基于UG的超音速叶型造型设计方法.docx

基于UG的超音速叶型造型设计方法

摘要：本文以某火电汽轮机末级叶片顶部截面的超音速叶型为原型，采用样条曲线和圆弧形成封闭叶型，通过UG使得叶型全参数化并保证曲线连续可导，并基于CFX做首轮网格、计算等，分析处理流场结果并设置效率最高、损失最小作为寻优目标，最后基于优化模型，调整可变参数寻求最优解，达到优化超音速叶型的目的，奠定了工程应用的基础。

关键词：超音速叶型；造型设计；UG；自动优化

OptimalDesignofFlowPassageforNuclearPowerHighPressureCylinderTurbine

Abstract:Inthispaper,itusesthesupersonicprofilewhereinthetopsectionofthefinalstagebladeofathermalpowersteamturbineastheexample.Itusessplinecurveandarctoformaclosedbladeshape,makesthebladetypefullyparametricthroughUGandensuresthatthecurveiscontinuouslyderivable.GetstheoriginalmeshandcalculatestheprojectbasedonCFX.Analyzestheflowfieldresultandsetsthehighestefficiencyandminimumlosstofindtheoptimizationtarget.Finally,itadjuststhevariableparameterstofindtheoptimalsolutionbasedontheoptimizationmodel,andcompletesthepurposeofsupersonicbladetypeoptimization.Layingthefoundationforengineeringapplication.

Keywords:Supersonicprofile;Bladedesign;UG;Automaticoptimization

引言

随着发电机组装机容量的不断增加，火电汽轮机向高参数、大容量、双超效的趋势发展[1]，对汽轮机排气面积有了更高的需求，也意味着对汽轮机末级叶片的要求更高。目前百万千瓦级汽轮机的末级全速长叶片长度已达1.3米，叶型流道内的蒸汽流动极为复杂，叶型的几何形状从叶根到叶顶将发生剧烈变化，叶型的流道区域由渐缩通道逐渐改为缩放通道，马赫数也由亚音速转变为超音速。末级长叶片的设计难点主要在于叶片顶部的超音速叶型设计上[2-3]，传统的超音速叶型大部分都依靠出汽测斜切直线段去控制流道的缩放特性，往往都是依靠设计人员经验且需要花费大量的计算去反复验证，耗时时间长结果往往也不尽如人意。国内外学者都在超音速叶型上有过很多研究，例如单玉姣、郑宁采用叶型中弧线离散点的方法设计优化单级风扇叶型，通过控制中弧线局部的弯角，从而提高单级风扇叶型的性能[4]。厉海涛，杨建道，周代伟用非均匀有理B样条（NURBS）技术和特征线成型技术，对超音速透平叶栅型线设计方法进行了研究，利用C++语言和MFC编程技术开发了设计软件[5]。焦峻峰深入分析了超音涡轮中的激波现象，对激波的产生和减弱有了一定的研究[6]。但是国内对超音速叶型自动设计优化的研究工作较少，本文基于此，通过UG和CFX搭建自动优化设计平台，实现自动计算、寻优，为超音速叶型的设计奠定了一定的工程基础。

超音速叶型参数化

2.1超音速叶型设计

本文基于某600MW汽轮机末级长叶片顶部截面为原型（选取叶片相对叶高0.9的截面），量取现有叶型的几何参数特征数据，作为叶型造型初始输入数据，详见下表1。

表1叶型型线特征数据

型线特征参数

数据值

型线特征参数

数据值

B

49.56

t

140

O

31

R2

1.02

We1

5.86

γ

1.4

R1

2.48

α1

145

其中：B是叶型轴向宽度、t是叶型截距（指周期相邻的两个叶型的距离）、O是叶型的喉部最小尺寸、R2是叶型的出汽圆半径，R1是叶型的进汽圆半径，α1是叶型几何进汽角，We1是叶型出汽圆的半楔角，stagger是叶型的安装角，theta1是气流的折转角，theta2是气流的收束角，详见下图1。

图1叶型几何特征参数示意图

首先将叶型分为封闭的六段曲线，设置六个约束点