[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

摘要

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。

主权项

1.一种径‑轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：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轴为垂直叶轮轴线且从叶根到叶顶方向，根据透平膨胀机叶轮的基本几何参数，给定初始方程指数，采用Lamé椭圆方程描述子午面hub曲线和shroud曲线并计算；S02：选定子午面控制线，根据导流段弯曲型线计算方程及二维‑三维坐标变换，计算三维叶片吸力面和压力面上控制线的控制点坐标；S03：计算等流线位置处通流面积，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；S04：根据通流面积随流线位置的变化曲线判断子午面流道是否光滑或设计是否符合实际要求；如果是，则得到子午面hub曲线和shroud曲线的控制点坐标以及三维叶片吸力面和压力面上控制线的控制点坐标，如果否，则修改初始方程指数，重新计算；所述步骤S02包括：S21：在对应的子午面上选取包括hub曲线和shroud曲线的多条子午面控制线，得到叶片表面上所有子午面控制线上的点坐标；S22：第J条子午面控制线上第K个控制点对应的坐标为(zMJK,rMJK)，该控制点对应着压力面和吸力面上的两个控制点，根据zMJK位于直线膨胀段或者弯曲导流段分为两种情况：1)当zMJK式中，Bt为轴向总长度，b为控制导流段弯曲程度的系数；而p则为与几何参数和热力参数有关的系数，其计算表达式为：其中，c2为叶轮出口气流绝对速度，n为转速；则根据叶片厚度为δ得对应的压力面(PS)和吸力面(SS)在二维圆柱展开后控制点坐标分别为：zPSJK＝zMJK,yPSJK＝yMPJK‑δ/2zSSJK＝zMJK,ySSJK＝yMPJK‑δ/2S23：建立叶轮的三维x‑y‑z坐标系，以叶轮的旋转轴且顺气流方向为Z轴正向，以叶轮半径r方向为x轴正向，以垂直于x轴和z轴且满足右手定则的为y轴正向，以叶轮叶片中间面的进口点与z轴的垂直交点为原点，已知压力面和吸力面上二维圆柱展开后控制点的坐标(zPSJK,yPSJK)和(zSSJK,ySSJK)，则通过二维‑三维的坐标变化得到x‑y‑z坐标系下压力面和吸力面上控制线上的点坐标分别为：式中，角度θP和θS由下式求得：最终得到叶轮压力面和吸力面上的所有条控制线上的N2个控制点的三维坐标，N2表示hub曲线或shroud曲线按等弧长进行划分后的段数。