CN101149061A - 一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，该离心叶轮为带导风轮、后弯、开式叶轮；该叶轮由7片大叶片和7片分流叶片组成，导风轮和叶轮为一体；叶轮进口轮毂半径为9.5mm，进口叶尖半径为31.5mm，叶轮出口半径为43.7mm，叶轮出口宽度为6.5mm，钝尾缘，出口后弯角为7°；该离心叶轮采用三次Bezier函数定义离心叶轮在同轴的不同半径的截面上的叶型曲线。

Description

一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮

(一)技术领域：

本发明涉及一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮叶型，属于叶轮机械离心压气机叶轮技术领域。

(二)背景技术：

近年来，微小型无人机、靶机、巡航导弹以及各类轻型微型飞行器，在现代军事领域得到了广泛的运用和快速发展，国内外针对微型涡轮发动机的研制工作受到越来越多的重视，并且已经发展成为一个新的研究领域。微小型涡轮发动机具有重量轻、功率大、推重比高、能量密度大等优点，在军用和民用领域有着广阔的应用前景。离心压气机特性平缓，单级压比较高，加工工艺较好，被主要应用于微型涡轮发动机中。对微小型涡轮发动机的研究趋势是进一步提高推重比的同时降低燃油消耗率，作为其关键部件，设计得到高性能的微小型离心压气机将直接影响着微型涡轮发动机的性能。可靠、完善的离心叶轮设计，对离心压气机的性能产生重大的影响，并直接关系到发动机的整机性能。高转速、高压比、进口跨音等工作要求，同时要保证得到较好的工作效率，增加了离心叶轮的设计难度。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，采用几何成型方法，得到一微小型离心叶轮，该离心叶轮为带导风轮、后弯、开式叶轮，叶轮叶型采用三次Bezier函数进行参数化定义。经过计算流体动力学(即CFD)数值计算以及试验测试，验证该叶轮性能较好，叶轮效率达到79.3％。

本发明为一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，其技术方案为：该离心叶轮为带导风轮、后弯、开式叶轮。该叶轮由7片大叶片和7片分流叶片组成，导风轮(图中未示)和叶轮为一体。叶轮进口轮毂半径为9.5mm，进口叶尖半径为31.5mm，叶轮出口半径为43.7mm，叶轮出口宽度为6.5mm，钝尾缘，出口后弯角为7°。本发明采用三次Bezier函数定义离心叶轮在同轴的不同半径的截面上的叶型曲线。

一个n次Bezier通常可以表示为：

$Q\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{B}_i^n\left(t\right)$

其中Q(t)为曲线上任一点的坐标，p_i(0≤i≤n)为曲线控制点的相应作标值，B_i ⁿ(t)为波恩斯坦(即Bernstein)多项式，由以下关系式给出：

$B_i^n\left(t\right)=(1-t)B_i^{n-1}\left(t\right)+t{B}_{i-1}^{n-1}\left(t\right)$

利用三次Bezier函数确定一条曲线只需要四个控制点，其中两个是端点，另外两个控制端点的斜率。三次Bezier函数可以表示为：

Q(t)＝(1-t)³P₁+3t(1-t)²P₂+3t²(1-t)P₃+t³P₄

其中Q是曲线上一个点的三维坐标中的某一个，P_i是相应四个控制点的坐标，参数t的变化范围是[0，1]。

叶盆和叶背分别选择三个截面，得到三条曲线，图1是大叶片的叶型截面示意图，叶型曲线分别描述如下：

大叶片I截面上得到的型线以及叶型如图2：

叶盆：

P₁＝(19.9，3.0)，P₂＝(6.119，8.595)

P₃＝(5.686，18.791)，P₄＝(4.58，24.52)

叶背：

P₁＝(2.05，23.81)，P₂＝(3.861，15.927)

P₃＝(4.492，7.65)，P₄＝(17.27，3.0)

大叶片II截面上得到的型线以及叶型如图3：

叶盆：

P₁＝(17.78，7.96)，P₂＝(5.91，14.67)

P₃＝(4.71，22.48)，P₄＝(4.34，33.28)

叶背：

P₁＝(1.2，33.08)，P₂＝(6.1084，1.773)

P₃＝(6.02，12.218)，P₄＝(17.78，7.22)

大叶片III截面上得到的型线及叶型如图4：

叶盆：

P₁＝(3.62，29.41)，P₂＝(3.42，30.6)

P₃＝(2.306，35.552)，P₄＝(1.87，37.44)

叶背：

P₁＝(0.37，37.44)，P₂＝(1.432，34.02)

P₃＝(1.693，33.205)，P₄＝(2.92，29.36)

图5是分流叶片的叶型截面示意图，叶型曲线分别描述如下：

分流叶片I截面上得到的型线及叶型如图6：

叶盆：

P₁＝(-1.15，14.0)，P₂＝(-1.622，16.573)

P₃＝(-2.615，21.283)，P₄＝(-3.05，24.03)

叶背：

P₁＝(-4.67，24.56)，P₂＝(-4.085，21.171)

P₃＝(-3.3，18.6)，P₄＝(-2.15，14.0)

分流叶片II截面上得到的型线及叶型如图7：

叶盆：

P₁＝(-3.85，14.0)，P₂＝(-7.005，21.772)

P₃＝(-7.21，22.662)，P₄＝(-8.88，33.91)

叶背：

P₁＝(-10.76，34.26)，P₂＝(-6.979，20.114)

P₃＝(-9.754，27.045)，P₄＝(-4.82，14.0)

分流叶片III截面上得到的型线及叶型如图8：

叶盆：

P₁＝(-12.3，27.76)，P₂＝(-12.54，29.172)

P₃＝(-13.44，34.2)，P₄＝(-14.15，37.25)

叶背：

P₁＝(-15.8，37.38)，P₂＝(-15.55，36.604)

P₃＝(-14.59，33.04)，P₄＝(-12.78，27.92)

这样，通过叶轮型面在不同半径截面上的曲线，就可以得到整个叶轮的型面。

本发明一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，其优点及功效在于：

1、设计方法简单，直接确定制造截面上的叶型数据，方便加工；

2、本叶轮在高转速(112000r/min)下工作，叶轮效率达到79.3％，压气机整级压比达到4，效率达到70％。

(四)附图说明：

图1所示为大叶片叶型截面示意图

图2所示为大叶片I截面上的叶型

图3所示为大叶片II截面上的叶型

图4所示为大叶片III截面上的叶型

图5所示为分流叶片叶型截面示意图

图6所示为分流叶片I截面上的叶型

图7所示为分流叶片II截面上的叶型

图8所示为分流叶片III截面上的叶型

图9所示为离心叶轮三维实体右视图

图中具体标号为：

1、叶盆    2、叶背    3、大叶片    4、小叶片

(五)具体实施方式：

本发明为一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，其技术方案为：该离心叶轮为带导风轮、后弯、开式叶轮。该叶轮由7片大叶片和7片分流叶片组成，导风轮(图中未示)和叶轮为一体。叶轮进口轮毂半径为9.5mm，进口叶尖半径为31.5mm，叶轮出口半径为43.7mm，叶轮出口宽度为6.5mm，钝尾缘，出口后弯角为7°。本发明采用三次Bezier函数定义离心叶轮在同轴的不同半径的截面上的叶型曲线。

一个n次Bezier通常可以表示为：

$Q\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{B}_i^n\left(t\right)$

其中Q(t)为曲线上任一点的坐标，p_i(0≤i≤n)为曲线控制点的相应作标值，B_i ⁿ(t)为波恩斯坦(即Bernstein)多项式，由以下关系式给出：

$B_i^n\left(t\right)=(1-t)B_i^{n-1}\left(t\right)+t{B}_{i-1}^{n-1}\left(t\right)$

利用三次Bezier函数确定一条曲线只需要四个控制点，其中两个是端点，另外两个控制端点的斜率。三次Bezier函数可以表示为：

Q(t)＝(1-t)³P₁+3t(1-t)²P₂+3t²(1-t)P₃+t³P₄

其中Q是曲线上一个点的三维坐标中的某一个，P_i是相应四个控制点的坐标，参数t的变化范围是[0，1]。

叶盆和叶背分别选择三个截面，得到三条曲线，图1是大叶片的叶型截面示意图，叶型曲线分别描述如下：

大叶片I截面上得到的型线以及叶型如图2：

叶盆：

P₁＝(19.9，3.0)，P₂＝(6.119，8.595)

P₃＝(5.686，18.791)，P₄＝(4.58，24.52)

叶背：

P₁＝(2.05，23.81)，P₂＝(3.861，15.927)

P₃＝(4.492，7.65)，P₄＝(17.27，3.0)

大叶片II截面上得到的型线以及叶型如图3：

叶盆：

P₁＝(17.78，7.96)，P₂＝(5.91，14.67)

P₃＝(4.71，22.48)，P₄＝(4.34，33.28)

叶背：

P₁＝(1.2，33.08)，P₂＝(6.1084，1.773)

P₃＝(6.02，12.218)，P₄＝(17.78，7.22)

大叶片III截面上得到的型线及叶型如图4：

叶盆：

P₁＝(3.62，29.41)，P₂＝(3.42，30.6)

P₃＝(2.306，35.552)，P₄＝(1.87，37.44)

叶背：

P₁＝(0.37，37.44)，P₂＝(1.432，34.02)

P₃＝(1.693，33.205)，P₄＝(2.92，29.36)

图5是分流叶片的叶型截面示意图，叶型曲线分别描述如下：分流叶片I截面上得到的型线及叶型如图6：

叶盆：

P₁＝(-1.15，14.0)，P₂＝(-1.622，16.573)

P₃＝(-2.615，21.283)，P₄＝(-3.05，24.03)

叶背：

P₁＝(-4.67，24.56)，P₂＝(-4.085，21.171)

P₃＝(-3.3，18.6)，P₄＝(-2.15，14.0)

分流叶片II截面上得到的型线及叶型如图7：

叶盆：

P₁＝(-3.85，14.0)，P₂＝(-7.005，21.772)

P₃＝(-7.21，22.662)，P₄＝(-8.88，33.91)

叶背：

P₁＝(-10.76，34.26)，P₂＝(-6.979，20.114)

P₃＝(-9.754，27.045)，P₄＝(-4.82，14.0)

分流叶片III截面上得到的型线及叶型如图8：

叶盆：

P₁＝(-12.3，27.76)，P₂＝(-12.54，29.172)

P₃＝(-13.44，34.2)，P₄＝(-14.15，37.25)

叶背：

P₁＝(-15.8，37.38)，P₂＝(-15.55，36.604)

P₃＝(-14.59，33.04)，P₄＝(-12.78，27.92)

这样，通过叶轮型面在不同半径截面上的曲线，就可以得到整个叶轮的型面。

综上，根据上述大叶片和小叶片各个截面叶型的控制点，应用Bezier曲线方程生成叶型几何，然后分别将大叶片和小叶片按照各个截面的顺序积叠生成三维叶片。

Claims (3)

1.一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，其特征在于：该离心叶轮为带导风轮、后弯、开式叶轮；该叶轮由7片大叶片和7片分流叶片组成，导风轮和叶轮为一体；叶轮进口轮毂半径为9.5mm，进口叶尖半径为31.5mm，叶轮出口半径为43.7mm，叶轮出口宽度为6.5mm，钝尾缘，出口后弯角为7°；该离心叶轮采用三次Bezier函数定义离心叶轮在同轴的不同半径的截面上的叶型曲线。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，其特征在于：该离心叶轮适用于设计转速为112000r/min左右的高转速微小型喷气发动机或燃气轮机。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高转速条件下工作的离心叶轮，其特征在于：该离心叶轮大叶片和小叶片各个截面叶型分别由Bezier函数按照指定控制点进行描述。

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