[发明专利]具有三维曲面叶顶的轴流式涡轮叶栅

说明书

具有三维曲面叶顶的轴流式涡轮叶栅，属于被动流动控制的叶轮机械技术领域。本发明是为了解决转子叶顶由于间隙流动造成泄漏损失大的问题。它包括叶栅，所述叶栅的叶顶上表面设置自由形变区，所述自由形变区的径向高度的最大值为叶栅径向高度的4％，自由形变区距离叶顶吸力边和压力边的壁厚最大值为2mm；所述自由形变区用于生成最优三维曲面：最优三维曲面通过B样条曲面造型叶顶三维曲面，然后利用正交试验建立Kriging代理模型，再通过遗传算法优化Kriging代理模型获得。本发明为一种具有最优三维曲面的叶栅。

技术领域

本发明涉及具有三维曲面叶顶的轴流式涡轮叶栅，属于被动流动控制的叶轮机械技术领域。

背景技术

在叶轮机械的实际工作过程中，为了避免转子叶顶与机匣发生摩擦接触，需要在转子与机匣之间留有一定的空隙，即叶顶间隙。由于在叶片吸力面与压力面之间存在压力差，在压差的驱动下，流体会从间隙中流过，形成间隙流动，间隙流动会引起叶顶区域附近做功下降，损失增加以及通道堵塞；并且间隙流动会在叶片流道内产生多种涡，形成的多种涡会和叶片的附面层以及流道内的通道涡彼此产生影响，因此，叶顶区域的流动十分复杂，这种异常复杂的流动也使得间隙泄漏损失增加。因此，设法抑制涡轮叶尖泄漏流动是减少泄漏流量，降低总压损失，提高涡轮效率的重要途径。

目前，常用有效控制叶尖泄漏流动的控制技术主要可以分为主动控制和被动控制两大类。主动控制技术主要有：叶顶喷气，机匣喷气以及等离子体控制器等；被动控制技术主要有叶尖肋条，翼梢小翼，叶顶造型以及机匣造型等。这些控制方法都有利有弊，叶尖泄漏流动控制方法还需要进一步研究。

发明内容

本发明目的是为了解决转子叶顶由于间隙流动造成泄漏损失大的问题，提供了一种具有三维曲面叶顶的轴流式涡轮叶栅。

本发明所述具有三维曲面叶顶的轴流式涡轮叶栅，它包括叶栅，

所述叶栅的叶顶上表面设置自由形变区，所述自由形变区的径向高度的最大值为叶栅径向高度的4％，自由形变区距离叶顶吸力边和压力边的壁厚最大值为2mm；

所述自由形变区用于生成最优三维曲面：最优三维曲面通过B样条曲面造型叶顶三维曲面，然后利用正交试验建立Kriging代理模型，再通过遗传算法优化Kriging代理模型获得。

进一步地，所述叶顶与涡轮机匣的叶顶间隙最大值为叶栅径向高度的1％。

再进一步地，所述最优三维曲面形变的径向最大值为以自由形变区所在平面为基准叶栅径向高度的±2％。

再进一步地，所述自由形变区侧壁与叶顶和最优三维曲面的连接处采用圆角过渡。

再进一步地，所述最优三维曲面的获得方法为：

所述B样条曲面采用双三次均匀B样条曲面P(u,w)，表达式为：

其中P_ij是曲面片的控制顶点位置，其中i为曲面片在预设平面直角坐标系中x方向的坐标值，j为曲面片在预设平面直角坐标系中y方向的坐标值，i＝0,1,2,…,m，j＝0,1,2,…,n，其中m和n均为大于或者等于3的整数；u为曲面片i方向的节点矢量，w为曲面片j方向的节点矢量，F_i,m(u)为节点矢量u的基底函数，F_j,n(w)为节点矢量w的基底函数；

利用正交试验，建立任意叶顶三维曲面对叶顶间隙泄漏流量及出口截面总压损失的Kriging代理模型，对Kriging代理模型进行遗传算法优化，获得最优三维曲面；所述任意叶顶三维曲面为由双三次均匀B样条曲面P(u,w)确定的自由形变区内的三维曲面。