專利名稱：透平壓縮流體機械的葉片型線優(yōu)化設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種透平壓縮流體機械的葉片型線優(yōu)化設計方法，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械的葉片型線設計方法，采用本發(fā)明設計的葉輪，可使壓縮流體機械具有高效、低能耗、運行安全的特點。
背景技術：
透平壓縮流體機械(包括離心壓縮機，離心風機等)是大型化肥、乙烯、煉油、煤化工、冶金系統(tǒng)、空分設備及發(fā)電、軍工等重要行業(yè)中最關鍵的旋轉機械，其工作的高效性、可靠性與安全性，一直是學術界與企業(yè)界關注的熱點。機組的高效性(包括設計工況與變工況)與可靠性(長周期無故障運行)對企業(yè)的經濟效益起到十分重要的作用。在這類流體機械的葉片型線設計中，葉輪的設計不僅要有高的單個設計工況效率，并且還應該有能滿足多個設計工況的設計以及高效的變工況性能以及大的喘振裕度的綜合先進性。因此，在葉輪的設計中，應該通過對葉片數(shù)、動靜部件間隙與周向位置分布、動靜葉的葉型、擴壓器、回流器、蝸殼設計等控制達到最好效果，以控制防止在透平流體機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計方法與窄葉輪的設計方法，是建立先進、可靠的透平流體機械葉輪設計體系的一個重要環(huán)節(jié)。但如何使葉輪設計達到最優(yōu)或次優(yōu)，仍是非常困難的工作。現(xiàn)有的設計方法，基本上屬于流場分析加經驗，最后由實驗來驗證，在理論上較為欠缺。從透平流體機械葉輪設計流程上看，對于任何一個設計參數(shù)或用戶要求，一般可以作出許多可行的方案，然后由設計者挑選出一個最好方案，如用非線性規(guī)劃來作，即屬于優(yōu)化設計的問題，可歸結為優(yōu)化命題的求解。從優(yōu)化理論來講，對于一個可以用代數(shù)方程描述的系統(tǒng)，用數(shù)學規(guī)劃理論解決，但對于一個用微分方程描述的系統(tǒng)，例如用N-S(Navier-Stokes，納維斯托克)方程描述的葉輪機械內部流動，只能用最優(yōu)控制理論來解決。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)控制范疇的問題，過于復雜、至今仍難以解決實際問題，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。
如何結合透平壓縮葉輪機械的特點，通過控制葉輪表面速度分布，優(yōu)化設計葉片型線，是一個具有現(xiàn)實意義的課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種透平壓縮流體機械的葉片型線優(yōu)化設計方法，使采用優(yōu)化設計葉輪的壓縮流體機械具有工作死亡高效性、可靠性、安全性與安全性，適用于各種設計工況和變工況。
為實現(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械的葉片型線設計方法，結合透平壓縮葉輪機械的特點，通過控制葉輪表面速度分布，優(yōu)化設計葉片型線。通過合理的簡化，將由偏微分方程控制的流動過程結合葉輪機械的特點，轉化為由常微分方程組描述的流動系統(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的最優(yōu)控制形式，目標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分離的最大擴壓度，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系統(tǒng)的常微分方程組，進行迭代計算，最終得到在理論上滿足表面無分離的最優(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、葉輪機械內部流動可以認為是服從于N-S方程的，因此先結合葉輪機械的特點作一些簡化，包括葉輪機械內部流動為相對定常、非等熵，忽略當?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、摻混、間隙泄流、二次流等等的影響均用熵增來估計，將由N-S方程控制的流動過程，簡化為由常微分方程組描述的流動系統(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)方程歸化為相應的最優(yōu)控制形式。將實際設計中因考慮變工況而給以一定安全裕度稱為理論無分離，建立的目標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分離的最大擴壓度，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；攻角的絕對值不高于某一給定值；葉片上的負荷不高于某一給定值；葉輪出口流動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)控制方程組十分復雜，并且常會出現(xiàn)奇異性控制問題。因此，采用直接求優(yōu)的技術對最優(yōu)控制方程組求解，即將輪蓋處沿子午線長度的葉片安裝出口角與輪盤處沿子午線長度的葉片安裝角出口角作為控制變量，改變兩個控制變量的分布，得到不同的目標泛函值，根據(jù)目標泛函值的偏差計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)實際要求在以下兩種規(guī)律中進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)點是易于在五座標銑床上加工，可大大降低制造成本。高次元素法的優(yōu)點可使葉片能有更好的流動攻角，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系統(tǒng)的常微分方程組，進行計算。在計算過程中，若按流量平均的出口壓力不能達到設計要求或內部流場不能滿足約束，則必需修正葉輪的輪盤輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復計算，直至滿足約束條件，最后完成葉片型線設計。
本發(fā)明將現(xiàn)代最優(yōu)控制理論，應用于透平壓縮流體機械的氣動設計，建立相應的物理模型與數(shù)學模型，解決了葉輪優(yōu)化設計問題。經大量的工程實踐驗證，通過控制葉輪表面速度分布，優(yōu)化設計的葉片型線，可使壓縮流體機械具有高效、低能耗、運行安全的特點。


圖1為采用本發(fā)明方法設計的一個離心風機葉輪的速度分布曲線圖。
圖2為圖1所述實施例中葉輪的幾何結構圖。
圖2中，1為葉輪前盤，2為葉輪后盤，3為葉片，4為進口加強圈，5為輪轂。
具體實施例方式
以下以一臺離心風機的設計，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的描述。
風機設計風量16Nm3/min，入口溫度25℃，入口壓力2.5Kpa(G)，出口壓力19.5Kpa(G)。
按以下步驟進行優(yōu)化設計1、根據(jù)離心風機的結構特點、設計要求以及風機的氣動參數(shù)，對由N-S方程控制的流動方程進行簡化認為風機內部流動為相對定常、非等熵，忽略當?shù)卣承粤Φ淖饔靡约罢承缘臍v史積累的影響，將風機內部葉輪表面以及風機蝸殼附面層增長、摻混、間隙泄流以及二次流等等的影響均用熵增來估計，這樣將由N-S方程控制的流動過程，簡化為由常微分方程組描述的流動系統(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)方程歸化為相應的最優(yōu)控制形式。建立目標泛函，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分離的最大擴壓度，在該風機的實際設計中，由于考慮到該風機是用在工藝系統(tǒng)中，進出口條件很不穩(wěn)定，必須考慮變工況的條件，因此，在建立目標函數(shù)時考慮一定安全的裕度。在該風機的設計中，目標函數(shù)應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；攻角的絕對值不高于4.5°；葉輪出口流動角不低于70°。
3、采用直接求優(yōu)技術對最優(yōu)控制方程組求解，即將輪蓋處沿子午線長度的葉片安裝出口角β1s及輪盤處沿子午線長度的葉片安裝角出口角β1h作為控制變量，改變這兩個控制變量的分布，得到不同的目標泛函值，根據(jù)目標泛函值的偏差計算控制變量的修正量。在本設計中，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銑床上加工，可大大降低風機制造成本。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系統(tǒng)的常微分方程組，進行計算。在計算過程中，計算按流量平均的出口壓力是否能達到設計要求，若按流量平均的出口壓力與設計要求的出口壓力19.5Kpa(G)的相對差值大于10-4，則必需修正葉輪的輪盤輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復計算直至滿足設計出口壓力。同時檢驗內部流場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)、攻角的絕對值以及葉輪出口流動角等約束條件，也必需修正葉輪的輪盤輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復計算直至滿足各約束條件。最后完成葉片型線設計。
圖1為實施例設計的離心風機葉輪的速度分布曲線圖。圖中分別給出了靠近輪蓋與輪盤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。該葉輪已經試用，性能很好。
圖2為圖1所述實施例中葉輪的幾何結構圖。圖2中，1為葉輪前盤，2為葉輪后盤，3為葉片，4為進口加強圈，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)化設計方法，與我國風機行業(yè)傳統(tǒng)的風機葉輪相比，采用該葉輪的風機具有起動功率小、能耗低、高效運行范圍廣、運行中不易進入喘振區(qū)、電機不易超負荷的特點，特別適用于工況變化較大的工藝系統(tǒng)中，對系統(tǒng)的安全運行提供了極大的保障。
權利要求
1.一種透平壓縮流體機械的葉片型線優(yōu)化設計方法，其特征在于包括如下步驟1)設葉輪機械內部流動服從于納維斯托克N-S方程，結合葉輪機械的特點作一些簡化，包括葉輪機械內部流動為相對定常、非等熵，忽略當?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、摻混、間隙泄流、二次流的影響均用熵增來估計，將由N-S方程控制的流動過程，簡化為由常微分方程組描述的流動系統(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)方程歸化為相應的最優(yōu)控制形式；將實際設計中因考慮變工況而給以一定安全裕度稱為理論無分離，建立的目標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分離的最大擴壓度，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；攻角的絕對值不高于某一給定值；葉片上的負荷不高于某一給定值；葉輪出口流動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)技術對最優(yōu)控制方程組求解，即將輪蓋處沿子午線長度的葉片安裝出口角及輪盤處沿子午線長度的葉片安裝角出口角作為控制變量，改變兩個控制變量的分布，得到不同的目標泛函值，根據(jù)目標泛函值的偏差計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)實際要求在以下兩種規(guī)律中進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系統(tǒng)的常微分方程組，進行計算，在計算過程中，若按流量平均的出口壓力不能達到設計要求或內部流場不能滿足約束，則必需修正葉輪的輪盤輪蓋的子午流道形狀與外徑，重復計算，直至滿足約束條件，最后完成葉片型線設計。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種透平壓縮流體機械的葉片型線設計方法，首先結合葉輪機械的特點，通過合理的簡化，將由N－S偏微分方程控制的流動過程，簡化為由常微分方程組描述的流動系統(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的最優(yōu)控制形式；目標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分離的最大擴壓度，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系統(tǒng)的常微分方程組，進行迭代計算，最終得到在理論上滿足表面無分離的最優(yōu)降速線的葉輪葉片的型線。采用本發(fā)明優(yōu)化設計的葉片型線，可使壓縮流體機械具有高效、低能耗、運行安全的特點。
文檔編號F04D29/30GK1757933SQ20051003077
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月27日 優(yōu)先權日2005年10月27日
發(fā)明者谷傳綱, 楊波, 王彤, 毛福芳 申請人:上海交通大學