[发明专利]一种叶轮机械非等厚叶片设计方法

说明书

本发明公开了一种叶轮机械非等厚叶片设计方法，采用贝塞尔曲线表达内环厚度分布，计算采用贝塞尔曲线表达的内环厚度分布控制点矩阵，外环厚度控制点矩阵可以在内环厚度控制点矩阵的基础上通过与变化矩阵加减、乘除或其组合的形式得到。将内环厚度分布、外环厚度分布叠加叶片骨线得到叶片内环、叶片外环型线，将叶片内环、叶片外环型线投影至前盘、后盘位置获得加厚叶片。本发明采用贝塞尔曲线设计叶片内环厚度分布，在内环厚度的基础上设计外环厚度，保证叶片厚度分布的单调性、单峰性与调整的灵活性，同时，还可以保证设计叶片很好的工艺性。叶片几何实现参数化表达，设计参数简洁直观，便于后续进行优化设计。

技术领域

本发明涉及一种叶轮机械非等厚叶片设计方法，属于叶轮机械技术领域。

背景技术

叶轮机械在工程应用中使用广泛，包括风机、液力变矩器、水泵、压气机等。叶轮机械一般由叶栅、前盘、后盘等组成，叶栅与前盘、后盘之间围成的通道形成流体流动的流道，通过叶栅系统与流体的相互作用实现机械能与流体动能的相互转化。

叶栅是叶轮机械的核心组成部分，其设计的好坏直接影响叶轮机械的性能表现。叶栅系统由绕旋转轴周期阵列排布的多个叶片组成，叶片形状根据其应用场合的不同差别很大，包括二维直板叶片、非等厚三维扭曲叶片等。为了保证叶栅系统良好的液力性能与加工工艺性，一般要求叶片形态应具有入口较厚、出口较薄，呈流线型分布的特点。叶轮机械叶片主要有铸造型、冲压型、机加工等形式，其中铸造型、机加工叶片一般为非等厚三维扭曲叶片。

现有的叶轮机械叶片厚度设计方法，主要有传统加厚方法与参数化加厚两种方法，传统的叶片加厚方法多依赖经验设计，一般采用等倾角射影法，其设计过程复杂且坐标转换过程存在失真，往往设计出来的叶片与理论结果偏差较大；参数化加厚方法是将厚度分布以数值的方式叠加到叶片骨线从而生成叶片内、外环面，采用的叶型主要有基于儒科夫斯基型线、NACA翼型、水滴状翼型等。

现有技术中采用环线上的点阵建立叶片加厚方向后，选择一种水滴状翼型函数进行加厚，对于不同叶型适应性不强，且所选翼型函数一般为多项式，难以保证单峰性与单调性，不便于对叶型厚度进行大范围调整与寻优；另外，采用多项式表达叶片骨线与厚度分布函数，由于多项式难以保证单峰性与单调性，采用该方法设计出来的叶片可能存在工艺性与液力性能不佳的问题。此外，现有技术中没有考虑叶片内环、外环厚度的相对大小关系及最大厚度的相对位置关系，设计出来的叶片工艺性、液力性能无法保证。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种叶轮机械非等厚叶片设计方法，通过给定叶片内环厚度分布，计算采用贝塞尔曲线设计的厚度分布控制点矩阵，外环厚度控制点矩阵可以在内环厚度控制点矩阵的基础上通过与变化矩阵加减、乘除或其组合的形式得到，通过对贝塞尔曲线控制点的调整保证叶片厚度分布的单调性、单峰性，且同时保证叶片调整的灵活性。叶片几何实现参数化表达，设计参数简洁直观，便于后续进行优化设计。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种叶轮机械非等厚叶片设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设计叶轮机械的前盘、后盘与叶片骨线参数；

步骤2：在给定叶片内环厚度分布的基础上，采用循环迭代法计算内环厚度采用贝塞尔曲线表达的控制点矩阵，获得贝塞尔曲线表达的内环厚度分布，使贝塞尔曲线表达的内环厚度分布与给定内环厚度分布差值小于阈值；

步骤3：在内环厚度采用贝塞尔曲线表达的控制点矩阵基础上增加变化矩阵，获得外环厚度采用贝赛尔曲线表达的控制点矩阵，进而获得贝塞尔曲线表达的外环厚度分布，进行内环、外环相应位置厚度大小判断，输出满足要求的外环厚度分布；

步骤4：将内环厚度分布、外环厚度分布叠加骨线得到内环、外环型线，内环、外环型线分别投影至前盘、后盘获得加厚叶片。