專利名稱：一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，屬于葉輪機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
葉輪機(jī)中，在與擬流向正交的準(zhǔn)正交面內(nèi)(S3流面)，四個(gè)交接角隅A、B、C和D由 葉片E與端壁F相交形成，見(jiàn)圖1所示。其流動(dòng)以葉表附面層和端壁附面層相交匯為主要 特征，尤其在葉片吸力面與端壁所形成的兩個(gè)角隅A和B，這里不但有葉表吸力面附面層與 端壁附面層，還有壓力面和吸力面之間壓差驅(qū)動(dòng)并受端壁阻滯的二次流動(dòng)，常常出現(xiàn)分離。 而一旦出現(xiàn)分離，葉輪機(jī)性能將惡化，效率下降、隨流量減小分離尺度急劇擴(kuò)大、負(fù)荷能力 降低。因此，如何合理有效組織角區(qū)流動(dòng)具有重要意義。葉片E與端壁F交接角隅幾何構(gòu)型對(duì)角區(qū)流動(dòng)組織和分離抑制具有重要作用，但 當(dāng)前葉輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)未曾考慮這一點(diǎn)，尚未形成考慮葉片E與端壁F交接角隅的構(gòu)型方法。 值得注意的是，這與葉根倒圓技術(shù)有很大區(qū)別應(yīng)用葉根倒圓是為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中等 強(qiáng)度問(wèn)題，而且一般沿流向倒圓半徑不變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于為提高現(xiàn)有技術(shù)的葉輪機(jī)負(fù)荷能力，提供一種葉輪機(jī)械葉片與端 壁融合的設(shè)計(jì)方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的葉輪機(jī)械葉片與端壁融合的設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)現(xiàn) 步驟為步驟1，采取常規(guī)方法確定葉輪機(jī)械子午流道和葉片型面。步驟2，沿步驟1確定的子午流道中流向方向，從葉片前緣到尾緣，選擇若干位置 作橫斷面，在橫斷面內(nèi)，根據(jù)附面層估算理論方法、三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法、實(shí)驗(yàn)測(cè) 量方法三者之一判定各橫斷面內(nèi)葉片表面和端壁表面交匯角區(qū)附面層厚度。步驟3，根據(jù)步驟2得到的各個(gè)角區(qū)附面層厚度，確定各橫斷面位置處葉片表面與 端壁表面的連接曲線形式以及該連接曲線的最小曲率半徑。所采用的曲線形式可為任意形 狀的光滑曲線，其最小曲率半徑是影響附面層分離性能的關(guān)鍵因素。確定最小曲率半徑的具體方法為用δ_代表某一流向位置S處角區(qū)附面層厚度 值，Ps代表當(dāng)?shù)貣啪?葉片到葉片的距離)，則葉片與端壁交接角隅光滑連接的曲線最小曲 率半徑Rmin滿足0. 2 δ max < Rmin < 0. 5PS，且在葉片尾緣處Rmin可退化為0。其中，同一流向 位置S處葉片吸力面與端壁連接曲線、葉片壓力面與端壁連接曲線的最小曲率半徑可以不 同。步驟4，根據(jù)步驟2所選定的若干位置和步驟3確定的這些位置處葉片與端壁連接 曲線的最小曲率半徑，擬合或插值確定連接曲線最小曲率半徑Rmin沿流向分布規(guī)律，以便給 出任何流向位置處的連接曲線。最小曲率半徑Rmin沿流向分布規(guī)律表現(xiàn)為光滑曲線。步驟5，在步驟2所選定的若干位置處人為給定端壁面徑向傾角α，其取值范圍為-20° < α < +20°。步驟6，根據(jù)步驟2所選定的若干位置和步驟5確定的這些位置處的端壁面徑向傾 角α，擬合或插值確定端壁面徑向傾角α沿流向分布規(guī)律。該分布規(guī)律表現(xiàn)為光滑曲線。步驟7，根據(jù)步驟3、步驟4和步驟6所確定的端區(qū)葉片與端壁連接曲線形式、連接 曲線最小曲率半徑Rmin、端壁面徑向傾角α的沿流向分布規(guī)律，沿流向取足夠多的截面，將 截面內(nèi)葉片與端壁進(jìn)行光滑連接。由此形成的曲線簇包絡(luò)成葉片端壁融合表面，完成葉片 與端壁的融合。本發(fā)明步驟1-步驟7所述的方法不僅適用于葉輪機(jī)葉片，同樣適用于飛機(jī)機(jī)翼與 機(jī)身的融合。有益效果本發(fā)明的葉片與端壁融合的設(shè)計(jì)方法，提高了葉輪機(jī)負(fù)荷能力(以壓比、效率、裕 度、低雷諾數(shù)性能折衷表征)，達(dá)到葉輪機(jī)械抑制角區(qū)分離、降低流動(dòng)損失的目的，使得在葉 輪機(jī)械設(shè)計(jì)階段能更有效的對(duì)角區(qū)流動(dòng)進(jìn)行組織，提升葉輪機(jī)氣動(dòng)性能。


圖1是公知技術(shù)中葉片與端壁相交形成四個(gè)交接角區(qū)的示意圖；圖2是具體實(shí)施方式
中沿流程截取三個(gè)橫斷面的示意圖；其中(a)為截取方式示 意圖，(b)為截面1的葉片與端壁交接角區(qū)附面層示意圖，(c)為截面2的葉片與端壁交接 角區(qū)附面層示意圖，(d)為截面3的葉片與端壁交接角區(qū)附面層示意圖；圖3是具體實(shí)施方式
中葉片與端壁交接角隅沿橫斷面角區(qū)最小曲率半徑值沿流 向分布示意圖；圖4是具體實(shí)施方式
中葉片與端壁光滑連接示意圖；圖5是具體實(shí)施方式
中葉片與端壁融合前后的葉片及端壁對(duì)比圖；其中(a)為葉 片與端壁融合前的示意圖，(b)為葉片與端壁融合后的示意圖；圖6是具體實(shí)施方式
中對(duì)葉片與端壁融合前后的離心葉輪進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬 圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)
一步說(shuō)明。本實(shí)施例根據(jù)發(fā)明內(nèi)容所述的設(shè)計(jì)方法對(duì)一離心壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并用 數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證其作用效果。該離心葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。表1離心葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，其特征在于具體實(shí)現(xiàn)步驟為 步驟1，采取常規(guī)方法確定葉輪機(jī)械子午流道和葉片型面；步驟2，沿步驟1確定的子午流道中流向方向，從葉片前緣到尾緣，選擇若干位置作橫 斷面；在橫斷面內(nèi)，判定各橫斷面內(nèi)葉片表面和端壁表面交匯角區(qū)附面層厚度；步驟3，根據(jù)步驟2得到的各個(gè)角區(qū)附面層厚度，確定各橫斷面位置處葉片表面與端壁 表面的連接曲線形式以及該連接曲線的最小曲率半徑；確定最小曲率半徑的具體方法為用Smax代表某一流向位置S處角區(qū)附面層厚度值， Ps代表當(dāng)?shù)貣啪啵瑒t葉片與端壁交接角隅光滑連接的曲線最小曲率半徑Rmin滿足0. 2 δ max < Rfflin < 0. 5PS，且在葉片尾緣處Rmin可退化為0 ；其中，同一流向位置S處葉片吸力面與端 壁連接曲線、葉片壓力面與端壁連接曲線的最小曲率半徑可以不同；步驟4，根據(jù)步驟2所選定的若干位置和步驟3確定的這些位置處葉片與端壁連接曲線 的最小曲率半徑，擬合或插值確定連接曲線最小曲率半徑Rmin沿流向分布規(guī)律，以便給出任 何流向位置處的連接曲線；步驟5，在步驟2所選定的若干位置處人為給定端壁面徑向傾角α，其取值范圍 為-20° < α < +20° ；步驟6，根據(jù)步驟2所選定的若干位置和步驟5確定的這些位置處的端壁面徑向傾角 α，擬合或插值確定端壁面徑向傾角α沿流向分布規(guī)律；步驟7，根據(jù)步驟3、步驟4和步驟6所確定的端區(qū)葉片與端壁連接曲線形式、連接曲線 最小曲率半徑Rmin、端壁面徑向傾角α的沿流向分布規(guī)律，沿流向取足夠多的截面，將截面 內(nèi)葉片與端壁進(jìn)行光滑連接；由此形成的曲線簇包絡(luò)成葉片端壁融合表面，完成葉片與端 壁的融合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟 2中判定各橫斷面內(nèi)葉片表面和端壁表面交匯角區(qū)附面層厚度的方法為附面層估算理論方 法、三維計(jì)算流體力學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法三者之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟3 所述的曲線形式可為任意形狀的光滑曲線，其最小曲率半徑的選取影響附面層分離性能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，其特征在于最小 曲率半徑Rmin沿流向分布規(guī)律表現(xiàn)為光滑曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，其特征在于端壁 面徑向傾角α沿流向分布規(guī)律表現(xiàn)為光滑曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟 1-步驟7所述的方法不僅適用于葉輪機(jī)葉片，同樣適用于飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身的融合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種葉輪機(jī)械葉片與端壁融合設(shè)計(jì)方法，屬于葉輪機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法根據(jù)若干位置處葉片與端壁連接曲線的最小曲率半徑以及端壁面徑向傾角，擬合或插值確定連接曲線最小曲率半徑以及端壁面徑向傾角的沿流向分布規(guī)律，并沿流向取足夠多的截面，將截面內(nèi)葉片與端壁用所確定的端區(qū)葉片與端壁連接曲線形式進(jìn)行光滑連接，形成的曲線簇包絡(luò)成葉片端壁融合表面，完成葉片與端壁的融合。該方法提高了葉輪機(jī)負(fù)荷能力，達(dá)到葉輪機(jī)械抑制角區(qū)分離、降低流動(dòng)損失的目的，使得在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)階段能更有效的對(duì)角區(qū)流動(dòng)進(jìn)行組織，提升葉輪機(jī)氣動(dòng)性能；不僅適用于葉輪機(jī)葉片，同樣適用于飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身的融合。
文檔編號(hào)F04D29/38GK102094847SQ20101062360
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者伊衛(wèi)林, 劉艷明, 季路成, 田勇 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)