基于S3面的透平压气机叶道及其构造方法

基于s3面的透平压气机叶道及其构造方法
技术领域
1.本发明属于透平机械气动技术领域，特别是一种基于s3面的透平压气机叶道及其构造方法。

背景技术：

2.透平压气机是航空发动机、燃气轮机和工业压缩系统的核心部件之一，其气动性能对整机效能的发挥具有重要影响。更高负荷、更高效率和更宽稳定运行工况范围一直是压气机设计者追求的目标。然而，负荷极限的突破会使得压气机内部流场更加复杂，对压气机拓稳增效设计带来巨大挑战。以轴流压气机为例，其端壁流动损失与叶片、端区附面层的相互作用等密切相关，可占总流动损失的约30％，是压气机气动性能提升的关键制约因素之一。因此，端区流动的精细化组织和控制是实现压气机拓稳增效的重要出发点。
3.常规压气机气动设计方法基于“基元叶型”和“径向积叠”的思想生成三维叶片几何造型，在透平压气机气动设计中获得了广泛应用。然而，该方法存在将叶片和端区进行强行割裂的固有缺点，难以实现叶片与端区几何的高阶光滑融合，对端区流动的精细化组织和调控带来不便。尽管不少工作针对叶片与端区交汇处(角区)几何开展局部修型，但由于未涉及叶片及端壁几何的联动调整，无法从根本上改善叶片附面层的径向潜移和端壁附面层的横向潜移，亦不利于端壁流动损失的降低。
4.现有技术的用于透平机械二次流分析评估第三类流面及其设计方法存在如下缺点：未涉及s3面的几何参数化造型，不具备对s3面的灵活控制功能，更无法实现叶片-端区的高阶光滑融合及端区流场调控；二是仅停留于对s3面的二维描述，未涉及三维叶片通道的造型方式，无法指导生成完整的三维叶片通道，严重阻碍其实际工程应用。叶轮机械叶片与端壁融合设计方法提及对沿流向不同s3面角区几何进行局部修型的相关内容，但其未提出压气机流道的完整控制方案和流道的整体设计与生成方法。
5.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于s3面的透平压气机叶道及其构造方法，解决常规压气机设计方法难以实现叶片-端区高阶光滑融合、端区流动组织较差的问题。
7.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于s3面的透平压气机叶道构造方法包括：
8.步骤1，基于透平压气机几何数据建立透平压气机三维几何模型，所述三维几何模型包括轮毂、位于轮毂上的沿流动方向前后布置的前缘面、尾缘面以及沿流动方向延伸的压力面和吸力面，所述压力面和吸力面具有近壁面流线，基于所述三维几何模型计算内部流场，提取透平压气机的近壁面流线；
9.步骤2，s1流面为以旋转轴为中心的同一圆弧上各流体质点的流线所形成的流面，可近似为回转面，s2流面为同一径向线上各流体质点的流线所形成的流面，可近似为几何中心面，s3面为s1流面和s2流面正交的第三类面，基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的多个s3面的几何数据，所述多个s3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道；
10.步骤3，几何参数化处理所述多个s3面和前缘面、尾缘面，其包括，
11.步骤3.1，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线，几何参数化后的前缘线向前探伸，尾缘线向后探伸使得前缘线、尾缘线分别和轮毂曲面的高阶光滑过渡，
12.步骤3.2，拟合形成多个s3面的吸力面-轮毂-压力面曲线使得叶道在吸力面、轮毂与压力面三部分光滑过渡，然后几何参数化轮盖侧曲线；
13.步骤4，将参数化后的曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何，
14.步骤5，基于计算流体力学优化所述叶道三维几何以确定叶道的最优结构。
15.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法中，所述步骤3.1中，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线后，然后几何参数化前缘面、尾缘面中的轮毂和轮盖部分。
16.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法中，步骤3.2，拟合形成多个s3面的吸力面-轮毂-压力面曲线后几何参数化轮盖侧曲线。
17.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法中，使用具有高阶光滑特征且能够由若干控制点生成曲线的拟合曲线几何参数化处理所述多个s3面和前缘面、尾缘面。
18.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法中，拟合曲线可以是nurbs曲线、b样条或bezier曲线。
19.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法中，参数化后的曲线沿近壁面流线至少包含叶片吸力面侧与压力面侧的两条流线。
20.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法中，叶道的最优结构全优化整个压气机叶道的叶片-角区-端区-轮盖，优化过程中s3面面积始终保持不变以维持通流能力一致。
21.一种透平压气机叶道根据所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法制备。
22.所述的基于s3面的透平压气机叶道中，透平压气机叶道为轴流压气机叶道。
23.和现有技术相比，本发明具有以下优点：现有叶片造型与角区控制方式是基于基元叶型+径向积叠的传统叶片造型设计方式，该角区结构造型方式将叶片-角区-端区三个固连部分强行割裂开来，单独设计角区难以实现叶片-端壁的高阶光滑融合，限制了角区造型技术发展的上限。本发明沿近壁面流线放样前缘面、若干s3面和尾缘面的叶道造型，若干s3面曲线高阶连续保证叶片-端壁高阶光滑，前、尾缘面与轮毂曲面高阶连续保证叶片前、尾缘与端壁高阶光滑，控制s3面面积不变保证新型叶道通流能力一致。该方法相较传统叶道设计方法保证了叶片与端壁间高阶光滑过渡，实现了透平压气机角区流动的精细化调控。本发明能够实现包含叶片-角区-轮毂-轮盖的压气机整体几何全设计，叶道重新设计后叶型发生改变且具有叶身高阶融合、非对称端壁和非对称轮盖的几何特征，为透平压气机设计方法的改进提供一种全新思路。
附图说明
24.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
25.在附图中：
26.图1是根据本发明一个实施例的rotor 37原始几何模型示意图；
27.图2是根据本发明一个实施例的叶道s3面数据提取方式效果示意图；
28.图3是根据本发明一个实施例的前/缘面的参数化方法示意图；
29.图4是根据本发明一个实施例的中间s3面的参数化方法示意图；
30.图5是根据本发明一个实施例的叶道几何重构示意图；
31.图6(a)、图6(b)是根据本发明一个实施例的原型机与优化机几何对比示意图，其中，图6(a)为rotor 37原始几何，图6(b)为rotor37优化改型几何；
32.图7(a)、图7(b)是根据本发明一个实施例的原型机与优化机气动性能对比示意图，其中，图7(a)为压比对流量特性曲线，图7(b)为效率对流量特性曲线；
33.图8(a)、图8(b)是根据本发明一个实施例的原型机与优化机流场对比示意图，其中，图8(a)为原始几何静压分布，图8(b)为优化改型几何静压分布。
34.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
35.下面将参照附图1至图8(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
36.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
37.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
38.为了更好地理解，如图1至图8(b)所示，基于s3面的透平压气机叶道构造方法包括，
39.步骤1，基于透平压气机几何数据建立透平压气机三维几何模型，所述三维几何模型包括轮毂、位于轮毂上的沿流动方向前后布置的前缘面、尾缘面以及沿流动方向延伸的压力面和吸力面，所述压力面和吸力面具有近壁面流线，基于所述三维几何模型计算内部
流场，提取透平压气机的近壁面流线；
40.步骤2，s1面为以旋转轴为中心的同一圆弧上各流体质点的流线所形成的流面，s2面为同一径向线上各流体质点的流线所形成的流面，s3面为s1面和s2面正交的第三类面，基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的多个s3面的几何数据，所述多个s3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道；
41.步骤3，几何参数化处理所述多个s3面和前缘面、尾缘面，其包括，
42.步骤3.1，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线，几何参数化后的前缘线向前探伸，尾缘线向后探伸使得前缘线、尾缘线分别和轮毂曲面的高阶光滑过渡，
43.步骤3.2，拟合形成多个s3面的吸力面-轮毂-压力面曲线使得叶道在吸力面、轮毂与压力面三部分光滑过渡，然后几何参数化轮盖侧曲线；
44.步骤4，将参数化后的曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何，
45.步骤5，基于计算流体力学优化所述叶道三维几何以确定叶道的最优结构。
46.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法的优选实施方式中，基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的3个s3面的几何数据，所述3个s3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道。
47.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法的优选实施方式中，所述步骤3.1中，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线后，然后几何参数化前缘面、尾缘面中的轮毂和轮盖部分。
48.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法的优选实施方式中，步骤3.2，拟合形成多个s3面的吸力面-轮毂-压力面曲线后几何参数化轮盖侧曲线。
49.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法的优选实施方式中，使用具有高阶光滑特征且能够由若干控制点生成曲线的拟合曲线几何参数化处理所述多个s3面和前缘面、尾缘面。
50.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法的优选实施方式中，拟合曲线为nurbs曲线、b样条或bezier曲线。
51.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法的优选实施方式中，参数化后的曲线沿近壁面流线至少包含叶片吸力面侧与压力面侧的两条流线。
52.所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法的优选实施方式中，叶道的最优结构全优化整个压气机叶道的叶片-角区-端区-轮盖，优化过程中s3面面积始终保持不变以维持通流能力一致。
53.在一个实施方式中，方法包括，使用前/尾缘面与若干s3面共同控制叶道。参数化时为了实现叶道与轮毂之间高阶光滑过渡，前尾缘面采用nurbs曲线拟合前/尾缘与轮毂共同组成的曲线，拟合后几何具有前/尾缘边条的几何特征；中间s3面，nurbs曲线直接拟合叶道吸力面-轮毂-压力面侧构成的曲线，拟合后s3面内几何具有叶身融合的几何特征。以近壁面流线作为引导线放样生成流道几何，叶道参数化后完成了改型优化，优化过程中调整s3面轮毂侧控制点位置控制s3面面积不变，以保证改型优化后压气机通流能力一致。为rotor37完成了参数化与优化改型，设计出新型压气机稳定工作范围拓宽了94％，最高效率点处效率提升了0.3％。
54.在一个实施方式中，一种基于s3面放样的透平压气机叶道构造方法包括以下步骤：
55.步骤1，计算原始透平压气机的内部流场，提取原始压气机的近壁面流线；
56.步骤2，s1面是回转面，s2面近似为流道几何中心面，s3面与s1、s2面正交，根据透平压气机原始叶道数据，提取出前/尾缘面与若干s3面叶道的几何数据；
57.步骤3，为步骤2提取得到的轴向不同位置叶道几何进行几何参数化处理，具体方法为：
58.步骤3.1，使用nurbs曲线为前/尾缘面参数化。为前/尾缘线与轮毂共同组成的曲线参数化，参数化后几何的前缘线向前探伸，尾缘线向后探伸，实现了参数化后前/尾缘线和轮毂曲面的高阶光滑过渡。之后使用nurbs曲线为前/尾缘面中轮毂和轮盖部分几何完成了参数化。
59.步骤3.2，使用一条nurbs曲线直接拟合若干s3面内吸力面-轮毂-压力面曲线，由于nurbs曲线具有高阶光滑的性质，叶道s3面内曲线的高阶光滑保证了叶道在吸力面、轮毂与压力面三部分能够光滑过渡。使用nurbs曲线为轮盖侧曲线参数化。拟合曲线不局限于nurbs曲线，也可以是b样条、bezier等具有高阶光滑特征、能够由若干控制点生成的曲线。参数化过程中生成的前/尾缘边条与叶身融合结构较小，不会明显影响流场与压气机性能。
60.步骤4，在步骤3得到参数化后曲线基础上，将参数化后曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何，近壁面流线至少包含叶片吸力面侧与压力面侧的两条流线，近壁面流线实现了叶道前/尾缘处光滑过渡。叶道曲面与轮毂曲面高阶光滑融合，具有边条和叶身融合的几何结构。
61.步骤5，采用计算流体力学工具的参数化研究方法，优化步骤4得到的新型流道，确定叶道的最优结构，叶道优化过程中，轮毂、轮盖侧曲线均可改变，能够实现叶片-角区-端区-轮盖整个压气机叶道的全优化，优化改型过程中控制s3面面积始终保持不变以维持通流能力一致。
62.在一个实施例中，本实例根据发明内容所述的方法重新设计轴流压气机nasa rotor37叶道，用数值模拟的方法验证其作用效果。本实例有关气动参数如下：进口总压101325pa，总温288.15k，设计参数如表格1所示。
63.表格1 nasa rotor37设计参数
[0064][0065]
具体构造过程为：
[0066]
步骤1，根据rotor37原始几何数据建立了压气机三维几何模型，为rotor37原始叶型完成了气动性能计算，提取出近壁面流线。
[0067]
步骤2，在步骤1基础上，s1流面是以旋转轴为中心的同一圆弧上各流体质点的流线所形成的流面，可简化为回转面，s2流面是同一径向线上各流体质点的流线所形成的流面，可简化为流道的几何中心面，s3面是和s1与s2流面相正交的第三类面，根据s3面的定义方式，提取出沿流动方向3个s3面的几何数据，将其定义为s3_1～s3_3如图2所示，该三个s3面与前缘面、尾缘面共同定义叶道。
[0068]
步骤3，在步骤2基础上为rotor 37叶道完成了几何参数化处理。为了实现叶道在前/尾缘面处与轮毂高阶光滑过渡，为前/尾缘和轮毂组成的曲线一起参数化，该方式参数化后叶道具有前/尾边条的几何特征，叶道前缘处向前探伸，叶道尾缘处向后探伸。之后使用nurbs曲线为前/尾缘面的轮毂和轮盖部分参数化。
[0069]
s3_2面参数化方式如图4所示，s3_1和s3_3面参数化方法与s3_2一致。使用一条nurbs曲线为压力面-轮毂-吸力面曲线直接参数化，由于nurbs曲线高阶光滑，参数化后s3_2面内的控制曲线具有在吸力面、轮毂与压力面三部分间高阶光滑的性质，之后单独使用nurbs曲线为轮盖侧曲线参数化。
[0070]
步骤4，在步骤3基础上完成了叶道的三维几何重构。三维叶道重构方案如图5所示，前/尾缘面和若干s3面的参数化后曲线沿轴向控制叶道，使用近壁面流线作为引导线控制叶道保证了叶道在前/尾缘处光滑过渡，并实现了叶道在若干s3面间的光滑过渡，最终生成吸力面-轮毂-压力面浑然一体的叶道几何，总控制变量为59个。
[0071]
步骤5，在步骤4基础上为rotor37叶道改型优化。该叶道控制方法的优势是生成的压气机在吸力面、轮毂曲面与压力面之间光滑过渡，因此本实例仅针对rotor 37角区结构完成了cfd数值优化，控制轮毂控制点保证改型前后s3面面积不变。压气机优化后性能与原始对比如图6(a)、图6(b)所示。数值模拟结果如图7(a)、图7(b)所示，此方法下改型优化后的压气机最高效率提升了0.3％，稳定工作范围拓宽了94％。近失速工况流动对比分析如图
8(a)、图8(b)所示，优化后压气机流动分离区大幅减小，整体流动性能得到改善。
[0072]
本发明的叶道控制方法，也可以改型轮盖、吸力面和压力面结构，实现三为流道的全优化。
[0073]
本发明实例采用nurbs拟合，也可采用其他b样条，bezier等具有高阶光滑特征，能用若干控制点控制的曲线进行拟合。
[0074]
一种透平压气机叶道根据所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法制备。
[0075]
透平压气机叶道的优选实施例中，透平压气机叶道为轴流压气机叶道。
[0076]
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

技术特征：

1.一种基于s3面的透平压气机叶道构造方法，其特征在于，其包括以下步骤，步骤1，基于透平压气机几何数据建立透平压气机三维几何模型，所述三维几何模型包括轮毂、位于轮毂上的沿流动方向前后布置的前缘面、尾缘面以及沿流动方向延伸的压力面和吸力面，所述压力面和吸力面具有近壁面流线，基于所述三维几何模型计算内部流场，提取透平压气机的近壁面流线；步骤2，s1流面为以旋转轴为中心的同一圆弧上各流体质点的流线所形成的流面，s2流面为同一径向线上各流体质点的流线所形成的流面，s3面为s1流面和s2流面正交的第三类面，基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的多个s3面的几何数据，所述多个s3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道；步骤3，几何参数化处理所述多个s3面和前缘面、尾缘面；步骤4，将参数化后的曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何；步骤5，基于计算流体力学优化所述叶道三维几何以确定叶道的最优结构。2.根据权利要求1所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法，其中，优选的，所述步骤3中，几何参数化前缘面的前缘线、尾缘面的尾缘线与轮毂共同组成的曲线后，然后几何参数化前缘面、尾缘面中的轮毂和轮盖部分。3.根据权利要求1所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法，其中，步骤3中，拟合形成多个s3面的吸力面-轮毂-压力面曲线后几何参数化轮盖侧曲线。4.根据权利要求1所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法，其中，使用具有高阶光滑特征且能够由若干控制点生成曲线的拟合曲线几何参数化处理所述多个s3面和前缘面、尾缘面。5.根据权利要求4所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法，其中，拟合曲线是nurbs曲线、b样条或bezier曲线。6.根据权利要求1所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法，其中，参数化后的曲线沿近壁面流线至少包含叶片吸力面侧与压力面侧的两条流线。7.根据权利要求1所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法，其中，叶道的最优结构全优化整个压气机叶道的叶片-角区-端区-轮盖，优化过程中s3面面积始终保持不变以维持通流能力一致。8.一种透平压气机叶道，其特征在于，其根据权利要求1-7中任一项所述的基于s3面的透平压气机叶道构造方法制备。9.根据权利要求8所述的基于s3面的透平压气机叶道，其中，透平压气机叶道为轴流压气机叶道。

技术总结

本发明公开了一种基于S3面的透平压气机叶道及其构造方法，方法中，基于透平压气机几何数据建立透平压气机三维几何模型，基于所述三维几何模型计算内部流场，提取透平压气机的近壁面流线；基于透平压气机几何数据提取沿流动方向的多个S3面的几何数据，所述多个S3面和前缘面、尾缘面共同限定叶道；几何参数化处理所述多个S3面和前缘面、尾缘面，将参数化后的曲线沿近壁面流线方向放样生成叶道三维几何，基于计算流体力学优化所述叶道三维几何以确定叶道的最优结构。定叶道的最优结构。定叶道的最优结构。