汽轮机叶片改型及三维气动优化设计

第40卷第1期2011年3月VO140NO1MAR2011汽轮机叶片改型及三维气动优化设计隋永枫卫一，孙义冈。，叶钟，孔建强1杭州汽轮动力集团中央研究院博士后科研工作站，杭州310022；2杭州汽轮机股份有限公司工业汽轮机研究所，杭州310022；3西安交通大学动力工程及工程热物理博士后流动站，西安710049摘要为了提高汽轮机的效率，本文采用基于人工神经网络及遗传算法的叶轮机械叶片三维优化设计方法，对某低压叶片级组进行优化设计。优化目标是在流量不减小的情况下，减少叶片内的流动损失，增加叶片的总总效率及等熵效率。优化仿真结果显示，优化后所获得的扭曲叶片有效地改善了次末级叶根处的流动分离，流道损失显著降低，流量和总总效率也都得到了大幅度的提高。关键词汽轮机；叶片优化设计；流场分析；效率中图分类号TK2633文献标识码A文章编号16725549201101002805IMPROVEDANDOPTIMIZEDAERODYNAMICDESIGNONTURBINEBLADESTAGESSUYONGFENG，SUNGANG，YEZHONG一，KONGJIANQIANG1HANGZHOUTURBINEPOWER，POSTDOCTORWORKINGSTATION，HANGZHOU310022，CHINA；2HANGZHOUSTEAMTURBINECO，LTDINDUSTRIALSTEAMTURBINEINSTITUTE，HANGZHOU310022，CHINA；3XIANJIAOTONGUNIVERSITY，POWERENGINEERINGENGINEERINGTHERMOPHYSICSPOSTDOCTORRESEARCHSTATION，XIAN710049，CHINAABSTRACTBASEDONARTIFICIALNEURALNETWORKANDGENETICALGORITHM，A3DOPTIMIZEDDESIGNMETHODISADOPTEDTOIMPROVESTEAMTURBINEEFFICIENCYTHEOPTIMIZATIONOBJECTIVEISTOMAXIMIZETOTALTOTALISENTROPICEFFICIENCY，MINIMIZETHELOSSOFFLOWPATH，ANDKEEPMASFLOWUNCHANGEDTHEOPTIMIZEDSIMULATIONRESULTSHOWSTHATOPTIMIZEDBLADESTAGESCANEFFECTIVELYIMPROVEFLOWSEPARATION，DECREASETHELOSSOFFLOWPATH，ANDENHANCEINASSFLOWANDTOTALTOTALISENTROPICEFFICIENCYKEYWORDSSTEAMTURBINE；OPTIMIZEDAERODYNAMICDESIGN；FLUIDANALYSIS；EFFICIENCY叶栅的气动设计技术由于直接关系到汽轮机的效率、功率甚至运行的安全可靠性，影响到能源的有效转换和合理利用，一直是国内外叶轮机械气动热力学领域关注的重点。采用先进的设计理论与方法对通流部分进行设计优化是提高汽轮机气动效率和改善其气动性能的一个非常重要的手段，。汽轮机叶栅内部流动由三维NAVIERSTOKES方程决定，其工作环境非常复杂，内部流体的流动是粘性、三维和非定常的有旋流动，存在通道涡、角涡、泄漏涡等复杂涡系，并常伴有激波、边界层分离、回流等复杂的流动现象。叶栅工作环境的复杂性决定了其气动优化设计是一个跨学科、十分复杂的高难度课题3J。随着计算速度的提高及CFD三维流场求解精度的完善，基于NS方程的全三维流场数值模拟用于叶轮机械气动设计成为可能。近年来国内有许多研究工作采用三维CFD流场分析与数值优化相结合的方法，来提高汽轮机的性能。本文在已有传统改型设计方法基础上，结合工业汽轮机通流的技术特点，采用叶轮机械全三维优化设计平台DESIGN3D，将计算流体动力学分析技术与人工神经网络、遗传算法相结合的方法，以某两级低压级组转子叶片为研究对象，通过改变整个叶高的扭曲规律的方法对其进行三维气动优化，从而达到改善叶片气动性能的目的I9J。收稿日期20101230修订日期201LO119基金项目浙江省科学技术厅优先主题重大工业项目100MW等级超大型工业汽轮机系列技术开发与应用2008CO1063作者简介隋永枫1978一，男，黑龙江鹤岗人，高级工程师，博士后，杭州汽轮机股份有限公司、西安交通大学博士后，从事汽轮机热力结构设计、叶片设计、三维流场气动分析、转子动力学与固体力学等研究。囵一I羹霪气轮机叶片改型及三维气动优化设计热力透平1流场计算方法简介数值算采用NUMECA商用软件包FINETURBO，通过求解RANS方程评估透平级的气动性能“。在计算过程中，粘流计算采用SPALARTALLAMARAS一方程湍流模型，该湍流模型能够满足1二程实际的需要，并且能够有效地节约计算机资源，提高计算速度川；空间离散采用有限体积法，格式采用二阶中心差分格式，时问离散采用四步RUNGEKUTTA方法；动静叶干涉面采用混合平面法进行处理，该方法已经被证明能够满足工程实际需要。为加速收敛，采用了多重网格法三重和隐式残量平均法。计算过程中，工质选CONDENSABLEFLUID水蒸气模型。进口边界条件给定总焓、于度和三个方向的速度，这些进口边界条件都是从三级的联级计算的结果中取出。出口边界条件给定平均静压，汽缸壁采用静止无滑移绝热边界。2叶片参数化建模本文采用NUMECADESIGN3D的AUTOBLADE模块对叶型进行参数拟和，使参数化后的叶片与原型叶片效果基本一致。叶片参数化造型是优化设汁的基础，作用是对设TX,象进行方便建模。设计变量的数目将直接影响数据库样本的规模，从而影响优化时间。理想的叶片参数化方法应当使用尽量少的设计变量准确模拟设计对象。本文通过将五个不同叶展处的叶型进行径向积叠生成三维叶片，每个截面使用中弧线加构造线来表达，中弧线可以采用多种拟和形式，如BSPLINE、BEZIER曲线等通过对中弧线的拟和，我们可以很方便地控制H十片的入口几何角和出口几何角等参数，通过这些参数的变化来控制叶型中弧线的变化，图1列出了用简单BEZIER曲线拟和的叶片中弧线示意图。在AUTOBLADE中吸力面和压力面有两种构造模式，一种是构造线模式，一种是厚度控制模式。构造线模式可以对压力面和吸力面的控制点进行控制，以达到改变叶型的目的，控制线可以选择BEZIER和BSPLINE等线型控制方式，也可自己定义控制方式。而厚度控制模式则是通过压力面和吸图】中弧线定义方式图力面相对中弧线的厚度的变化来达到改变叶型的目的。图2给出了构造线模式控制吸力面的示意图。图2吸力丽构造线模式示意图3叶片改型优化设计方法介绍NUMECA软件的FINEDESIGN3D软件包是基于NS方程解的优化设计平台，它是专门用于三维旋转机械叶片及通道造型设计和优化的软件工具。DESIGN3D模块将根据数据库生成的样本，采用人工神经网络建立几何优化变量与气动参数之间的近似函数关系，并在此基础上，通过遗传算法等其他数值优化算法进行优化预测出最优解，然后再进行流场效验计算，并将结果补充道样本数据库生成近似函数，如此反复寻找满足优化目标的最佳解。根据汽轮机的特点，本文将手工改型和自动优化相结合，对两级汽轮机进行优化设计，主要改型对象是次末级静叶，优化对象是次末级动叶，同时为了兼顾次末级动叶的振动性能，对子午面也做了相应的修改。本次优化的目标函数可以选总总一囵第1期汽轮机叶片改型及三维气动优化设计效率、总压损失或叼MO9，上式中为两级动叶片的扭矩，为叶片转速，则M为叶片出功总为整级的理想功，叼这里定义为等熵效率。4原级组初步分析结果表1给出了级组的优化工况，首先应用商用软件NUMECA对原设计级组在该工况下进行了分析，图3、图4和图5分别给出了计算的残差的收敛曲线图、总总效率收敛曲线图和扭矩收敛曲线图。如图6、图7和图8给出了次末级动叶125叶高处流场的速度图和该处流道涡情况。图9相应给出了125叶高处的载荷图。从以下几幅图可以看出，次末级叶片在125叶高处有明显的涡存在，增加了该处的流动损失，主要原因是由于该处静动叶角度匹配不合理造成的，下一节本文将对该处进行具体的改型和优化设计。表1级组优化工况入口总焓KJKG入口干度出口压力MPA转速RMIN工况25L2790933160O13600蜮士料楼28FINCOMPUTAION1REST492CYCL薹J一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一卜一一一一L竺型学0TL兰三I三迭代次数图3计算残差的收敛曲线图一28NJECOMPUTTTION_IREJ492CYCLEICIENCY8949。7一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一IIL图650叶高处流场的速度图图7次末级动叶125叶高处流场的速度图图8次末级动叶125叶高处流道涡情况4000038000言3600034000艋32000300002800004604404204一O38Z图9次末级125叶高处载荷图一5优化改进设计图4总总效率收敛曲线图。迭代次数图5扭矩收敛曲线图囡L鬟本节首先针对上节的分析结果，对静叶进行改进，调整了静叶片的进出气角，特别是出气角，通过这样的调整改善了次末级静动叶之间的匹配；然后利用NUMECA一3D对次末级动叶片根部截面025叶高范围及子午面SHROUD线进行优化。在本次优化过程中，数据库样本设定为50个，其中若生成负网格和计算未收敛的样本为无汽轮机叶片改型及三维气动优化设计热力透平效样本，目标函数是整个级组的总总效率。图L0、图I1和图L2分别给出了优化后级组计算的残差收敛曲线图、总总效率收敛曲线图和扭矩收敛曲线图。图L3给出了优化后级组子午面的速度图。图14、15给出了次末级动叶125叶高处流场的速度图和该处流道放大情况。图16相应给出了125叶高处的载荷图。从图7、8与图14、15比较可知，通道涡的强度得到了有效的削弱，影响范围也得到了控制，这主要是由于对静动叶的优化设计改善了动叶片进气冲角的位置，减小了次末级动叶片在根部的冲角，降低了叶片的型面损失，基本消除了该处的通道涡，气动性能得到了改善，从载荷图9和图L6的比较可以得到验证。表2对优化后结果和原模型的总体性能参数进行了比较。可以看出，与原方案相比，由于增大了次末级静叶的出口气流角，使得流量比原来增加了126，同时，级组的总总效率提高了154个百分点B母J加J迭代次数图10计算残差的收敛曲线迭代次数图11总总效率收敛曲线图迭代次敬图L2扭矩收敛曲线图图1350叶高处流场的速度图图14次末级动叶125叶高处流场的速度图图15次末级动叶125叶高处流道放大情况4200040000箍3800036000340000460440,4204一O38Z16次末级125叶高处载荷图冀蒸囊圈第1期汽轮机叶片改型及三维气动优化设计表2级组总体性能比较分析6结论本文基于CFD方法，应用NUMECA软件包的DESIGN一3D模块对某低压叶片级组进行了三维叶片扭曲规律的优化，从原级组叶片的分析结果看，次末级动叶125叶高处存在明显的涡，经过优化，消除了该通道涡减小了级组的流动损失，提高了级组的效率。从最终选择的方案可以看出，本次改进优化基本达到了预期效果。本文对亚音速叶片进行扭曲规律优化效果比较明显，并将人工神经网路与遗传算法相结合来进行三维流道的改型优化设计，对于多级叶轮机械的优化设计具有普遍性的方法意义。参考文献1蔡颐年蒸汽轮机M西安西安交通大学，20062宋立明基于进化算法的轴流式叶轮机械叶栅气动优化设计系统的研究D西安交通大学博士学位论文，20063HERZOGN，GUNDOGDUY，KANGG，SEUMEJROPERATIONOFAFOURSTAGETURBINEAASMEPAPERGT20056870020054王乃宁，张志刚汽轮机热力设计M北京水利电力出版社，19875王福军计算流体动力学分析M北京清华大学出版社，20066隋永枫，孙义冈，丁旭东，等不调频叶片设计改型研究J热力透平，2010，39119217李军，邓清华，丰镇平基于进化算法的压气机叶型多目标优化设计J电机工程学报，2004，24IO2052098金东海，桂幸民应用多目标遗传算法的叶栅气动优化设计J航空动力学报，2007，2222852909陈波，高学林，袁新基于NURBS的叶片全三维气动优化设计J程热物理学报，2006，27576376510祁明旭，康顺四级轴流涡轮变工况数值分析J热力透平，2005，235737711祁明旭轴流透平级内三维复杂流动的数值模拟及小展弦比叶栅的特性试验D西安交通大学博士学位论文，200012姚四伟，葛宁某型燃气涡轮起动机涡轮级与喷管一体化三维流场数值计算J航空发动机，2006，3231720】，一一一一一一】上接第10页参考文献1严宏强，程钧培，都兴有，等中国电气工程大典第4卷火力发电工程上M北京中国电力出版社，2009，P4842张晓霞提高大型汽轮机综合运行经济性的途径J热力透平，2009，3842132163HELCOMPUTATIONOFUNSTEADYFLOWTHROUGHSTEAMTURBINEBLADEROWSATPARTIALADMISSIONIJ，PROCOFIMECHEJOURNALOFPOWERANDENERGY，1997，2111972054BOHNDE，FUNKEHH一WEXPERIMENTALINVESTIGATIONSINTOTHENONUNIFOMFLOWINA4STAGETURBINEWITHSPECIALFOCUSONTHEFLOWEQUALIZATIONINTHEFIMTTURBINESTAGELCJPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPO2003POWERFORLAND，SEAANDAIR，GT200338547，20035FRIDHJE，BUNKUTEB，FAKHRAIR，FRANSSONTHANEXPERIMENTALSTUDYONPARTIALADMISSIONINATWOSTAGEAXIALAIRTESTTURBINEWITHNUMERICALCOMPARISONSCPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPO2004