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单级低压涡轮气动设计方法研究

文档作者：张培，楚武利，吴艳辉，张扬文档来源：西北工业大学动力与能源学院		点击数：	更新时间： 2026年01月25日
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第27卷第1期计算机仿真2010年1月
文章编号：1006—9348(2010)01—0102—04
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、Carterj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；在原有理论基础七。引入非均匀有理B样条曲线，改进厂前、后倒圆qj成方法，消除了低能阻塞区；为验证设计程
序，给出r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
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鲥able turbine work：Inverse design
l 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⋯和十
一参数方法¨1，但是这些方法都不能直接控制叶型表面气动
参数分布。Bent Phillipsen提出了一种简单的平面叶栅反设
计方法”1，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f4】，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 J、沿叶高可变
涡轮功旧o、非均匀有理B样条曲线(简称NURBS曲线)[7J、
平面叶栅反设计等设计思想。
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t业大学研究生创业种子基金资助(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—矿K～c08”占‘C。+
【筹一r蔷一鲁丛笋】麦㈩
L a口a口矗a口JL。
式中Ⅱ为圆周方向，m为子午方向，q为计算站方向，占为子午
方向与计算站夹角的余角，心为流线曲率半径，Rt 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鼍R·C。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L。。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*C。和涡轮功￡。，从而最终获得整
万方数据
个计算站上的环量和涡轮功曲线，以供后续求解完全径向平
衡方程使用。
3 平面叶栅设计方法
作者的程序，采用了一种实用的平面叶栅反设计算法。
在设计之初，需要给定叶栅沿轴向弦长的标准化载荷分布曲
线，可以实现对叶栅气动参数分布的粗略控制，获得当前涡
轮叶片设计过程中常用的后加载叶型。
假设平面叶栅通道内，由于压力面、吸力面间切向压力
差的作用，有一流体微元(图1中方块)沿中心流线(图l通
道内虚线)流动，由牛顿第二定理：
dV
(pdxdydz)寻=Pdxdz一(P+de)dxdz (2)
A—
A—A
图1 平面叶栅反设计理论模型
将dt=dx／K代入(2)式，整理得：
d巧一盎如(3)
方便起见，上型线用“+”标注，下型线用“一”标注(见图
1)。假设两型线之间沿周向(Y方向)，压力呈线性变化(见图
1中c—C截面)，令△P=P+一P一代表两型线之间的切向
压力差，Ay=Y+一y一代表切向距离，故有一dP／毋=
AP／Ay，对(3)式两端积分得：
驰)={f彘赢塌(4)
将(4)式代人流线定义式ay=K／匕以，而后两端积
分，得到中心流线表达式：
出，2 1f(if彘如喁)争’ (5)
关于△P项，给出如下关系式： ap(髫)：—灶△^ (6)
i四1 JI⋯L(面⋯)一五
需要指出，本文中的轴向弦长B(图1中髫方向)不包含
前、后缘几何，△尸。为叶型平均载荷，L(x)为叶型载荷分布。
引入标准化载荷分布L(x)：
i4算)：—竽L (7)
古曰JJ￡⋯(⋯i)一赢
最终(5)式整理如下：
，，(茹)=JA(髫’)p(髫’)D(茗’)出’ (8)
矗
其中
￡’
m卜{[(警一等)p讣警)
D(石’)；1一掣盟
；∈[0，菇’]，髫’E[0，x]，茗∈[0，B]
根据一维等熵理论，有如下关系式：
驴急(·一‰半)占㈩
一急(-一‰孝)者(10，
将周向厚度分布d(x)(见图1)，对称加载到中心流线
，，(鬈)上，得到叶型上、下型线：
f，，+(菇)=，，(菇)+华
J ‘ 。
(11)
[Y-(戈)：)，(髫)一掣，菇∈[o，B]
纵观(8)至(11)式，设计人员只需提供平面叶栅进口总
温t，、进口总压Pn、进口速度H、出口速度吃、进口气流角
卢，(以髫轴为基准)、出El气流角芦：、平面叶栅在环形叶栅中
所处径向截面半径r、环形叶栅叶片数％、沿轴向的载荷分
布L(菇)、厚度分布d(茹)、以及密度分布p(x)，既可设计出叶
型的上、下型线Y．(戈)和Y一<石)。>

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