[发明专利]一种蜗壳二维设计方法

说明书

本发明公开了一种蜗壳二维设计方法，包括：确定质量流量、气流角、总温总压，以及蜗壳出口尺寸等设计参数，并对设计参数进行无量纲化处理；根据无量纲化处理后的质量流量、气流角以及蜗壳出口半径、宽度求得蜗壳出口速度；根据设计参数创建蜗舌截面，并根据蜗壳出口速度求得蜗舌处的径向和周向速度；通过二维求解方法在方位角0至2π范围间创建n个蜗壳截面；输出蜗舌截面和全部蜗壳截面的三维坐标点，并创建蜗壳几何。通过本方法可以快速的完成蜗壳几何设计工作，缩短蜗壳设计周期；使用流线方程确定蜗壳型线，使蜗壳结构更加合理；同时，弥补了一维方法的不足，可以更加准确的获得A/r的变化规律。

技术领域

本发明涉及径流式旋转机械领域，尤其涉及一种蜗壳二维设计方法。

背景技术

径流式旋转机械被广泛应用于社会生产和生活之中，如常见的离心压气机、离心泵、离心风机、向心涡轮以及部分水轮机等等。径流式旋转机械最主要的组成部分为转子和蜗壳。蜗壳在离心式旋转机械中起到周向收集流体和扩压流体的作用,在向心式旋转机械中起到周向分配流体和加速流体的作用。蜗壳的设计水平，会直接影响径流式旋转机械的工作效率、可靠性以及振动和噪声水平等各项指标。

传统的蜗壳设计方法为一维设计方法或经验法，包括等环量法、平均速度法、阿基米德螺旋线方程法、等边基元法和不等边基元法等。但传统设计方法只能近似得到蜗壳型线，不能直接得到蜗壳的截面形状和三维几何，最终设计依赖于设计者的经验水平，需要反复的试验调整，设计周期长，而且很难找到性能良好的几何结构。以向心涡轮蜗壳的一维等环量法为例，在设计过程中只考虑沿蜗壳内部中心线的流动，如图1中黑色箭头实线所示，图中A为蜗壳某处截面面积，r为某处截面形心半径，r₁为蜗壳出口半径，方位角θ取值范围为0～2π。若忽略密度ρ_θ的变化，A/r与θ呈线性关系，设计者可以根据设计参数直接获得蜗壳某处的A/r。但是一维设计方法的缺陷在于，不能同时分别确定A和r的周向分布，也不能确定蜗壳截面的形状，因此在设计阶段需要经过多次的尝试，即分别调整A和r的周向分布和截面形状，来获得更好的性能。此外，对于工质为高速可压气体的向心涡轮，工质密度ρ在流动过程中会发生变化，A/r与θ不再呈线性关系，因此设计时将无法获得准确的A/r沿周向的分布，这对蜗壳的设计又增加了难度。

发明内容

本发明提供一种蜗壳二维设计方法，以克服上述技术问题。

本发明一种蜗壳二维设计方法，包括：

确定设计参数，并对所述设计参数进行无量纲化处理；所述设计参数，包括质量流量、气流角、总温总压、蜗壳出口尺寸以及蜗舌径向位置和形状；所述蜗壳出口尺寸，包括蜗壳出口半径和宽度；

根据无量纲化处理后的质量流量、气流角以及蜗壳出口半径、宽度求得蜗壳出口速度；所述蜗壳出口速度，包括蜗壳径向和周向速度；

根据所述设计参数创建蜗舌截面，并根据所述蜗壳出口速度求得蜗舌处的径向和周向速度；

通过二维求解方法在方位角0至2π范围间创建n个蜗壳截面；

输出所述蜗舌截面和全部所述蜗壳截面的三维坐标点，并创建蜗壳几何模型。

进一步地，通过公式(1)质量守恒方程，公式(2)能量方程，公式(3)流线方程和公式(4)自由涡方程来设计所述蜗壳几何模型；

m_in＝m_out (1)

v_θ·r＝const(4)