[发明专利]一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法

说明书

本发明公开了一种径‑轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，包括以下步骤：选定子午面二维坐标系，根据已知参数，给定初始方程指数，描述并计算子午面hub线和shroud线；选定子午面控制线，计算三维叶片吸力面和压力面上控制线的控制点坐标；计算等流线位置处的通流面积，以流线位置为横坐标，该流线位置处的通流面积为纵坐标作图；判断流道是否满足光顺变化的要求，若是，则输出子午面hub和shroud线的点坐标；若否，则调整曲线方程指数重新计算；本发明设计过程简便、快捷，校核流道光顺变化的依据更具有说服力，直接可以得到叶片三维型线的点坐标，有利于后续的网格划分、数值模拟、优化设计及加工制造等工作。

技术领域

本发明涉及透平机械叶轮叶片三维型线的设计，具体地涉及一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计及校核方法。

背景技术

叶轮是透平膨胀机实现能量转换及输出功的重要部件，叶片型线主要由子午面型线及导流段三维扭曲叶片计算方法决定的。

目前常规的处理方法是：叶轮的子午面型线是基于半经验公式确定的，导流段三维扭曲叶片计算则简化为二次抛物线来处理，这些经验设计及简化处理存在了以下几个缺点：

一是轮盖基线(或叶顶线)及轮盘基线为依经验估取，如果不合适，则需作出调整并从进口到出口依次再作包络圆进行校核，尤其是当有大量候选叶轮时，则需不断重复上述校核过程，不仅过程繁琐，而且工作量相当大、耗时耗力。

二是固定了导流段三维扭曲叶片的计算公式，对于不同实际流动的适应性较差。

三是包络线校核法，将流道展开后包络圆两侧的切线是否接近直线作为光顺变化的依据，这种方法局限在二维判断上，并未计算出三维流道的通流面积，判断依据没有足够的说服力。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，该设计方法设计过程简便、快捷，校核流道光顺变化的依据更具有说服力，直接可以得到叶片三维型线的点坐标，有利于后续的网格划分、数值模拟、优化设计及加工制造等工作。

本发明的技术方案是：

一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线设计及校核方法，包括如下步骤：

说明：下述下标“h”表示hub曲线，即轮盘基线或叶根线，下标“s”表示shroud曲线，即轮盖基线或叶顶线，下标“1”表示进口，下标“2”表示出口；

步骤1、透平膨胀机叶轮基本几何参数及热力参数输入：

1)基本几何参数输入：进口直径D₁、叶高L₁、出口外径D_2s以及出口内径D_2h，轴向总长度B_t，导流段轴向长度B_d，叶片厚度δ，叶片数目NR，hub曲线进出口圆锥角β_1h和β_2h，shroud曲线进出口圆椎角β_1s及β_2s；

2)基本热力参数输入：叶轮出口气流绝对速度c₂及转速n；

步骤2、二维子午面型线(hub曲线和shroud曲线)计算

步骤2.1、建立子午面二维Z-R坐标系，Z轴为叶轮轴线且逆气流方向，R轴则为垂直叶轮轴线且从叶根到叶顶方向，根据已知基本几何参数计算hub曲线和shroud曲线的进出口坐标，其表达式为：

采用Lamé椭圆方程一般表达式描述hub曲线和shroud曲线：

则r对z的一阶导数为：