專利名稱：透平壓縮流體機(jī)械的葉片型線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透平壓縮流體機(jī)械的葉片型線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種采用葉輪表面最優(yōu)速度分布的透平壓縮流體機(jī)械的葉片型線設(shè)計(jì)方法，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的葉輪，可使壓縮流體機(jī)械具有高效、低能耗、運(yùn)行安全的特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
透平壓縮流體機(jī)械(包括離心壓縮機(jī)，離心風(fēng)機(jī)等)是大型化肥、乙烯、煉油、煤化工、冶金系統(tǒng)、空分設(shè)備及發(fā)電、軍工等重要行業(yè)中最關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其工作的高效性、可靠性與安全性，一直是學(xué)術(shù)界與企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。機(jī)組的高效性(包括設(shè)計(jì)工況與變工況)與可靠性(長(zhǎng)周期無(wú)故障運(yùn)行)對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到十分重要的作用。在這類流體機(jī)械的葉片型線設(shè)計(jì)中，葉輪的設(shè)計(jì)不僅要有高的單個(gè)設(shè)計(jì)工況效率，并且還應(yīng)該有能滿足多個(gè)設(shè)計(jì)工況的設(shè)計(jì)以及高效的變工況性能以及大的喘振裕度的綜合先進(jìn)性。因此，在葉輪的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該通過(guò)對(duì)葉片數(shù)、動(dòng)靜部件間隙與周向位置分布、動(dòng)靜葉的葉型、擴(kuò)壓器、回流器、蝸殼設(shè)計(jì)等控制達(dá)到最好效果，以控制防止在透平流體機(jī)械中極為重要的失速、喘振的發(fā)生。
在目前的情況下，建立良好的三元葉輪設(shè)計(jì)方法與窄葉輪的設(shè)計(jì)方法，是建立先進(jìn)、可靠的透平流體機(jī)械葉輪設(shè)計(jì)體系的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。但如何使葉輪設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)，仍是非常困難的工作?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，基本上屬于流場(chǎng)分析加經(jīng)驗(yàn)，最后由實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，在理論上較為欠缺。從透平流體機(jī)械葉輪設(shè)計(jì)流程上看，對(duì)于任何一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)或用戶要求，一般可以作出許多可行的方案，然后由設(shè)計(jì)者挑選出一個(gè)最好方案，如用非線性規(guī)劃來(lái)作，即屬于優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題，可歸結(jié)為優(yōu)化命題的求解。從優(yōu)化理論來(lái)講，對(duì)于一個(gè)可以用代數(shù)方程描述的系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論解決，但對(duì)于一個(gè)用微分方程描述的系統(tǒng)，例如用N-S(Navier-Stokes，納維斯托克)方程描述的葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)，只能用最優(yōu)控制理論來(lái)解決。在此方面，又分為常微分方程描述的系統(tǒng)與偏微分方程描述的系統(tǒng)，后者是屬于分布參數(shù)最優(yōu)控制范疇的問(wèn)題，過(guò)于復(fù)雜、至今仍難以解決實(shí)際問(wèn)題，前者是屬于集中參數(shù)最優(yōu)控制范疇，一般情況下，只能得到數(shù)值解。
如何結(jié)合透平壓縮葉輪機(jī)械的特點(diǎn)，通過(guò)控制葉輪表面速度分布，優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片型線，是一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種透平壓縮流體機(jī)械的葉片型線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使采用優(yōu)化設(shè)計(jì)葉輪的壓縮流體機(jī)械具有工作死亡高效性、可靠性、安全性與安全性，適用于各種設(shè)計(jì)工況和變工況。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用葉輪表面最優(yōu)速度分布的透平壓縮流體機(jī)械的葉片型線設(shè)計(jì)方法，結(jié)合透平壓縮葉輪機(jī)械的特點(diǎn)，通過(guò)控制葉輪表面速度分布，優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片型線。通過(guò)合理的簡(jiǎn)化，將由偏微分方程控制的流動(dòng)過(guò)程結(jié)合葉輪機(jī)械的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為由常微分方程組描述的流動(dòng)系統(tǒng)，從最優(yōu)控制理論出發(fā)，建立狀態(tài)方程，將該方程歸化為相應(yīng)的最優(yōu)控制形式，目標(biāo)泛函為在給定的子午型線與葉片厚度分布條件下的具有理論上無(wú)分離的最大擴(kuò)壓度，并滿足各種約束條件，將出口角作為控制變量，最后根據(jù)得到三維空間葉片的幾何造型以及描述流動(dòng)系統(tǒng)的常微分方程組，進(jìn)行迭代計(jì)算，最終得到在理論上滿足表面無(wú)分離的最優(yōu)降速線的葉輪葉片的型線。
本發(fā)明的方法具體步驟如下1、葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)可以認(rèn)為是服從于N-S方程的，因此先結(jié)合葉輪機(jī)械的特點(diǎn)作一些簡(jiǎn)化，包括葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)為相對(duì)定常、非等熵，忽略當(dāng)?shù)卣承粤Φ淖饔靡约罢承缘臍v史積累的影響，將附面層增長(zhǎng)、摻混、間隙泄流、二次流等等的影響均用熵增來(lái)估計(jì)，將由N-S方程控制的流動(dòng)過(guò)程，簡(jiǎn)化為由常微分方程組描述的流動(dòng)系統(tǒng)。
2、從最優(yōu)控制理論出發(fā)，建立狀態(tài)方程，并將狀態(tài)方程歸化為相應(yīng)的最優(yōu)控制形式。將實(shí)際設(shè)計(jì)中因考慮變工況而給以一定安全裕度稱為理論無(wú)分離，建立的目標(biāo)泛函為在給定的子午型線與葉片厚度分布條件下具有理論上無(wú)分離的最大擴(kuò)壓度，并滿足各種約束條件，包括輪廓處吸力面速度不低于某一給定值；葉輪喉部流馬赫數(shù)不大于某一給定值；攻角的絕對(duì)值不高于某一給定值；葉片上的負(fù)荷不高于某一給定值；葉輪出口流動(dòng)角不低于某一給定值；最終得到存在最優(yōu)解的控制方程組。
3、由于最優(yōu)控制方程組十分復(fù)雜，并且常會(huì)出現(xiàn)奇異性控制問(wèn)題。因此，采用直接求優(yōu)的技術(shù)對(duì)最優(yōu)控制方程組求解，即將輪蓋處沿子午線長(zhǎng)度的葉片安裝出口角與輪盤(pán)處沿子午線長(zhǎng)度的葉片安裝角出口角作為控制變量，改變兩個(gè)控制變量的分布，得到不同的目標(biāo)泛函值，根據(jù)目標(biāo)泛函值的偏差計(jì)算控制變量的修正量；葉輪子午流線的法線方向上的葉片角的分布根據(jù)實(shí)際要求在以下兩種規(guī)律中進(jìn)行選擇葉片角為線性分布的直線元素法，或者葉片角為二次或多次分布的高次元素法；由此，根據(jù)葉輪在子午流線與法線方向上的安裝出口角分布規(guī)律，即可得到三維空間葉片的幾何造型。其中，直線元素法的優(yōu)點(diǎn)是易于在五座標(biāo)銑床上加工，可大大降低制造成本。高次元素法的優(yōu)點(diǎn)可使葉片能有更好的流動(dòng)攻角，但加工困難，成本增加。
4、根據(jù)得到三維空間葉片的幾何造型以及描述流動(dòng)系統(tǒng)的常微分方程組，進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，若按流量平均的出口壓力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求或內(nèi)部流場(chǎng)不能滿足約束，則必需修正葉輪的輪盤(pán)輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復(fù)計(jì)算，直至滿足約束條件，最后完成葉片型線設(shè)計(jì)。
本發(fā)明將現(xiàn)代最優(yōu)控制理論，應(yīng)用于透平壓縮流體機(jī)械的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，建立相應(yīng)的物理模型與數(shù)學(xué)模型，解決了葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。經(jīng)大量的工程實(shí)踐驗(yàn)證，通過(guò)控制葉輪表面速度分布，優(yōu)化設(shè)計(jì)的葉片型線，可使壓縮流體機(jī)械具有高效、低能耗、運(yùn)行安全的特點(diǎn)。


圖1為采用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的一個(gè)離心風(fēng)機(jī)葉輪的速度分布曲線圖。
圖2為圖1所述實(shí)施例中葉輪的幾何結(jié)構(gòu)圖。
圖2中，1為葉輪前盤(pán)，2為葉輪后盤(pán)，3為葉片，4為進(jìn)口加強(qiáng)圈，5為輪轂。
具體實(shí)施例方式
以下以一臺(tái)離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的描述。
風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量16Nm3/min，入口溫度25℃，入口壓力2.5Kpa(G)，出口壓力19.5Kpa(G)。
按以下步驟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)1、根據(jù)離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求以及風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)參數(shù)，對(duì)由N-S方程控制的流動(dòng)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化認(rèn)為風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)為相對(duì)定常、非等熵，忽略當(dāng)?shù)卣承粤Φ淖饔靡约罢承缘臍v史積累的影響，將風(fēng)機(jī)內(nèi)部葉輪表面以及風(fēng)機(jī)蝸殼附面層增長(zhǎng)、摻混、間隙泄流以及二次流等等的影響均用熵增來(lái)估計(jì)，這樣將由N-S方程控制的流動(dòng)過(guò)程，簡(jiǎn)化為由常微分方程組描述的流動(dòng)系統(tǒng)。
2、從最優(yōu)控制理論出發(fā)，建立狀態(tài)方程。并將狀態(tài)方程歸化為相應(yīng)的最優(yōu)控制形式。建立目標(biāo)泛函，即在給定的子午型線與葉片厚度分布條件下具有理論上無(wú)分離的最大擴(kuò)壓度，在該風(fēng)機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于考慮到該風(fēng)機(jī)是用在工藝系統(tǒng)中，進(jìn)出口條件很不穩(wěn)定，必須考慮變工況的條件，因此，在建立目標(biāo)函數(shù)時(shí)考慮一定安全的裕度。在該風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)并滿足以下約束條件輪廓處吸力面速度不低于2.5m/s；葉輪喉部流馬赫數(shù)不大于0.6；攻角的絕對(duì)值不高于4.5°；葉輪出口流動(dòng)角不低于70°。
3、采用直接求優(yōu)技術(shù)對(duì)最優(yōu)控制方程組求解，即將輪蓋處沿子午線長(zhǎng)度的葉片安裝出口角β1s及輪盤(pán)處沿子午線長(zhǎng)度的葉片安裝角出口角β1h作為控制變量，改變這兩個(gè)控制變量的分布，得到不同的目標(biāo)泛函值，根據(jù)目標(biāo)泛函值的偏差計(jì)算控制變量的修正量。在本設(shè)計(jì)中，葉輪子午流線的法線方向上的葉片角的分布采用直線元素法，以易于葉輪在五座標(biāo)銑床上加工，可大大降低風(fēng)機(jī)制造成本。由此，根據(jù)葉輪在子午流線與法線方向上的安裝出口角分布規(guī)律，即可得到三維空間葉片的幾何造型。
4、根據(jù)得到三維空間葉片的幾何造型以及描述流動(dòng)系統(tǒng)的常微分方程組，進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算按流量平均的出口壓力是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，若按流量平均的出口壓力與設(shè)計(jì)要求的出口壓力19.5Kpa(G)的相對(duì)差值大于10-4，則必需修正葉輪的輪盤(pán)輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復(fù)計(jì)算直至滿足設(shè)計(jì)出口壓力。同時(shí)檢驗(yàn)內(nèi)部流場(chǎng)是否能滿足約束條件，如不能滿足輪廓處吸力面速度、葉輪喉部流馬赫數(shù)、攻角的絕對(duì)值以及葉輪出口流動(dòng)角等約束條件，也必需修正葉輪的輪盤(pán)輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復(fù)計(jì)算直至滿足各約束條件。最后完成葉片型線設(shè)計(jì)。
圖1為實(shí)施例設(shè)計(jì)的離心風(fēng)機(jī)葉輪的速度分布曲線圖。圖中分別給出了靠近輪蓋與輪盤(pán)處的兩旋成面上的速度分布圖從上至下三根線分別靠吸力面、中間面、壓力面的速度。該速度分布均滿足以上各種約束。該葉輪已經(jīng)試用，性能很好。
圖2為圖1所述實(shí)施例中葉輪的幾何結(jié)構(gòu)圖。圖2中，1為葉輪前盤(pán)，2為葉輪后盤(pán)，3為葉片，4為進(jìn)口加強(qiáng)圈，5為輪轂。其中的葉片型線是根據(jù)求解最優(yōu)控制方程組得到的。
采用本發(fā)明控制葉輪表面最優(yōu)速度分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，與我國(guó)風(fēng)機(jī)行業(yè)傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)葉輪相比，采用該葉輪的風(fēng)機(jī)具有起動(dòng)功率小、能耗低、高效運(yùn)行范圍廣、運(yùn)行中不易進(jìn)入喘振區(qū)、電機(jī)不易超負(fù)荷的特點(diǎn)，特別適用于工況變化較大的工藝系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了極大的保障。
權(quán)利要求
1.一種透平壓縮流體機(jī)械的葉片型線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟1)設(shè)葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)服從于納維斯托克N-S方程，結(jié)合葉輪機(jī)械的特點(diǎn)作一些簡(jiǎn)化，包括葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)為相對(duì)定常、非等熵，忽略當(dāng)?shù)卣承粤Φ淖饔靡约罢承缘臍v史積累的影響，將附面層增長(zhǎng)、摻混、間隙泄流、二次流的影響均用熵增來(lái)估計(jì)，將由N-S方程控制的流動(dòng)過(guò)程，簡(jiǎn)化為由常微分方程組描述的流動(dòng)系統(tǒng)；2)從最優(yōu)控制理論出發(fā)，建立狀態(tài)方程，并將狀態(tài)方程歸化為相應(yīng)的最優(yōu)控制形式；將實(shí)際設(shè)計(jì)中因考慮變工況而給以一定安全裕度稱為理論無(wú)分離，建立的目標(biāo)泛函為在給定的子午型線與葉片厚度分布條件下具有理論上無(wú)分離的最大擴(kuò)壓度，并滿足各種約束條件，包括輪廓處吸力面速度不低于某一給定值；葉輪喉部流馬赫數(shù)不大于某一給定值；攻角的絕對(duì)值不高于某一給定值；葉片上的負(fù)荷不高于某一給定值；葉輪出口流動(dòng)角不低于某一給定值；最終得到存在最優(yōu)解的控制方程組；3)采用直接求優(yōu)技術(shù)對(duì)最優(yōu)控制方程組求解，即將輪蓋處沿子午線長(zhǎng)度的葉片安裝出口角及輪盤(pán)處沿子午線長(zhǎng)度的葉片安裝角出口角作為控制變量，改變兩個(gè)控制變量的分布，得到不同的目標(biāo)泛函值，根據(jù)目標(biāo)泛函值的偏差計(jì)算控制變量的修正量；葉輪子午流線的法線方向上的葉片角的分布根據(jù)實(shí)際要求在以下兩種規(guī)律中進(jìn)行選擇葉片角為線性分布的直線元素法，或者葉片角為二次或多次分布的高次元素法；由此，根據(jù)葉輪在子午流線與法線方向上的安裝出口角分布規(guī)律，即可得到三維空間葉片的幾何造型；4)根據(jù)得到三維空間葉片的幾何造型以及描述流動(dòng)系統(tǒng)的常微分方程組，進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中，若按流量平均的出口壓力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求或內(nèi)部流場(chǎng)不能滿足約束，則必需修正葉輪的輪盤(pán)輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復(fù)計(jì)算，直至滿足約束條件，最后完成葉片型線設(shè)計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種透平壓縮流體機(jī)械的葉片型線設(shè)計(jì)方法，首先結(jié)合葉輪機(jī)械的特點(diǎn)，通過(guò)合理的簡(jiǎn)化，將由N－S偏微分方程控制的流動(dòng)過(guò)程，簡(jiǎn)化為由常微分方程組描述的流動(dòng)系統(tǒng)；從最優(yōu)控制理論出發(fā)，建立狀態(tài)方程，并將該方程歸化為相應(yīng)的最優(yōu)控制形式；目標(biāo)泛函為在給定的子午型線與葉片厚度分布條件下的具有理論上無(wú)分離的最大擴(kuò)壓度，并滿足各種約束條件；將葉片安裝出口角作為控制變量；根據(jù)得到三維空間葉片的幾何造型以及描述流動(dòng)系統(tǒng)的常微分方程組，進(jìn)行迭代計(jì)算，最終得到在理論上滿足表面無(wú)分離的最優(yōu)降速線的葉輪葉片的型線。采用本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)的葉片型線，可使壓縮流體機(jī)械具有高效、低能耗、運(yùn)行安全的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)F04D29/30GK1757933SQ20051003077
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者谷傳綱, 楊波, 王彤, 毛福芳 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)