專利名稱：一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法
技術領域：
本發明涉及一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，屬于葉輪機械技術領域。
背景技術：
葉輪機中，在與擬流向正交的準正交面內(S3流面)，四個交接角隅A、B、C和D由 葉片E與端壁F相交形成，見圖1所示。其流動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動并受端壁阻滯的二次流動，常常出現分離。 而一旦出現分離，葉輪機性能將惡化，效率下降、隨流量減小分離尺度急劇擴大、負荷能力 降低。因此，如何合理有效組織角區流動具有重要意義。葉片E與端壁F交接角隅幾何構型對角區流動組織和分離抑制具有重要作用，但 當前葉輪機設計技術未曾考慮這一點，尚未形成考慮葉片E與端壁F交接角隅的構型方法。 值得注意的是，這與葉根倒圓技術有很大區別應用葉根倒圓是為了避免出現應力集中等 強度問題，而且一般沿流向倒圓半徑不變。
發明內容
本發明目的在于為提高現有技術的葉輪機負荷能力，提供一種葉輪機械葉片與端 壁融合的設計方法。為實現上述目的，本發明提供的葉輪機械葉片與端壁融合的設計方法的具體實現 步驟為步驟1，采取常規方法確定葉輪機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，根據附面層估算理論方法、三維計算流體力學(CFD)方法、實驗測 量方法三者之一判定各橫斷面內葉片表面和端壁表面交匯角區附面層厚度。步驟3，根據步驟2得到的各個角區附面層厚度，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處角區附面層厚度 值，Ps代表當地柵距(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沿流向分布規律表現為光滑曲線。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沿流向分布規律。該分布規律表現為光滑曲線。步驟7，根據步驟3、步驟4和步驟6所確定的端區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的沿流向分布規律，沿流向取足夠多的截面，將 截面內葉片與端壁進行光滑連接。由此形成的曲線簇包絡成葉片端壁融合表面，完成葉片 與端壁的融合。本發明步驟1-步驟7所述的方法不僅適用于葉輪機葉片，同樣適用于飛機機翼與 機身的融合。有益效果本發明的葉片與端壁融合的設計方法，提高了葉輪機負荷能力(以壓比、效率、裕 度、低雷諾數性能折衷表征)，達到葉輪機械抑制角區分離、降低流動損失的目的，使得在葉 輪機械設計階段能更有效的對角區流動進行組織，提升葉輪機氣動性能。
圖1是公知技術中葉片與端壁相交形成四個交接角區的示意圖；圖2是具體實施方式
中沿流程截取三個橫斷面的示意圖；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附面層示意圖，(c)為截面2的葉片與端壁交接 角區附面層示意圖，(d)為截面3的葉片與端壁交接角區附面層示意圖；圖3是具體實施方式
中葉片與端壁交接角隅沿橫斷面角區最小曲率半徑值沿流 向分布示意圖；圖4是具體實施方式
中葉片與端壁光滑連接示意圖；圖5是具體實施方式
中葉片與端壁融合前后的葉片及端壁對比圖；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是具體實施方式
中對葉片與端壁融合前后的離心葉輪進行三維CFD數值模擬 圖。
具體實施例方式為了更好地說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實施例對本發明內容作進
一步說明。本實施例根據發明內容所述的設計方法對一離心壓氣機葉輪進行重新設計，并用 數值模擬的方法驗證其作用效果。該離心葉輪的設計參數見表1。表1離心葉輪的設計參數
權利要求
1.一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，其特征在于具體實現步驟為 步驟1，采取常規方法確定葉輪機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，判定各橫斷面內葉片表面和端壁表面交匯角區附面層厚度；步驟3，根據步驟2得到的各個角區附面層厚度，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處角區附面層厚度值， Ps代表當地柵距，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 < 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沿流向分布規律；步驟7，根據步驟3、步驟4和步驟6所確定的端區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的沿流向分布規律，沿流向取足夠多的截面，將截面 內葉片與端壁進行光滑連接；由此形成的曲線簇包絡成葉片端壁融合表面，完成葉片與端 壁的融合。
2.根據權利要求1所述的一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，其特征在于步驟 2中判定各橫斷面內葉片表面和端壁表面交匯角區附面層厚度的方法為附面層估算理論方 法、三維計算流體力學方法、實驗測量方法三者之一。
3.根據權利要求1所述的一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，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.根據權利要求1所述的一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，其特征在于最小 曲率半徑Rmin沿流向分布規律表現為光滑曲線。
5.根據權利要求1所述的一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，其特征在于端壁 面徑向傾角α沿流向分布規律表現為光滑曲線。
6.根據權利要求1所述的一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，其特征在于步驟 1-步驟7所述的方法不僅適用于葉輪機葉片，同樣適用于飛機機翼與機身的融合。
全文摘要
本發明涉及一種葉輪機械葉片與端壁融合設計方法，屬于葉輪機械技術領域。本發明方法根據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律，并沿流向取足夠多的截面，將截面內葉片與端壁用所確定的端區葉片與端壁連接曲線形式進行光滑連接，形成的曲線簇包絡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負荷能力，達到葉輪機械抑制角區分離、降低流動損失的目的，使得在葉輪機械設計階段能更有效的對角區流動進行組織，提升葉輪機氣動性能；不僅適用于葉輪機葉片，同樣適用于飛機機翼與機身的融合。
文檔編號F04D29/38GK102094847SQ20101062360
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者伊衛林, 劉艷明, 季路成, 田勇 申請人:北京理工大學