叶型和三维叶片设计功能 – AxSTREAM®

无论几何形状是来自AxSTREAM®初始设计工具,还是通过AxSLICE®模块从CAD模型或点阵导入的,叶型分析在空气动力学方面和结构上都对机器的性能起着至关重要的作用。

在本页中分别展示了AxSTREAM®的轴流式叶型和叶片设计以及径流式叶型和叶片设计的平台,它们是单独授权的。

AxSTREAM®平台的轴流式叶片造型和叶片设计能够使用户通过不同的叶型设计模式为旋转机械设计三维叶片,如蒸汽和燃气轮机、轴流压缩机和轴流风机。

AxSTREAM®径流式叶叶片造型和叶片设计能够让用户轻松设计和编辑径流式压缩机、混流式压缩机和径流式涡轮的转子、定子和分流叶片。

每个叶片可以使用不同的叶型设计模式为每片最多49个翼展层面进行设计,以确保最大的编辑灵活性并保证性能。用户 可以查看和编辑每个层面的叶型特性,从而为AxSTREAM®项目数据库中给定的流量工况提供优化设计。

设计或编辑后,叶片的几何(仅轴流式叶片)可以存储到ATLAS叶型数据库和/或导出为X,Y坐标。 另一方面,任何叶片都可以用于其它AxSTREAM®模块,如AxSTRESS或AxCFD,用于三维分析或作为CAD、FEA或CFD模型导出到外部软件。

 

轴流式叶片叶型设计功

轴流机器的叶片可能相当复杂并且高度范围可以从几毫米到一米多(约3英尺)。 根据叶片尺寸、需要实现的性能、制造能力和成本,用户可以使用AxSTREAM®中提供的不同技术; 如棱柱形(圆柱形)、扭曲叶片、倾斜(包括弓形)、掠形等。

交互式且用户友好的编辑功能与与势流求解器相结合能够帮助用户在更改叶型几何形状的同时即时查看流场参数云图,从而得到叶片流道中的最佳流场。

 

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图1 AxSTREAM 轴流式叶型和叶片设计平台

 

此外,可以用户可以自定义的几何参数范围来得到损失最小的优化叶型,以加强所执行的手动优化。

一旦成功地对每个层面进行了叶型设计,就可以将这些层面堆叠起来以完全定义三维的叶片几何形状并允许在堆叠轴中进行倾斜(例如直接或组合成弓形),和掠形的设计。

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图2 AxSTREAM 轴流式叶片造型和叶片设计示例

 

轴流式叶片叶型设计后处

可以有若干选项来定量和定性地评估三维叶片叶型的性能。 这些包括叶型损失的计算、叶片载荷的显示、流动分离标准、压力和吸力面的马赫数等,亦可用于比较不同翼型的结果。

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图3 沿叶片长度的马赫数分布图

 

在力学方面,用户可以估算不同位置的叶片应力,以减少叶片设计和三维结构计算如AxSTRESS之间的迭代。

使用粘度和湍流以及自定义网格的准三维CFD(恒定半径计算)工具能够帮助用户计算和显示叶片间流道中的热力学和运动学特性云图以及热通量和速度矢量。 这种叶栅 CFD对于跨音速阶段分析非常有用,因为势流理论无法准确预测所有效果。

本模块还可以用来研究叶片安装角以研究喉道面积在流量不同的情况下,如何受到影响。 甚至可以使用用户定义的转速方案从而基于转速来优化安装角。

 

axial-blade-profiling-post-processing-Restagger安装角= 0度
axial-blade-profiling-post-processing-Restagger-angel安装角=-25度

图4 轴流式叶片不同安装角下的喉道变化

 

 

 

 

 

 

图4 轴流式叶片不同安装角下的喉道变化

 

径流式叶片叶型设计功

三维叶片的叶型设计通过对入口和出口几何参数、β、θ和流道厚度分布编辑完成,每个叶片最多对49个翼展方向层面进行设计,同时用户可以对叶片几何形状进行交互式和可视化的改变,并自动重新计算出口液流角。

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图5  径向叶片及其喉道

 

此外,可以对叶片的数量、叶片角度、前缘 / 尾缘角偏移、叶片是否倾斜和掠形进行编辑。

可以使用不同的叶型设计模式来确保几何编辑的灵活性,如三维叶片、直纹曲面(用于径流式叶轮)和柱状叶片。

径流式叶片后

后处理包括对于叶片曲率的交互式显示,确保得到光滑的表面,从而有助于防止流动分离并使损失最小化。 提供多种前缘和后缘选项:切断、圆形或椭圆形以满足需求。 此外,叶片的每个翼展方向的极坐标视图能够使用户查看叶片叶型并进行所需的更改。

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图6  径流式叶片叶型设计以及曲率分布情况

 

类似的,本模块也可以执行叶片安装角以研究喉道面积在不同流量情况下,如何受到影响。 甚至可以使用用户定义的转速方案从而基于转速来优化重新安装。

radial-blade-Restagger安装角= 0度
radial-blade-Restagger-angle安装角=-25度

 

图7 径流式叶片不同安装角下的喉道变化