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专利名称：超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法、涡轮转子

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202310092845.7

专利申请（专利权）人：中国航发湖南动力机械研究所
权利人地址：湖南省株洲市芦淞区董家塅高科园中国航发动研所

专利发明（设计）人：房兴龙,王政,李维,周泽堂,潘尚能,邓丽君,曾飞

专利摘要：本发明公开了一种超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法、涡轮转子，该方法在叶片切线速度不变的基础上对叶型进行优化设计，保证了涡轮部件的流道、转速不变，尽量减少了对其它结构和部件的影响，仅通过气动优化叶片外形的方式减轻单个叶片的质量。并且，增加了转子的叶片数量，在转子叶片总引气量基本相当的情况下，降低了单个叶片的引气量，有效降低了单个叶片的离心载荷，大大降低了叶片离心载荷，减轻了叶片对轮盘的负荷，从而大大减小了涡轮盘及榫槽的最大应力，提高了涡轮盘的强度和寿命裕度。并且，经过气动优化设计后的工作叶片，出口流场更加均匀，有利于下游动力涡轮以及过渡段的性能设计，减小了过渡段的总压损失。

主权利要求：
1.一种超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，包括以下内容：在叶片切线速度不变的基础上对叶型进行优化设计，并增加转子的叶片数量，以降低单个叶片和转子整环叶片的质量；
基于叶型优化设计结果进行结构建模设计；
进行叶片冷却设计；
进行叶片强度设计和振动计算分析；
所述对叶型进行优化设计的过程包括以下内容：在原叶型的基础上，保持根部截面、中部截面和尖部截面的径向高度不变，缩短各个截面的轴向弦长；
保持根部截面的安装角不变，减小中截面的安装角，增大尖部截面的进、出口构造角和安装角；
减小中部截面和尖部截面的前缘直径，并减小各个截面的尾缘直径；
保持各个截面的尾缘楔角不变，增加根部截面的前缘楔角，减小尖部截面的前缘楔角，减小各个截面的弯折角；
减小各个截面叶型的最大厚度；
采用重心积叠的方式完成叶片径向堆叠，并采用正问题计算程序和三维粘性CFD计算程序进行计算分析，在流场和性能均满足要求的前提下输出结构建模设计、叶片冷却设计和叶片强度设计所需的数据。
2.如权利要求1所述的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，基于以下公式设计各个截面的轴向弦长：2
y＝?0.713a+16.956a+29.286其中，y表示径向高度，a表示轴向弦长。
3.如权利要求1所述的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，中截面的安装角减小1°～2°，尖部截面的进、出口构造角和安装角增大3°～5°。
4.如权利要求1所述的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，中部截面和尖部截面的前缘直径减小0.1～0.3mm，各个截面的尾缘直径的尾缘直径减小
25％。
5.如权利要求1所述的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，根部截面的前缘楔角增加1°～3°，尖部截面的前缘楔角减小1°～2°，各个截面的弯折角减小
0.5°～1.5°。
6.如权利要求1所述的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，基于以下公式设计各个截面叶型的最大厚度：2
y＝0.667b?12.9b+158.44其中，y表示径向高度，b表示叶型最大厚度。
7.如权利要求1所述的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，在进行结构建模设计时，将榫头和榫槽的轴向宽度减小20％以上，并将榫槽结构的榫齿由2齿改为3齿。
8.如权利要求1所述的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，其特征在于，在进行叶片冷却设计时，将尾缘孔长度加长50％。
9.一种涡轮转子，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的优化设计方法设计并制作而成。 说明书 : 超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法、涡轮转子技术领域[0001] 本发明涉及涡轮转子优化设计技术领域，特别地，涉及一种超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，另外，还涉及一种采用超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法设计并制作而成的涡轮转子。背景技术[0002] 现有某航空发动机因采用单级大膨胀比冷却涡轮设计，其转子切线速度高，尤其是中径切线速度超过现有15％以上，大大超过现有发动机的水平。而且，由于单级大膨胀比冷却涡轮转子的叶片重量较重，比现有同尺寸发动机的冷却叶片重30％以上，同时，高的轮缘切线速度进一步增加了叶片离心载荷，使得涡轮盘榫槽部位的应力明显偏高，特别是考虑挡板对涡轮盘施加的离心载荷后，涡轮盘榫槽的应力水平进一步恶化，榫槽应力远远超过了现有发动机的水平，使得榫槽在低循环疲劳试验中出现了裂纹，榫槽部位的强度和寿命裕度严重不足。发明内容[0003] 本发明提供了一种超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法、涡轮转子，以解决现有单级大膨胀比冷却涡轮转子的榫槽部位的强度和寿命裕度不足的技术问题。[0004] 根据本发明的一个方面，提供一种超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，包括以下内容：[0005] 在叶片切线速度不变的基础上对叶型进行优化设计，并增加转子的叶片数量，以降低单个叶片和转子整环叶片的质量；[0006] 基于叶型优化设计结果进行结构建模设计；[0007] 进行叶片冷却设计；[0008] 进行叶片强度设计和振动计算分析。[0009] 进一步地，所述对叶片构型进行优化设计的过程包括以下内容：[0010] 在原叶型的基础上，保持根部截面、中部截面和尖部截面的径向高度不变，缩短各个截面的轴向弦长；[0011] 保持根部截面的安装角不变，减小中截面的安装角，增大尖部截面的进、出口构造角和安装角；[0012] 减小中部截面和尖部截面的前缘直径，并减小各个截面的尾缘直径；[0013] 保持各个截面的尾缘楔角不变，增加根部截面的前缘楔角，减小尖部截面的前缘楔角，减小各个截面的弯折角；[0014] 减小各个截面叶型的最大厚度；[0015] 采用重心积叠的方式完成叶片径向堆叠，并采用正问题计算程序和三维粘性CFD计算程序进行计算分析，在流场和性能均满足要求的前提下输出结构建模设计、叶片冷却设计和叶片强度设计所需的数据。[0016] 进一步地，基于以下公式设计各个截面的轴向弦长：[0017] y＝?0.713a2+16.956a+29.286[0018] 其中，y表示径向高度，a表示轴向弦长。[0019] 进一步地，中截面的安装角减小1°～2°，尖部截面的进、出口构造角和安装角增大3°～5°。[0020] 进一步地，中部截面和尖部截面的前缘直径减小0.1～0.3mm，各个截面的尾缘直径的尾缘直径减小25％。[0021] 进一步地，根部截面的前缘楔角增加1°～3°，尖部截面的前缘楔角减小1°～2°，各个截面的弯折角减小0.5°～1.5°。[0022] 进一步地，基于以下公式设计各个截面叶型的最大厚度：[0023] y＝0.667b2?12.9b+158.44[0024] 其中，y表示径向高度，b表示叶型最大厚度。[0025] 进一步地，在进行结构建模设计时，将榫头和榫槽的轴向宽度减小20％以上，并将榫槽结构的榫齿由2齿改为3齿。[0026] 进一步地，在进行叶片冷却设计时，将尾缘孔长度加长50％。[0027] 另外，本发明还提供一种涡轮转子，采用如上所述的优化设计方法设计并制作而成。[0028] 本发明具有以下效果：[0029] 本发明的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，在叶片切线速度不变的基础上对叶型进行优化设计，保证了涡轮部件的流道、转速不变，尽量减少了对其它结构和部件的影响，仅通过气动优化叶片外形的方式减轻单个叶片的质量。并且，增加了转子的叶片数量，在转子叶片总引气量基本相当的情况下，降低了单个叶片的引气量，有效降低了单个叶片的离心载荷。虽然增加了转子的叶片数量，但是通过对叶型进行优化设计的方式降低了每个叶片的质量，从而降低了转子整环叶片的质量，大大降低了叶片离心载荷，减轻了叶片对轮盘的负荷，从而大大减小了涡轮盘及榫槽的最大应力，提高了涡轮盘尤其是榫槽部位的强度和寿命裕度。并且，经过气动优化设计后的工作叶片，出口流场更加均匀，有利于下游动力涡轮以及过渡段的性能设计，减小了过渡段的总压损失。[0030] 另外，本发明的燃气涡轮转子同样具有上述优点。[0031] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明[0032] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：[0033] 图1是本发明优选实施例的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法的流程示意图。[0034] 图2是图1中步骤S1的子流程示意图。[0035] 图3是本发明中对叶型进行设计的叶型参数定义示意图。[0036] 图4是本发明优选实施例中径向高度与轴向弦长之间的关系曲线在优化前后的对比示意图。[0037] 图5是本发明优选实施例中径向高度与叶型最大厚度之间的关系曲线在优化前后的对比示意图。[0038] 图6是本发明优选实施例中的根部截面在优化前后的叶型对比示意图。[0039] 图7是本发明优选实施例中的中部截面在优化前后的叶型对比示意图。[0040] 图8是本发明优选实施例中的尖部截面在优化前后的叶型对比示意图。[0041] 图9是本发明优选实施例中径向高度与各截面和尖部截面的面积比之间的关系曲线在优化前后的对比示意图。[0042] 图10是本发明优选实施例中改进后的叶片三维实体与原始叶片三维实体的对比示意图。[0043] 图11是本发明优选实施例中叶片榫槽当量应力分布在优化前后的对比示意图。[0044] 图12是本发明优选实施例中叶片的冷却流路分布在优化前后的对比示意图。[0045] 图13是本发明优选实施例中燃气涡轮出口气流角沿径向分布情况在优化前后的对比示意图。[0046] 图14是本发明优选实施例中燃气涡轮出口马赫数沿径向分布情况在优化前后的对比示意图。具体实施方式[0047] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。[0048] 可以理解，如图1所示，本发明的优选实施例提供一种超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，包括以下内容：[0049] 步骤S1：在叶片切线速度不变的基础上对叶型进行优化设计，并增加转子的叶片数量，以降低单个叶片和转子整环叶片的质量；[0050] 步骤S2：基于叶型优化设计结果进行结构建模设计；[0051] 步骤S3：进行叶片冷却设计；[0052] 步骤S4：进行叶片强度设计和振动计算分析。[0053] 可以理解，本实施例的超高轮缘线速度燃气涡轮转子的优化设计方法，在叶片切线速度不变的基础上对叶型进行优化设计，保证了涡轮部件的流道、转速不变，尽量减少了对其它结构和部件的影响，仅通过气动优化叶片外形的方式减轻单个叶片的质量。并且，增加了转子的叶片数量，在转子叶片总引气量基本相当的情况下，降低了单个叶片的引气量，有效降低了单个叶片的离心载荷。虽然增加了转子的叶片数量，但是通过对叶型进行优化设计的方式降低了每个叶片的质量，从而降低了转子整环叶片的质量，大大降低了叶片离心载荷，减轻了叶片对轮盘的负荷，从而大大减小了涡轮盘及榫槽的最大应力，提高了涡轮盘的强度和寿命裕度。并且，经过气动优化设计后的工作叶片，出口流场更加均匀，有利于下游动力涡轮以及过渡段的性能设计，减小了过渡段的总压损失。[0054] 可以理解，在所述步骤S1中，为了尽量减少燃气涡轮转子结构优化设计对其它结构及部件的影响，本发明在保证燃气涡轮部件的流道、转速不变的情况下，即在切线速度不下降的前提下通过气动优化叶片外形的方式来减轻单个叶片的质量，从而可以有效降低单个叶片的离心载荷，大大减小了涡轮盘尤其是榫槽部位的应力，提高了涡轮盘的强度和寿命裕度。其中，具体采用基于非均匀有理B样条曲线的叶型设计方法进行叶片造型设计。并且，在转子原型基础上将转子的叶片数量增加了10％，在转子叶片总引气量基本相当的情况下，由于叶片数量的增加，使得单个叶片的引气量下降了9％～10％左右，从而有效降低了单个叶片的离心载荷。[0055] 可以理解，如图2所示，所述对叶片构型进行优化设计的过程包括以下内容：[0056] 步骤S11：在原叶型的基础上，保持根部截面、中部截面和尖部截面的径向高度不变，缩短各个截面的轴向弦长；[0057] 步骤S12：保持根部截面的安装角不变，减小中截面的安装角，增大尖部截面的进、出口构造角和安装角；[0058] 步骤S13：减小中部截面和尖部截面的前缘直径，并减小各个截面的尾缘直径；[0059] 步骤S14：保持各个截面的尾缘楔角不变，增加根部截面的前缘楔角，减小尖部截面的前缘楔角，减小各个截面的弯折角；[0060] 步骤S15：减小各个截面叶型的最大厚度；[0061] 步骤S16：采用重心积叠的方式完成叶片径向堆叠，并采用正问题计算程序和三维粘性CFD计算程序进行计算分析，在流场和性能均满足要求的前提下输出结构建模设计、叶片冷却设计和叶片强度设计所需的数据。[0062] 具体地，如图3所示，叶片造型设计主要是针对叶片的进口角、前缘楔角、前缘直径、最大厚度、轴向弦长等尺寸参数进行设计。本发明在原始叶型的基础上，保持了根部截面、中部截面和尖部截面的径向高度不变，缩短了各个截面的轴向弦长，具体基于以下公式设计各个截面的轴向弦长：[0063] y＝?0.713a2+16.956a+29.286[0064] 其中，y表示径向高度，a表示轴向弦长，从而使得各个截面的轴向弦长减小了1mm～3mm左右，缩短了叶片轴向宽度，有利于降低单个叶片的质量。其中，原始设计和本发明优化设计的径向高度与轴向弦长之间的关系曲线如图4所示。[0065] 然后，保持根部截面的安装角不变，将中截面的安装角减小1°～2°，将尖部截面的进、出口构造角和安装角增大3°～5°，从而可以减小叶片的互扭角，同时降低了后续冷却设计的难度。[0066] 再将中部截面和尖部截面的前缘直径减小0.1～0.3mm，各个截面的尾缘直径的尾缘直径减小25％，以保证叶背叶盆型线曲率的连续。[0067] 再保持各个截面的尾缘楔角不变，将根部截面的前缘楔角增加1°～3°，将尖部截面的前缘楔角减小1°～2°，将各个截面的弯折角减小0.5°～1.5°，在保证叶背叶盆型线曲率连续的同时有效降低了气动损失。[0068] 然后，减小了各个截面叶型的最大厚度，大大降低了各个截面的截面积。其中，具体基于以下公式设计各个截面叶型的最大厚度：[0069] y＝0.667b2?12.9b+158.44[0070] 其中，y表示径向高度，b表示叶型最大厚度，原始设计和本发明优化设计的径向高度与叶型最大厚度之间的关系曲线如图5所示。至此，完成二维叶型设计，并采用S1计算分析程序进行分析。[0071] 最后，采用重心积叠的方式完成叶片径向堆叠，并采用S2正问题计算程序和三维粘性CFD计算程序进行计算分析，在流场和性能均满足要求的前提下输出结构建模设计、叶片冷却设计和叶片强度设计等专业设计所需的数据。其中，S1程序、S2程序均是叶片设计的现有软件程序，具体过程在此不再赘述。[0072] 可以理解，通过上述叶型优化设计后的根部截面叶型、中部截面叶型和尖部截面叶型如图6至图8所示，其中，虚线表示原始叶型，实线表示优化后的叶型。经过上述叶型优化设计后，大大降低了各个截面的截面积，使得叶片的叶型截面总面积减小了20％～30％，从而大大降低了单个叶片的质量。其中，原始设计和本发明优化设计的径向高度与各截面和尖部截面的面积比之间的关系曲线如图9所示，原始叶片三维实体与改进后叶片三维实体的对比如图10所示。[0073] 可以理解，在所述步骤S2中，根据叶型设计结果进行结构建模设计，由于各截面叶型的轴向弦长缩短了1mm～3mm，从而可以将榫头和榫槽的轴向宽度减小20％以上，进一步降低了单个叶片的质量。其中，具体的结构建模设计过程属于现有技术，故在此不再赘述。并且，将榫槽结构的榫齿由2齿改为3齿，可降低每个榫齿的应力水平，有利于提高榫槽结构的寿命。在实际工程应用中，采用本发明优化设计方法设计并制作的叶片，可将榫槽的最大当量应力下降约30％，具体可见图11所示，叶片的最大当量应力下降约50％，原型的叶片的最大当量应力为1600MPa～1900MPa左右，而本发明改进后的叶片的最大当量应力仅为900MPa～1000MPa，榫槽的寿命提高了约2倍。[0074] 可以理解，在所述步骤S3中，由于优化设计后的叶片叶型尾缘修长，在进行叶片冷却设计时，从便于铸造和加工的角度出发，将尾缘孔长度加长50％，如图12所示。[0075] 可以理解，在所述步骤S4中，经过设计分析后，改进后的叶片强度满足要求，振动特性与原型叶片差异较小。另外，具体的叶片强度设计和振动计算分析过程属于现有技术，在此不再赘述。[0076] 可以理解，在设计完成后，本申请发明人进行了试制和试验验证，改进后叶片的叶身质量减少了22％～24％，从而减轻了单个叶片22％～24％的叶身离心载荷，并且通过强度迭代分析，在保证足够的拉伸和挤压裕度的前提下，榫头的宽度可减少到2mm～3mm，榫头重量减轻了15％～16％，最终单个叶片的重量减轻了18％～19％，叶片总重量减轻了10％～11％。同时，没有降低燃气涡轮的气动性能，并且改进后的出口流场变得更加均匀，具体见图13和图14所示，从而有利于下游动力涡轮和过渡段的性能设计，使得过渡段的总压损失减小了约0.3％。另外，低循环疲劳试验从10000～12000次提高到了17000～19000次，大大提高了榫槽部位的强度和寿命裕度。[0077] 另外，本发明的另一实施例还提供一种燃气涡轮转子，优选采用如上所述的优化设计方法设计并制作而成。其中，该燃气涡轮转子为单级大膨胀比冷却涡轮转子，单级涡轮的膨胀比为4～4.5。[0078] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：湖南

专利申请日期：2023-02-09

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN116361934B