一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法和系统

技术领域

本发明属于燃气轮机性能评估领域，具体涉及一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法和系统。

背景技术

在双转子及三转子燃气轮机中，不同转子涡轮之间往往通过子午扩张的涡轮过渡段将高温燃气从前面转子的涡轮往后面转子的涡轮输运。为了简化结构，减少零部件数量，缩小发动机尺寸空间，双转子及三转子燃气轮机往往在涡轮过渡段的支板/支柱或者整流罩中布置冷却空气供气通道或者管路、滑油供油及回油通道或者管路，有的发动机在涡轮过渡段中同时布置大小支板，小支板用于传递轴承径向载荷，大支板用做滑油及冷却空气通道。

涡轮过渡段气动性能的优劣直接影响着燃气轮机整机性能的高低，如何快速得到气动性能优良的涡轮过渡段和设计高性能的涡轮在提升燃气轮机效率方面具有重要的意义。

目前，大量的研究集中在涡轮气动性能设计、优化等方面，对涡轮过渡段的关注及相关研究明显偏少，而针对涡轮过渡段的研究，大多集中在如何采用全三维设计手段优化带有单一支板形式的涡轮过渡段子午流道型线及支板型线，对于带有大小两种不同形式支板的涡轮过渡段气动性能设计、流场评估等关注不足。因此亟需一种能够满足燃气轮机涡轮过渡段气动性能快速评估的方法，以避免因带有大小不同支板导致气动性能评估周期较长、计算精度不高的问题，可以加速带有大小不同支板涡轮过渡段气动性能评估过程，并提高涡轮过渡段设计速度与效率，以更好的满足高性能燃气轮机研制的需求。

对于带有大小支板的涡轮过渡段气动性能的研究，现有的方法通过将大小支板看作一种支板形式进行简化分析，即将小支板(支柱)看作大支板(整流罩)或者将大支板(整流罩)看作小支板(支柱)进行分析。这种将大小支板看作一种支板形式进行简化分析的方法其评估结果存在较大偏差：若将小支板(支柱)看作大支板(整流罩)进行分析，则评估的损失偏高；若将大支板(整流罩)看作小支板(支柱)进行分析，则评估的损失偏低，两种简化评估方法均不能反映涡轮过渡段真实的物理条件。

由于涡轮过渡段和涡轮叶片气动性能对燃气轮机整机性能的影响是相同的，即两者损失降低相同的数值，整机效率会提升相同的数值，目前涡轮叶片气动性能已提升到较高的水平，而对涡轮过渡段气动性能的研究相对较少，因此，如何进一步降低涡轮过渡段的损失是设计人员急需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法和系统，实现带有大小支板的涡轮过渡段气动性能的快速评估。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法，包括以下步骤：

步骤1：构建涡轮过渡段三维模型，并统计整流罩数量；

步骤2：提取涡轮过渡段子午流道型线坐标；

步骤3：提取涡轮过渡段整流罩型线坐标；

步骤4：提取涡轮过渡段支柱型线坐标；

步骤5：编制涡轮过渡段几何数据文件；

步骤6：利用步骤5得到的涡轮过渡段几何数据，对包括一个整流罩和两个支柱的整个计算流域划分叶轮机械全三维结构化网格；

步骤7：涡轮过渡段全三维流场计算。

优选的，在步骤1中，涡轮过渡段三维模型的构建方法包括：通过已构建好的燃气轮机涡轮过渡段，按照装配关系，构建燃气轮机涡轮过渡段三维模型，包括内机匣、外机匣、支柱和整流罩的三维模型。

优选的，在步骤2中，提取涡轮过渡段子午流道型线坐标的方法包括：利用燃气轮机涡轮过渡段三维模型，提取涡轮过渡段通流内表面在子午面的型线坐标，按照从进口到出口的坐标点顺序，将提取的涡轮过渡段子午面型线坐标，输出到子午流道内通流和外通流坐标文件。

优选的，在步骤3中，提取涡轮过渡段整流罩型线坐标的方法包括：利用燃气轮机涡轮过渡段三维模型，任意选定一个涡轮过渡段整流罩(一般选取最上方或者最下方的整流罩)，提取所选定的涡轮过渡段整流罩根截面和顶截面的型线坐标，按照从根截面到顶截面顺序，各截面数据从进口到出口的坐标点顺序，将提取的涡轮过渡段整流罩型线坐标，输出到整流罩坐标文件。

优选的，在步骤4中，提取涡轮过渡段支柱型线坐标的方法包括：利用燃气轮机涡轮过渡段三维模型，分别提取步骤3选定的涡轮过渡段整流罩左侧和右侧两个支柱根截面及顶截面的型线坐标，按照从根截面到顶截面顺序，各截面数据从进口到出口的坐标点顺序，将提取的涡轮过渡段两个支柱型线坐标，分别输出到左侧支柱和右侧支柱两个支柱坐标文件。

优选的，在步骤5中，编制涡轮过渡段几何数据文件的方法包括：依次将包括整流罩数量N和支柱数量2N、涡轮过渡段子午流道型线坐标、涡轮过渡段整流罩型线坐标和涡轮过渡段两个支柱的型线坐标写入涡轮过渡段几何数据文件。

优选的，在步骤7中，涡轮过渡段全三维流场计算的方法包括：开展包括一个整流罩和两个支柱的涡轮过渡段全三维计算分析，判断计算结果的收敛性，如果满足收敛条件，则计算过程结束，得到涡轮过渡段气动性能参数；如计算结果不满足收敛要求，则调整出口压力边界条件，重复步骤7，直至满足收敛条件。

优选的，燃气轮机涡轮过渡段包括大支板和小支板结构，其中，大支板结构为整流罩，小支板结构为支柱。

优选的，一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法中，三维建模采用UGNX或Pro/E软件，网格划分采用AutoGrid或TurboGrid软件，全三维流场计算分析采用NUMECA或CFX软件。

本发明除了提供一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法外，还进一步提供一种用于实现上述评估方法的涡轮过渡段气动性能评估系统，该系统包括三维建模模块、网格划分模块、全三维流场计算模块和分析处理模块。

其中，三维建模模块用于构建涡轮过渡段三维模型，并统计整流罩数量，提取涡轮过渡段子午流道型线坐标、提取涡轮过渡段整流罩型线坐标、提取涡轮过渡段支柱型线坐标和编制涡轮过渡段几何数据文件。

三维建模模块将编制好的涡轮过渡段几何数据文件发送至网格划分模块。

网格划分模块根据三维建模模块发送的涡轮过渡段几何数据文件，对整个计算流域划分叶轮机械全三维结构化网格。

全三维流场计算模块基于网格划分模块划分的全三维结构化网格进行全三维流场计算，并将计算结果发送至分析模块。

分析模块预存收敛条件，用于判断全三维流场计算模块发送的计算结果是否符合收敛条件，并根据判断结果输出涡轮过渡段气动性能参数，或调整参数，返回全三维流场计算模块进行再计算，直至计算结果满足收敛条件。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：

本发明提供的一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法和评估系统，根据涡轮过渡段带有大小支板的结构特点，针对此种常用的燃气轮机涡轮过渡段，将整流罩(大支板)看作主叶片，将整流罩两侧的两个支柱(小支板)看作整流罩的分流叶片，重新组织了其模型处理、网格划分及气动性能计算分析过程。经测算，相较传统构建几何模型、划分非结构网格的计算方法，本发明采用80万-100万六面体结构化网格，相较传统方法300-500万的非结构网格，质量更优且数量更少。本发明中评估方法的计算残差为10

与传统构建几何模型，分块划分结构网格方法相比，本发明可将网格划分时间由传统方法的40-60分钟缩减到3-5分钟，从而成倍缩短网格划分时间，实现了带有大小支板的涡轮过渡段气动性能快速评估，有利于加快涡轮过渡段设计过程。

本发明提出的带有大小支板的涡轮过渡段气动性能快速评估方法，可以实现几何模型构建、网格划分、计算分析全过程的自动化，无需人为操作，配合整流罩、支柱及子午流道的参数化设计，可以实现涡轮过渡段的全参数化设计及计算分析，为涡轮过渡段快速优化设计奠定了坚实基础。

本发明提出的带有大小支板的涡轮过渡段气动性能快速评估方法，按照涡轮过渡段大小支板真实结构进行分析，未将小支板(支柱)看作大支板(整流罩)或者将大支板(整流罩)看作小支板(支柱)进行分析，评估结果较现有方法更加真实的反映了物理条件，计算分析结果更加准确可信。

附图说明

图1为本发明中一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法流程图；

图2为本发明实施例中燃气轮机涡轮过渡段三维模型示意图；

图3为本发明实施例中整流罩模型俯视图；

图4为本发明实施例中整流罩模型正视图；

图5为本发明实施例中整流罩模型侧视图；

图6为本发明实施例中支柱模型正视图；

图7为本发明实施例中支柱模型侧视图；

图8为本发明实施例中支柱模型立体视图；

图9为本发明实施例中涡轮过渡段结构视图；

图10为本发明实施例中整流罩和支柱周向分布示意图；

图11为本发明实施例中通流内外表面坐标提取示意图；

图12为本发明实施例中整流罩根截面和顶截面坐标提取示意图A；

图13为本发明实施例中整流罩根截面和顶截面坐标提取示意图B；

图14为本发明实施例中整流罩根截面和顶截面坐标提取示意图C；

图15为本发明实施例中支柱根截面和顶截面坐标提取示意图A；

图16为本发明实施例中支柱根截面和顶截面坐标提取示意图B；

图17为本发明实施例中支柱根截面和顶截面坐标提取示意图C。

图中，1为内机匣；2为外机匣；3为支柱；4为整流罩；5为通流外表面；6为通流内表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如图1所示，本发明的技术方案中提供一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法，包括以下步骤：

步骤1：构建涡轮过渡段三维模型，并统计整流罩数量；

步骤2：提取涡轮过渡段子午流道型线坐标；

步骤3：提取涡轮过渡段整流罩型线坐标；

步骤4：提取涡轮过渡段支柱型线坐标；

步骤5：编制涡轮过渡段几何数据文件；

步骤6：利用步骤5得到的涡轮过渡段几何数据，对包括一个整流罩和两个支柱的整个计算流域划分叶轮机械全三维结构化网格；

步骤7：涡轮过渡段全三维流场计算。

在本发明的一个实施例中，经过步骤1构建后的涡轮过渡段三维模型如图2所示，该三位模型通过已构建好的燃气轮机涡轮过渡段，按照装配关系，构建燃气轮机涡轮过渡段三维模型，包括内机匣1、外机匣2、支柱3和整流罩4的三维模型。

针对本实施例中构建的涡轮过渡段三维模型，进行涡轮过渡段气动性能评估方法的步骤为：

步骤2：提取涡轮过渡段子午流道型线坐标：利用燃气轮机涡轮过渡段三维模型，提取涡轮过渡段通流内表面在子午面的型线坐标，按照从进口到出口的坐标点顺序，将提取的涡轮过渡段子午面型线坐标，输出到子午流道内通流和外通流坐标文件。

步骤3：提取涡轮过渡段整流罩型线坐标：利用燃气轮机涡轮过渡段三维模型，任意选定一个涡轮过渡段整流罩一般选取最上方或者最下方的整流罩，本实施例中，选取最下方的整流罩，提取所选定的涡轮过渡段整流罩根截面和顶截面的型线坐标，按照从根截面到顶截面顺序，各截面数据从进口到出口的坐标点顺序，将提取的涡轮过渡段整流罩型线坐标，输出到整流罩坐标文件。

步骤4：提取涡轮过渡段支柱型线坐标：利用燃气轮机涡轮过渡段三维模型，分别提取步骤3选定的涡轮过渡段整流罩左侧和右侧两个支柱根截面及顶截面的型线坐标，按照从根截面到顶截面顺序，各截面数据从进口到出口的坐标点顺序，将提取的涡轮过渡段两个支柱型线坐标，分别输出到左侧支柱和右侧支柱两个支柱坐标文件。

步骤5：按照分流叶片格式编制涡轮过渡段几何数据文件：依次将包括整流罩数量N和支柱数量2N、涡轮过渡段子午流道型线坐标、涡轮过渡段整流罩型线坐标和涡轮过渡段两个支柱的型线坐标写入涡轮过渡段几何数据文件。

步骤6：利用步骤5得到的涡轮过渡段几何数据，采用分流叶片模式对包括一个整流罩和两个支柱的整个计算流域划分叶轮机械全三维结构化网格；

步骤7：涡轮过渡段全三维流场计算：开展包括一个整流罩和两个支柱的涡轮过渡段全三维计算分析，判断计算结果的收敛性，如果满足收敛条件，则计算过程结束，得到涡轮过渡段气动性能参数，包括涡轮过渡段进口流量G

在上述实施例中，燃气轮机涡轮过渡段包括大支板和小支板结构，其中，大支板结构为整流罩4，小支板结构为支柱3。

需要说明的是，本实施例中，三维建模可采用UG NX或Pro/E软件，网格划分可采用AutoGrid或TurboGrid软件，全三维流场计算分析可采用NUMECA或CFX软件。

本发明的技术方案中除了提供一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法外，还进一步提供一种用于实现上述评估方法的涡轮过渡段气动性能评估系统，包括三维建模模块、网格划分模块、全三维流场计算模块和分析处理模块。

其中，三维建模模块用于构建涡轮过渡段三维模型，并统计整流罩数量，提取涡轮过渡段子午流道型线坐标、提取涡轮过渡段整流罩型线坐标、提取涡轮过渡段支柱型线坐标和编制涡轮过渡段几何数据文件。

三维建模模块将编制好的涡轮过渡段几何数据文件发送至网格划分模块。

网格划分模块根据三维建模模块发送的涡轮过渡段几何数据文件，对整个计算流域划分叶轮机械全三维结构化网格。

全三维流场计算模块基于网格划分模块划分的全三维结构化网格进行全三维流场计算，并将计算结果发送至分析模块。

分析模块预存收敛条件，用于判断全三维流场计算模块发送的计算结果是否符合收敛条件，并根据判断结果输出涡轮过渡段气动性能参数，或调整参数，返回全三维流场计算模块进行再计算，直至计算结果满足收敛条件。

下面通过一个实例，对本发明技术方案中提供的一种带有大小支板的涡轮过渡段气动性能评估方法作进一步阐述：

步骤1：收集已建模好的燃气轮机过渡段部件

过渡段部件主要包括整流罩和支柱等部件的UG模型和过渡段CAD图纸，如图3至图9所示。过渡段中，整流罩与支柱周向分布，其中，大支柱即整流罩4一周有3个，小支柱有6个，周向分部如图10所示。

步骤2：提取涡轮过渡段子午流道型线坐标

利用燃气轮机涡轮过渡段三维模型或CAD图纸，提取涡轮过渡段通流内表面在子午面的型线坐标，并把坐标输入到子午流道内通流和外通流坐标文件中。通流内外表面坐标提取示意图如图11所示，其中5代表通流外表面，6代表通流内表面。

步骤3：提取涡轮过渡段整流罩型线坐标

根据UG模型截取整流罩根截面和顶截面型线，如图12至图14所示，并把型线坐标输出到整流罩坐标文件中。

步骤4：提取涡轮过渡段支柱型线坐标

提取涡轮过渡段支柱根截面和顶截面型线坐标，与步骤3方法一致，支柱提取根截面和顶截面型线示意如图15至图17所示。

步骤5：编制涡轮过渡段几何数据文件

对包括一个整流罩和两个支柱的涡轮过渡段划分叶轮机械全三维结构化网格。对涡轮过渡段进行三维流场计算。

本实施例中，结构化网格节点数为832104，大约500步可以收敛，计算500步用时约34分钟，残差级别在0.0001左右。本实施例中，非结构化网格节点数为3157082，大约500步可以收敛，计算500步用时约319分钟，残差级别在0.001左右。综合对比分析可以得出：结构化网格计算在用时和残差收敛程度上都优于非结构化网格计算。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。