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單級低壓渦輪氣動設計方法研究

文檔作者：張培，楚武利，吳艷輝，張揚文檔來源：西北工業大學動力與能源學院		點擊數：	更新時間： 2026年01月25日
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第27卷第1期計算機仿真2010年1月
文章編號：1006—9348(2010)01—0102—04
單級低壓渦輪氣動設計方法研究
張培，楚武利，吳艷輝，張揚
(西北工業大學動力與能源學院，陜西西安710072)
摘要：研究一套單級軸流式渦輪氣動設計仿真程序。在通流設計階段，融入了先進的可控渦和可變渦輪功設計思想，有著
AMDC、Soderberg、Carterj種模型可供選擇。仿真程序采用一種新的渦輪平面葉柵反設計方法，相比傳統反設計算法，更加
簡單實用；在原有理論基礎七。引入非均勻有理B樣條曲線，改進廠前、后倒圓qj成方法，消除了低能阻塞區；為驗證設計程
序，給出r單級渦輪設計實例進行仿真。結果表明程序穩定，可以實現渦輪葉片設計，葉片通道收斂效果良好。
關鍵詞：軸流渦輪；可控渦；可變渦輪功；反設計
中圖分類號：V231．3 文獻標識碼：A
Method Investigation of One——stage Axial Turbine Aero—-dynamical Design
ZHANG Pei．CHU Wu—li，WU Yan—hui，ZHANG Yang
(College of Power and Energy，Northwestem Polytechnical University，Xi’all Shanxi 710072，China)
ABSTRACT：An one—stage axial turbine aero—dynamical design computer program was completed．In the phase of
through—flow design，controlled—vor【ex design method and variable turbine work design approach were introduced，
in which three loss models could be chosen，namely AM DC，Soderberg，Carter．For the part of plane cascade design，
a new turbine cascade inverse design method was adopted，which was more feasible compared with traditional
inverse design method．The inverse method wag improved through using NURBS curve in the aspect of leading and
trailing edge design．To testify turbine design computer program．an one—stage axial turbine was designed．The fesuit
revealed that the program Was robust，and the turbine blade design algorithm Was feasible．
KEYWORDS：Axial turbine；Controlled—vortex；V鰣able turbine work：Inverse design
l 引言
當前渦輪葉片設計多是采用子午面通流計算加上平面
葉柵設計來共同完成。其中的軸流渦輪平面葉柵設計方法，
如T．Korakianitis等提出了預置曲率分布的設計方法?和十
一參數方法¨1，但是這些方法都不能直接控制葉型表面氣動
參數分布。Bent Phillipsen提出了一種簡單的平面葉柵反設
計方法”1，工程實用性強。作者依托上述平面葉柵反設計方
法，結合流線曲率法反設計程序f4】，編寫了一套單級軸流渦
輪氣動設計程序。該程序使用了可控渦設計【5 J、沿葉高可變
渦輪功舊o、非均勻有理B樣條曲線(簡稱NURBS曲線)[7J、
平面葉柵反設計等設計思想。
2子午面通流設計
在已知渦輪子午流道和總體參數基礎上，假設渦輪流場
定常、絕熱、無粘和軸對稱流動，則完全徑向平衡方程為：
基金項目：西北t業大學研究生創業種子基金資助(200825)
收稿日期：2008—12—05修四日期：2008—12—10
·—-——102---——
等ag =LL scCin。。e Oa面m一Cm—礦K～c08”占‘C。+
【籌一r薔一魯叢筍】麥㈩
L a口a口矗a口JL。
式中Ⅱ為圓周方向，m為子午方向，q為計算站方向，占為子午
方向與計算站夾角的余角，心為流線曲率半徑，Rt Cu為環
量。為提升程序穩定性確保收斂，使用四階龍格庫塔方法，數
值求解完全徑向平衡方程；而流動損失方面，有三種模型供
選擇：AMDC模型、Soderberg模型和Carter模型。
在通流設計部分，作者在程序中加入了可控渦設計思
想，可根據需要給出沿動葉出口計算站的環鼉R·C。分布曲
線?？煽販u設計思想能有效提高渦輪葉片根部反力度，從而
獲得較高的效率；同時，作者還為程序增添了沿動葉葉高可
變渦輪功L。。的設計功能。國外研究成果證實，在設計小展弦
比渦輪葉片時，拋物形的渦輪功分布能有效減少端壁二次流
損失。
另一方面，在設置環量和渦輪功沿計算站的分布時，作
者在程序中成功引入NURBS曲線，令其插值若干葉高上先
期作者設置好的環量值R*C。和渦輪功￡。，從而最終獲得整
萬方數據
個計算站上的環量和渦輪功曲線，以供后續求解完全徑向平
衡方程使用。
3 平面葉柵設計方法
作者的程序，采用了一種實用的平面葉柵反設計算法。
在設計之初，需要給定葉柵沿軸向弦長的標準化載荷分布曲
線，可以實現對葉柵氣動參數分布的粗略控制，獲得當前渦
輪葉片設計過程中常用的后加載葉型。
假設平面葉柵通道內，由于壓力面、吸力面間切向壓力
差的作用，有一流體微元(圖1中方塊)沿中心流線(圖l通
道內虛線)流動，由牛頓第二定理：
dV
(pdxdydz)尋=Pdxdz一(P+de)dxdz (2)
A—
A—A
圖1 平面葉柵反設計理論模型
將dt=dx／K代入(2)式，整理得：
d巧一盎如(3)
方便起見，上型線用“+”標注，下型線用“一”標注(見圖
1)。假設兩型線之間沿周向(Y方向)，壓力呈線性變化(見圖
1中c—C截面)，令△P=P+一P一代表兩型線之間的切向
壓力差，Ay=Y+一y一代表切向距離，故有一dP／毋=
AP／Ay，對(3)式兩端積分得：
馳)={f彘贏塌(4)
將(4)式代人流線定義式ay=K／匕以，而后兩端積
分，得到中心流線表達式：
出，2 1f(if彘如喁)爭’ (5)
關于△P項，給出如下關系式： ap(髫)：—灶△^ (6)
i四1 JI?L(面?)一五
需要指出，本文中的軸向弦長B(圖1中髫方向)不包含
前、后緣幾何，△尸。為葉型平均載荷，L(x)為葉型載荷分布。
引入標準化載荷分布L(x)：
i4算)：—竽L (7)
古曰JJ￡?(?i)一贏
最終(5)式整理如下：
，，(茹)=JA(髫’)p(髫’)D(茗’)出’ (8)
矗
其中
￡’
m卜{[(警一等)p訃警)
D(石’)；1一掣盟
；∈[0，菇’]，髫’E[0，x]，茗∈[0，B]
根據一維等熵理論，有如下關系式：
驢急(·一‰半)占㈩
一急(-一‰孝)者(10，
將周向厚度分布d(x)(見圖1)，對稱加載到中心流線
，，(鬈)上，得到葉型上、下型線：
f，，+(菇)=，，(菇)+華
J ‘ 。
(11)
[Y-(戈)：)，(髫)一掣，菇∈[o，B]
縱觀(8)至(11)式，設計人員只需提供平面葉柵進口總
溫t，、進口總壓Pn、進口速度H、出口速度吃、進口氣流角
盧，(以髫軸為基準)、出El氣流角蘆：、平面葉柵在環形葉柵中
所處徑向截面半徑r、環形葉柵葉片數％、沿軸向的載荷分
布L(菇)、厚度分布d(茹)、以及密度分布p(x)，既可設計出葉
型的上、下型線Y．(戈)和Y一<石)。>

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