問題方法的設(shè)計過程中，設(shè)計人員無法對葉片形狀進行直接控制，這樣有可能會使設(shè)計出的葉片在結(jié)構(gòu)和應(yīng)力上不能滿足要求，或者設(shè)計出的葉片形狀不能進行葉片冷卻，或者不能實現(xiàn)加工等。當需要改變?nèi)~片的一些幾何參數(shù)如安裝角時，必須要重新采用正問題

39、進行設(shè)計。 葉片設(shè)計中的正問題和反問題葉片設(shè)計中的正問題和反問題葉片表面曲率影響速度分布的原因葉片表面曲率影響速度分布的原因葉片表面曲率和曲率導數(shù)影響葉片表面的邊界層分布形式和葉片性能，而曲率導數(shù)對葉片性能的影響沒有曲率對葉片性能的影響大。一一 理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ) 圓柱坐標系下葉輪機械內(nèi)二維平面內(nèi)流動的連續(xù)方程和動量方程可以寫為 011CrrCrrtrrrrrrrprCCrCrCCtCrrrrrrr112rrrrprrCCCrCrCCtCrrr11122式中p是靜壓強，ij是粘性應(yīng)力，粘性應(yīng)力通過動力粘性系數(shù)計算。曲率對葉輪機械內(nèi)部流動的影響可以通過觀察柱坐標系下粘性流體的控制方程得出結(jié)論，方程

40、中包含有1/r和1/r2項反映出曲率對當?shù)厮俣群蛪簭娪泻艽笥绊?。渦輪葉片性能的好壞在很大程度上取決于葉片表面邊界層的行為。當希望用邊界層把核心流與不連續(xù)的壁面分離開時，邊界層的狀態(tài)取決去近壁區(qū)域速度分布導數(shù)的形式，速度導數(shù)的分布形式受流線曲率的影響，因此邊界層的形式也受流線曲率的影響。 葉片表面曲率影響速度分布的原因葉片表面曲率影響速度分布的原因一一 理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)- -續(xù)上頁續(xù)上頁 葉片表面光滑的速度分布要求葉片表面具有光滑的曲率分布，也即沿著葉片表面速度的一階導數(shù)和曲率的一接導數(shù)應(yīng)該是連續(xù)的。曲率的導數(shù)連續(xù)要求描述葉片表面的參數(shù)樣條函數(shù)或者多項式在節(jié)點上的三階導數(shù)是連續(xù)的，由(x,y)坐

41、標表示的曲率和曲率導數(shù)的計算公式為3 2211dy dxrdy dx2233225 221311d y dxdy dxdy dxd y dxddx rdy dx葉片表面曲率影響速度分布的原因葉片表面曲率影響速度分布的原因一一 理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)- -續(xù)上頁續(xù)上頁 二二 曲率影響速度分布實例曲率影響速度分布實例目前在正問題中使用的絕大多數(shù)參數(shù)樣條(如三次樣條，B樣條，貝塞爾樣條)有連續(xù)的一階和二階導數(shù)(三次樣條)，這樣產(chǎn)生的葉片表面是具有連續(xù)曲率的光滑表面，但是在樣條節(jié)點上的曲率導數(shù)是不連續(xù)的。 葉片表面形狀產(chǎn)生的曲率不連續(xù)會使葉片載荷發(fā)生變化，并會導致葉片尾跡增厚，會使葉片表面馬赫數(shù)分布和壓強系

42、數(shù)分布出現(xiàn)脈沖一樣的尖峰或者下降，從而出現(xiàn)不希望的葉片載荷分布形式，有可能會產(chǎn)生分離泡。在通過計算或者試驗獲得的關(guān)于葉片表面壓強分布或者馬赫數(shù)分布圖上出現(xiàn)的一個較小的局部扭曲形狀即代表出現(xiàn)了分離泡。分離泡通常在葉片吸力面上更常見一些。葉片表面曲率影響速度分布的原因葉片表面曲率影響速度分布的原因葉片前緣形狀為圓形或者橢圓形，葉片前緣圓形區(qū)域或者橢圓形區(qū)域與葉片表面相連接的位置一般會產(chǎn)生局部曲率或者曲率導數(shù)的不連續(xù)，有可能產(chǎn)生分離，或者在葉片前緣產(chǎn)生馬赫數(shù)尖峰，這個尖峰只有在探針處于合適的位置上才能探測得到。Hodson和多米尼(Dominy，1987)研究了因葉片前緣圓弧與吸力面形線交接導致的葉

43、片吸力面前緣出現(xiàn)局部層流分離泡的現(xiàn)象。 二二 曲率影響速度分布實例曲率影響速度分布實例葉片表面曲率影響速度分布的原因葉片表面曲率影響速度分布的原因曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法 根據(jù)前面的內(nèi)容可以看出，葉片表面某一個位置上馬赫數(shù)的增加和減小都是葉片表面曲率分布影響的結(jié)果。因此可以使用給定渦輪葉片表面曲率分布的設(shè)計方法，這是一種正問題的設(shè)計方法。這種方法所使用的初始葉片形狀可以是采用手工設(shè)計獲得的葉形。方法概述：葉片形狀和曲率分布形狀改變后可以觀察馬赫數(shù)分布是否向要求的分布形式靠近。在完成第一次葉片幾何設(shè)計和流動分析后，設(shè)計人員應(yīng)該對葉片表面馬赫數(shù)分布或者葉片表面壓

44、強分布進行評估，確定在下一次迭代設(shè)計中應(yīng)該對葉片的哪一個位置上的曲率增加還是減小。在第二次迭代設(shè)計完成后，設(shè)計人員應(yīng)該對曲率分布變化引起的速度變化的程度進行評價，重復這個迭代過程，直到獲得一個滿意的幾何形狀和馬赫數(shù)分布及滿意的性能參數(shù)后，結(jié)束這個迭代過程，然后進入下一個設(shè)計階段。 曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法 具體方法可以看書圖49給出了五個具有不同曲率分布和形狀的葉片設(shè)計結(jié)果，這五個葉片的140，260， 25，CL1.0。可以看出，在葉片尾緣附近吸力面曲率較大的變化引起的葉片表面形狀的變化很小，而葉片前緣同樣的曲率變化引起葉片形狀發(fā)生較大變化。 曲率描述的渦

45、輪葉片剖面設(shè)計方法曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法 L25-0，L25-f1，L25-f2，L25-a1和和L25-a2葉片幾何葉片幾何 (b) 葉片表面曲率分布葉片表面曲率分布圖圖49 葉片表面曲率分布對葉片載荷和邊界層的影響葉片表面曲率分布對葉片載荷和邊界層的影響通過調(diào)整葉片表面的曲率分布，可以設(shè)計出前加載葉片和后加載葉片。前加載葉片吸力面上最大馬赫數(shù)的位置更靠近葉片前緣附近，后加載葉片吸力面上最大馬赫數(shù)的位置更靠近葉片尾緣附近。 曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法 (c) 葉片表面馬赫數(shù)分布葉片表面馬赫數(shù)分布 (d) 邊界層位移厚度邊界層位移厚度前加載前加載后加載

46、后加載均勻加載均勻加載因此可以知道在開始設(shè)計時選擇葉片吸力面喉部下游曲率s/e會對葉片載荷的分布形式產(chǎn)生影響。在渦輪葉片的設(shè)計中，一些設(shè)計人員選擇設(shè)計前加載葉片，還有一些設(shè)計人員選擇設(shè)計中間加載葉片。兩種葉片的設(shè)計結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn)，中間加載葉片邊界層損失最小。曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法曲率描述的渦輪葉片剖面設(shè)計方法 安裝角的影響安裝角的影響圖50圖53給出了安裝角從25到40時對葉片表面馬赫數(shù)和葉片槽道內(nèi)馬赫數(shù)等值線的影響。圖中給出的結(jié)果所對應(yīng)的葉片除了安裝角不同以外，其他變量保持不變。葉片的主要幾何參數(shù)有140，260，Ma2=0.800，CL1.0，o/s0.50。 隨著安裝角的增加，

47、葉片厚度變薄，葉片載荷向前緣移動，逐漸變成前加載葉片，這樣葉片性能對葉片表面曲率和幾何變化更加敏感。 安裝角的影響安裝角的影響圖圖50 安裝角影響：安裝角影響：L25葉片性能，葉片性能， 1 40 ， 260 ，CL 1.0， 25 圖圖51 安裝角影響：安裝角影響：L30葉片性能，葉片性能， 1 40 ， 260 ，CL 1.0， 30 安裝角的影響安裝角的影響圖圖52 安裝角影響：安裝角影響：L35葉片性能，葉片性能， 1 40 ， 260 ，CL 1.0， 35 圖圖53 安裝角影響：安裝角影響：L40葉片性能，葉片性能， 1 40 ， 260 ，CL 1.0， 40 安裝角為25時的葉

48、片，在葉片壓力面后部存在一段逆壓強梯度較大的區(qū)域。當安裝角增大，逆壓梯度區(qū)長度變大，逆壓梯度區(qū)的存在會對壓力面和吸力面的邊界層產(chǎn)生影響。安裝角取中間值時，葉片尾緣吸力面和壓力面邊界層厚度最小，流動損失也最小，這與中間載荷葉片具有最小的葉片尾緣吸力面和壓力面邊界層厚度最小和流動損失最小的說法是一致的。因為在這個安裝角下，葉片具有中間載荷分布形式，如圖51所示。 安裝角的影響安裝角的影響葉片積疊葉片積疊三維設(shè)計三維設(shè)計 在完成二維葉型剖面設(shè)計后，就可以對這些葉型剖面進行積疊。在進行葉片積疊時，應(yīng)確定一條積疊線，每個葉型剖面都沿著這條積疊線進行積疊，這樣就確定了每個葉型剖面間的相對位置。積疊線可以是

49、直線，這條直線可以是沿徑向的直線，也可以是和徑向成一定夾角的直線。積疊線也可以是曲線，這樣就可以生成比較復雜的葉片形狀。有了積疊線，還需要選定每一個葉型剖面上的積疊點，每條積疊線就是通過積疊點對葉型剖面進行積疊。積疊點可以選定在質(zhì)心，或葉片前緣，葉片尾緣等位置。 圖54是采用不同積疊線的積疊過程，其中圖54a和圖54b為傾斜葉片。圖54c和圖54d積疊點在葉片剖面質(zhì)心，在圖上用“+”號表示，積疊線則沿著半徑方向。 葉片積疊葉片積疊三維設(shè)計三維設(shè)計 圖圖54 葉片積疊葉片積疊 -30-20-10010051015202530354045靜葉積疊靜葉積疊-15-10-5051015-15-10-5

50、0510動葉積疊動葉積疊050100150200120160三維積疊050100150200120160彎葉片的積疊線彎葉片的積疊線彎曲角度彎曲角度彎高彎高三維空間葉型三維空間葉型圖55表示了采用同一葉型剖面，按不同積疊線積疊獲得的葉片形狀，由此可以看出使用相同的葉型剖面，只是修改積疊線形狀，就可以得到不同的葉片三維形狀。其中右側(cè)圖的積疊線是彎曲的，從而使葉片尾緣不是直線而是曲線，葉片前緣的彎曲程度相對減小。選用不同的積疊線目的是為了改善葉片的氣動性能。積疊線的優(yōu)化設(shè)計同樣也可以改變?nèi)~片應(yīng)力沿葉高方向的分布形式，從而改善葉片使用壽命。圖圖55 相同的葉型剖面進行不同的積疊相同的葉型剖面進行不同

51、的積疊 葉片積疊葉片積疊三維設(shè)計三維設(shè)計 在獲得葉片的三維幾何形狀后，就可以使用三維CFD方法進行內(nèi)部流場分析。在二維葉片-葉片方向上的流動分析中，無法考慮壓強梯度和流動參數(shù)在葉高方向上的變化，這會導致計算出的葉片性能和實際性能之間存在著明顯的差別。葉片積疊葉片積疊三維設(shè)計三維設(shè)計 從圖56能夠看出這種差別，所研究的葉片平均剖面，下邊兩圖分別是采用二維計算方法和三維計算方法獲得的在這個剖面上的葉片表面馬赫數(shù)分布。二維計算結(jié)果可以看出，吸力面上馬赫數(shù)從前緣到尾緣連續(xù)地加速，在尾緣出口處馬赫數(shù)達到1.3。三維的計算結(jié)果表明在葉片喉部所對應(yīng)的吸力面上的馬赫數(shù)超過了1.5，在喉部和尾緣之間葉片吸力面上

52、出現(xiàn)擴散流動過程。高載荷軸流渦輪葉片高載荷軸流渦輪葉片 為了減小發(fā)動機的體積，降低發(fā)動機的成本，希望把渦輪葉片設(shè)計成高載荷的葉片。比如對于一臺雙軸燃氣輪機，單級高壓渦輪的做功量較大，這樣可以充分利用氣流所具有的能量。這就使高壓渦輪工作在較高的旋轉(zhuǎn)速度下，在較高旋轉(zhuǎn)速度下工作，可以使渦輪葉片長度縮短，渦輪環(huán)形流通面積減小，同時還要保持渦輪葉片和輪盤承受的應(yīng)力為一個合適的數(shù)值。渦輪葉片的做功能力大，要求葉片進口溫度要高。因此，高壓渦輪的特點是要有較高的膨脹比，級載荷要大，葉片需要進行冷卻，葉片具有較低的展弦比，葉片出口馬赫數(shù)為超聲速。 圖59和表4給出了一些典型的渦輪葉片指標。 圖圖59 一些跨聲

53、速渦輪膨脹比、級載荷系數(shù)、流量系數(shù)一些跨聲速渦輪膨脹比、級載荷系數(shù)、流量系數(shù)高載荷軸流渦輪葉片高載荷軸流渦輪葉片 級參數(shù)HWRT(HTDE)E3RAEHLTDRB膨脹比5.0(4.4)4.04.53.83.9H/U22.21.62.12.51.5Cx/U0.480.30.650.630.56導流葉片數(shù)1824401429轉(zhuǎn)子葉片數(shù)4354895154反動度0.310.35或0.430.30.30.28出口周向氣流角394137374出口馬赫數(shù)0.620.50.620.650.6展弦比(導葉)0.70.650.580.71.0展弦比(動葉)1.41.41.291.441.66尾緣堵塞因子%(導葉

54、)149102016尾緣堵塞因子%(動葉)2811111316葉尖間隙/葉高%1.10.81.41.51.7，有冷卻%80.4(81.9)87.8，無冷卻%82.090.387.081.488.6表表4 一些高膨脹比渦輪性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)些高膨脹比渦輪性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)在圖59中E3發(fā)動機是GE公司設(shè)計(Crow等,1980) LART代表聯(lián)信(Liu，1979)研制的低展弦比渦輪(LowAspect Ratio Turbine) FRDC是普惠公司設(shè)計的小型渦輪(Ewen，1973) DEMO I和DEMO II同樣是由加普惠設(shè)計(Okapuu，1974) RAE是英國皇家空軍研究所研制(B

55、ryce，1985) HLT(Highly Loaded Turbine)是加普惠研制(Moustapha，1987) HWRT(High Work Research Turbine)由加普惠研制(Vlasic，1996) 全部這些渦輪都是高膨脹比渦輪，絕大部分還具有較高的載荷系數(shù)和跨聲速流動特征。 高載荷軸流渦輪葉片高載荷軸流渦輪葉片 可控子午型線（周向）可控子午型線（周向）多級渦輪多級渦輪 多級采用的原則多級采用的原則 ：單級功率不夠單級功率不夠 受到馬赫數(shù)的限制，軸流式壓氣受到馬赫數(shù)的限制，軸流式壓氣機圓周速度較低。如采用單級渦機圓周速度較低。如采用單級渦輪，則需加大圓周速度，可能造輪，則需加大圓周速度，可能造成渦輪的直徑過，增大發(fā)動機迎成渦輪的直徑過，增大發(fā)動機迎風面積增大。風面積增大。 渦輪的最大尺寸受到限制或者需要渦輪的最大尺寸受到限制或者需要