透平叶片的气动优化设计系统

第33卷　第1期2004年3月

热力透平

THER M A L T UR BI NE

Vol.33No.1

Mar.2004透平叶片的气动优化设计系统

袁　新1,林智荣1,赖宇阳2,陈志鹏1

(1.清华大学热能工程系,北京100084;2.赛特达科技有限公司,北京100080)

摘　要:　发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合:前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法,已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析,并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系;后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台,通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。

关键词:　蒸汽透平;CFD;气动优化设计

中图分类号:T K263.3 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2004)01-0008-06

Aerodynamic Optimization System for Turbine Blade Design

Y UA N Xi n1,L IN Zhi2rong1,L A I Y u2yang2,CHEN Zhi2peng1

(1.Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China;

2.Sightna Corporation,Beijing100080,China)

Abstract:　An aerodynamic optimization system for the hybrid three2dimensional blade design,coupled with com2 putational fluid dynamic analysis and integrated optimization algorithms,was developed in Tsinghua University.The higher2order accurate robust CFD method has been utilized for develo pment of steam turbine blade flow analysis,its dependability has been validated by comparing the numerical results with model turbine test data.The h ybrid three2 dimensional optimization method based on iSIGHT commercial software has been develo ped for turbine blade design. The overall technical integration is starting to be used for further design optimizations and efficiency enhancement of steam turbines.

K ey w ords:　steam turbine;CFD;aerodynamic optimization design

1　三维粘性杂交问题的气动优化设计

蒸汽轮机是现代发电行业的核心动力机械之一。蒸汽透平的效率越高,其气动损失水平就越低,对环境的污染也就越小。为了提高透平叶片的设计水平以便能最大限度地提高其热效率,我们必须深入全面准确地了解透平内部的全工况流动状态,尽可能采用高精度的计算流体力学(CFD)分析手段来发展蒸汽透平叶片的气动优化设计方法。

近年来,清华大学与国内外蒸汽轮机制造厂家合作,在发展蒸汽透平通流部分设计方面开展了一些共同的研究,尤其在蒸汽透平叶片的流动分析与叶片气动优化设计技术方面开展了深入的研究工作。这主要源于两方面的原因:其一是我们在高精度的数值分析技术方面提出了独具特色的方法[1],不仅用于流动损失机理的研究,还将其作为一个强有力的分析工具纳入到了叶片气动优化设计体系;其二是我们将近年来发展起来的各种先进的优化技术与我们的分析技术耦合起来[2],由此生成了叶片三维粘性杂交问题气动优化平台。

图1显示了叶片全三维粘性杂交问题气动优化平台的要素框图。对于二维叶型成型,采用了非均匀有理B样条(Non2Uniform Rational B2 Splines)技术(简称NU RBS技术)进行叶片的参

收稿日期:2003-09-20

基金项目:国家重点基础研究发展规划(G1999022306)、国家自然科学基金(50076019)资助项目

作者简介:袁新(1956-),男,工学博士,清华大学教授,博士生导师,主要从事叶轮机械气动热力学、计算流体力学与现代优化设计、燃气轮机与蒸汽轮机技术等研究;目前主持有国家自然科学基金、国家973、国家863、航空领域、国际合作等项目及课题。

数化生成。对于生成二维叶片型线而言,这种曲线拟合方法更优于采用Bezier 函数等其它的拟合方法。对于三维叶片成型,采用了NU RBS 的蒙皮技术并自动生成三维结构化网格。在采用诸如“遗传算法”等优化手段进行全三维杂交优化过程中,其成败的关键在于“海量”计算的所谓“瓶颈”问题。为此,在原有工作基础上,我们发展了最新的流场分析并行软件,用于微机集群计算机系统[3]。在优化设计过程中,为了提高杂交优化的效率和精确度,我们采用了将变量的试验设计(Design of Experiments 2DOE )分析、遗传算法(G enetic Algorithm 2G A )全局搜索、响应曲面近似建模(Response Surface Model 2RSM )、RSM 与序列二次规划(Sequential Quadratic Programming 2SQ P )耦合局部寻优等组合优化方案

。

图1　叶片三维粘性杂交问题气动优化平台要素框图

为了验证上述平台中的关键环节的适用性,我们详细分析了典型蒸汽透平叶片的内部流场,并与试验结果进行了详细比较。最后我们给出了一个透平叶片全三维粘性杂交问题气动优化的实例。

2　高精度鲁棒型数值分析方法

由Jameson 和Y oon 等人发展的L U 2SGS 隐式格式[4]是CFD 领域内公认的高收敛率求解方法。为了进一步提高收敛效率,我们提出了L U 2SGS 2GE (G aussian Elimination )隐式求解方法[1],用于求解Farve 平均的可压缩Navier 2Stokes 方程

和低雷诺数q 2

ω双方程湍流模型。这种新型隐式格式除包含了L U 2SGS 格式的全部特色外,还巧

妙利用了特殊对角化和高斯消去等技术,确保了特征相容性,没有引入分解误差、多余数值耗散项和自由参数,收敛更快捷和稳定。为了提高计算的精确度,我们发展了改良型四(五)阶MUSCL TVD 格式,可以精确地捕捉流场中复杂的激波系、弱间断面和滑移面[5]。

3　数值分析结果的验证

叶片杂交优化设计过程中,最重要的一环是流场分析的准确与否。为了严格考核上述叶片三维粘性杂交问题气动优化平台中的数值分析环节,我们与合作伙伴一起采用了多个算例反复验证我们的软件,并最终用于了工业设计中。本文中仅给出一个与模型透平试验[6]详细比较的算例。

本算例为某高中压透平级其中一级的流场预测。该透平级分别由等截面直列叶片和变截面扭转叶片组成了环形静叶列和动叶列。图2显示了该透平级的计算网格,计算中静叶与动叶均采用结构化C 型网格,网格数均为251×31×51。为了能够进行多级分段耦合计算,计算域进出口边界条件直接采用了实际的级间测量参数;即静叶上游的总温T 01、总压p 01、气流角和动叶下游的静压p 3均采用模型透平试验数据(参见图3)。

计算中采用隐式时间推

图2　透平级三维网格

。

a )静叶进口总温,T 01

b )静叶进口总压,p 01

c )动叶出口静压,p 3

图3　模型透平试验给出的透平级进出口流动条件

9

第1期 热力透平