CN102054099B - 一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法和装置，通过采用三维涡面方法设计导叶的空间叶型，能够保证其具有较小的绕流损失，并且可以为转轮做功提供必需的全部环量。以导叶出口边紧贴于密合基线构成的密合平面为优化目标，以速度矩分布控制参数作为优化变量，通过有序地改变各变量的数值，逐步设计得到能够密合的叶型。该方法设计出来的锥形空间导叶具有良好的水力性能，并且有足够的精度实现紧闭密合，可以同时满足流动和结构的双重要求。

Description

一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法和装置

技术领域

本发明涉及水力机械技术领域，特别是涉及一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法和装置。

背景技术

贯流式水轮机具有流动轴向贯通、过流能力大、比转速高、运行性能良好、结构紧凑等显著特点，广泛应用于25m以下的低水头大中型内陆电站和潮汐电站中。

大型贯流式水轮机多采用斜向导水机构，活动导叶分布在锥形面上，称为锥形导叶。由于贯流式机组没有蜗壳，固定导叶通常只起到支撑作用而不改变液流的环量，转轮做功所需的环量全部由活动导叶提供，所以活动导叶的性能对机组运行状况有直接影响。同时，机组停机时，为了截断水流，活动导叶在关闭位置上要能够互相密合。因此，锥形导叶需要同时满足性能和结构的要求。

目前，锥形导叶的设计方法可以分为两类。一类是先通过等势流等理论设计出具有较好水力性能的空间曲面叶型，再通过切削厚度、调整尾缘曲度等方式来满足密合要求，但在改变叶片形状时会对其流动性能产生不可预计的影响。另一类是推导叶型各个截面上密合线的计算公式，使其严格密合，但将各截面叶型拼合成导叶体时可能出现几何形状相互干涉或者不光顺的情况，并且难以控制和保证导叶的流动性能。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法和装置，以解决现有技术中存在的问题，保证空间导叶具有良好水力性能的同时，叶型能够满足密合的要求，有效保证导叶能够紧密关闭。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法和装置，保证空间导叶具有良好水力性能的同时，叶型能够满足密合的要求，有效保证导叶能够紧密关闭。

为了解决上述问题，本发明公开了一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法，所述方法包括：

选定导叶叶型的二维轴面流道形状；

在选定的二维轴面流道内划分网格，获取有限个离散的计算节点二维坐标(r，z)；其中，垂直于流向的网格是经过导叶旋转中心点O_g的直线；

获取各计算节点上的叶片厚度(t_θ)值；

获取各计算节点上的速度矩(v_θr)值；

依据所获取的各计算节点的二维坐标(r，z)、叶片厚度(t_θ)值、速度矩(v_θr)值，获取叶片正面和背面上各计算节点的三维坐标(r，θ，z)；

判断导叶出口边与导叶头部区域内选定为密合基线的网格线是否共面：

若是，则输出各计算节点的三维坐标(r，f，z)；

若否，则调整速度矩值，直到判定为共面；其中，判定结果在预设收敛精度范围即为共面；

将密合基线和出口边上各节点的角坐标分别按其平均值调整为直线，并对其余网格节点进行线性调整，获取最终的三维导叶形状(r，f’，z)。

优选的，所述选定导叶叶型的二维轴面流道形状，包括以下子步骤：

确定导叶旋转中心点O_g；

确定浆叶旋转中心点O_r；

确定导叶高度b₀；

确定导叶旋转轴与转轮旋转轴的倾角α；

确定进口边与出口边的轴面夹角β。

优选的，所述出口边选定为经过导叶旋转中心O_g点的直线。

优选的，采用单纯性加速法调整速度矩值。

优选的，所述选定为密合基线的网格线为两条或三条。

本发明还提供一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计装置，所述装置包括：

第一选定模块，用于选定导叶叶型的二维轴面流道形状；

第一获取模块，用于在选定的二维轴面流道内划分网格，获取有限个离散的计算节点二维坐标(r，z)；其中，垂直于流向的网格是经过导叶旋转中心点O_g的直线；

第二获取模块，用于获取各计算节点上的叶片厚度(t_θ)值；

第三获取模块，用于获取各计算节点上的速度矩(v_θr)值；

第四获取模块，用于依据所获取的各计算节点的二维坐标(r，z)、叶片厚度(t_θ)值、速度矩(v_θr)值，获取叶片正面和背面上各计算节点的三维坐标(r，θ，z)；

判定模块，用于判断导叶出口边与导叶头部区域内选定为密合基线的网格线是否共面；其中，判定结果在预设收敛精度范围即为共面；

第一处理模块，用于当判定模块判定为是时，输出各计算节点的三维坐标(r，f，z)；

第二处理模块，用于当判定模块判定为否时，调整速度矩值，直到判定为共面；

第五获取模块，用于将密合基线和出口边上各节点的角坐标分别按其平均值调整为直线，并对其余网格节点进行线性调整，获取最终的三维导叶形状(r，f’，z)。

优选的，所述第一选定模块具体包括以下子模块：

第一确定子模块，用于确定导叶旋转中心点O_g；

第二确定子模块，用于确定浆叶旋转中心点O_r；

第三确定子模块，用于确定导叶高度b₀；

第四确定子模块，用于确定导叶旋转轴与转轮旋转轴的倾角α；

第五确定子模块，用于确定进口边与出口边的轴面夹角β。

优选的，所述出口边选定为经过导叶旋转中心O_g点的直线。

优选的，采用单纯性加速法调整速度矩值。

优选的，所述选定为密合基线的网格线为两条或三条。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过采用三维涡面方法设计导叶的空间叶型，能够保证其具有较小的绕流损失，并且可以为转轮做功提供必需的全部环量。以导叶出口边紧贴于密合基线构成的密合平面为优化目标，以速度矩分布控制参数作为优化变量，通过有序地改变各变量的数值，逐步设计得到能够密合的叶型。该方法设计出来的锥形空间导叶具有良好的水力性能，并且有足够的精度实现紧闭密合，可以同时满足流动和结构的双重要求。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法的流程图；

图2是本发明实施例一所述的轴面流道示意图；

图3是本发明实施例一所述的叶片区内沿流线的速度矩(v_θr)分布示意图；

图4是本发明实施例一所述的轴面流道形状和网格划分示意图；

图5是本发明实施例一所述的初始给定的速度矩分布示意图；

图6是本发明实施例一所述的叶片厚度分布示意图；

图7是本发明实施例一所述的目标函数的收敛曲线示意图；

图8是本发明实施例一所述的在从进水口至出水口的全流道进行三维湍流数值模拟中流道示意图；

图9是本发明实施例二所述的一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1，示出了本发明的一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法的流程图，所述方法具体包括：

步骤S101，选定导叶叶型的二维轴面流道形状；

优选的，所述选定导叶叶型的二维轴面流道形状，包括以下子步骤：

确定导叶旋转中心点O_g；

确定浆叶旋转中心点O_r；

确定导叶高度b₀；

确定导叶旋转轴与转轮旋转轴的倾角α；

确定进口边与出口边的轴面夹角β。

优选的，所述出口边选定为经过导叶旋转中心O_g点的直线。

根据机组的水力参数和尺寸，选定活动导叶及上、下游流道的轴面流道，确定导叶旋转中心点O_g到转轮旋转中心点O_r的距离L₁、导叶高度b₀、倾角α、进口边与出口边的轴面夹角β等参数值，其中，为了利于满足密合要求，出口边选定为经过导叶旋转中心O_g点的直线，轴面流道示意图见图2。

步骤S102，在选定的二维轴面流道内划分网格，获取有限个离散的计算节点二维坐标(r，z)；其中，垂直于流向的网格是经过导叶旋转中心点O_g的直线；

以上游段、导叶叶片段、下游段的流道作为计算区域，划分出近似正交的计算网格，其中，在导叶叶片区内，垂直于流向的网格都是经过O_g点的直线。

步骤S103，获取各计算节点上的叶片厚度(t_θ)值；

步骤S104，获取各计算节点上的速度矩(v_θr)值；

参见图3所示为叶片区内沿流线的速度矩(v_θr)分布示意图，其中，y₀、y_1/3、y_2/3和y₁分别表示导叶进口、1/3长度、2/3长度和出口处的速度矩值，α₀和α₁分别表示进口和出口处的夹角，该六个参数可以拟合出一个五次多项式来描述整条流线上的分布规律，分别给定外缘和内缘上的参数值，计算出叶片区内这两条流线上其余网格节点上的速度矩值，上游和下游侧速度矩分别按照导叶进口和出口给定为恒定值。

中间流线各节点上的速度矩值通过幂函数的形式计算出，即，对于垂直于流向的第i个、沿流向的第j个网格节点上，其速度矩大小为

${\left(v_{\mathrm{\θ}}r\right)}_{\mathrm{ij}}={\left(\frac{\sqrt{{(r_{\mathrm{ij}}-r_{i1})}^2+{(z_{\mathrm{ij}}-z_{i1})}^2}}{\sqrt{{(r_{\mathrm{im}}-r_{i1})}^2+{(z_{\mathrm{im}}-z_{i1})}^2}}\right)}^a({\left(v_{\mathrm{\θ}}r\right)}_{\mathrm{im}}-{\left(v_{\mathrm{\θ}}r\right)}_{i1})+{\left(v_{\mathrm{\θ}}r\right)}_{i1}$

其中，(r，θ，z)为圆柱坐标，a为幂指数，j＝1表示内缘，j＝m表示外缘，沿流向网格数为m；

步骤S105，依据所获取的各计算节点的二维坐标(r，z)、叶片厚度(t_θ)值、速度矩(v_θr)值，获取叶片正面和背面上各计算节点的三维坐标(r，θ，z)；

为了得到较好的水力性能，采用三维涡面法设计导叶的空间叶型，假定流动是定常、无粘性且不可压缩的，用涡代替叶片，用源汇代替厚度对流场的作用，流动分解成周向平均流动

和周期脉动流动

进行计算，由Euler方程平均化可推导出平均流动满足：

${\stackrel{\‾}{v}}_r=-\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\Ψ}}{\∂z}+\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂r}$ ①

${\stackrel{\‾}{v}}_z=\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\Ψ}}{\∂r}+\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂z}$ ②

$\frac{\∂}{\∂r}\left(\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\Ψ}}{\∂r}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\Ψ}}{\∂z}\right)=-\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂r}\frac{\∂f}{\∂z}+\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂z}\frac{\∂f}{\∂r}+\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}^2}[\frac{\∂\stackrel{\‾}{E}}{\∂r}({\stackrel{\‾}{v}}_z+{\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}\frac{r\∂f}{\∂z})-\frac{\∂\stackrel{\‾}{E}}{\∂z}({\stackrel{\‾}{v}}_r+v_{\mathrm{\θ}}\frac{r\∂f}{\∂r})]$ ③

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂r}+\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{{\∂z}^2}=\stackrel{\‾}{K}=\frac{B}{2\mathrm{\πr}}[\frac{\∂}{\∂r}\left(t_{\mathrm{\θ}}{\stackrel{\‾}{v}}_r\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(t_{\mathrm{\θ}}{\stackrel{\‾}{v}}_z\right)]$ ④

其中，Ψ是流函数，Φ是势函数，f是叶片角坐标，v_θr是速度矩，E是单位质量流体具有的机械能，t_θ是叶片的周向厚度，B是导叶数；脉动流动的势函数控制方程通过Clebsch变换并进行Fourier展开得到：

$\frac{{\∂}^2{\mathrm{\φ}}_k^c}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_k^c}{\∂r}+\frac{{\∂}^2{\mathrm{\φ}}_k^c}{{\∂z}^2}\frac{k^2{B}^2}{r^2}{\mathrm{\φ}}_k^c=2\cos \left(\mathrm{kBf}\right)\stackrel{\‾}{K}-$

$2\cos \left(\mathrm{kBf}\right)(\frac{\∂f}{\∂r}\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂r}+\frac{\∂f}{\∂z}\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂z})-\frac{2}{\mathrm{kB}}\sin \left(\mathrm{kBf}\right)(\frac{{\∂}^2\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂r}+\frac{{\∂}^2\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{{\∂z}^2})$ ⑤

$\frac{{\∂}^2{\mathrm{\φ}}_k^s}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_k^s}{\∂r}+\frac{{\∂}^2{\mathrm{\φ}}_k^s}{{\∂z}^2}-\frac{k^2{B}^2}{r^2}{\mathrm{\φ}}_k^s=2\sin \left(\mathrm{kBf}\right)\stackrel{\‾}{K}-$

$2\sin \left(\mathrm{kBf}\right)(\frac{\∂f}{\∂r}\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂r}+\frac{\∂f}{\∂z}\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂z})+\frac{2}{\mathrm{kB}}\cos \left(\mathrm{kBf}\right)(\frac{{\∂}^2\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{\∂r}+\frac{{\∂}^2\left({\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r\right)}{{\∂z}^2})$ ⑥

其中，φ^c和φ^s分别是Fourier展开式中余弦项和正弦项对应的脉动流动的势函数，k为展开式的项数；由不可穿透壁面条件建立叶片方程：

$\mathrm{df}=\frac{{\stackrel{\‾}{v}}_{\mathrm{\θ}}r+{\tilde{v}}_{\mathrm{\θ}}r}{r^2{\stackrel{\‾}{v}}_m}\mathrm{ds}$ ⑦

其中，v_m是轴面速度；s是流线长度；

计算域的进口和出口分别给定均匀来流和出流条件，上冠和下环给定不可穿透条件，流动方程采用九节点Galerkin有限元方法求解，叶片方程通过积分法求解，计算步骤为：

1)选取设计参数，给定初始叶型，

2)根据①～④式及相应边界条件求解出平均流场，

3)根据⑤和⑥式及相应边界条件求解出脉动流场，

4)将2)和3)步计算出的平均流场与脉动流场相叠加，得到总的三维流场，并由⑦式得到新的叶型；也即获取叶片正面和背面上各计算节点的三维坐标(r，θ，z)；

步骤S106，判断导叶出口边与导叶头部区域内选定为密合基线的网格线是否共面：

若是，则执行步骤S107；

若否，则执行步骤S108；

步骤S107，输出各计算节点的三维坐标(r，f，z)；

步骤S108，调整速度矩值，直到判定为共面；其中，判定结果在预设收敛精度范围即为共面；

优选的，采用单纯性加速法调整速度矩值。

更为优选的，所述选定为密合基线的网格线为两条或三条。

将新叶型与原叶型比较，如果对应各节点上的角坐标之差在允许的精度范围内，则设计完成，输出叶片上各节点坐标，精度范围可根据具体的设计进行设定。

若则通过调整速度矩值，直到判定为共面；其中，判定结果在预设收敛精度范围即为共面；

估算完全关闭时导叶出口边与头部搭接的近似位置，选择此位置处相邻的两条或三条垂直于流向的网格线作为密合基线，在轴面投影图中，密合基线与出口边都给定为直线，如果各条密合基线上各节点的周向坐标分别相等，导叶出口边上各节点的周向坐标相等，那么密合基线和出口边都将是过O_g点的空间直线，完全关闭时出口边将与其中两条密合基线共处于同一平面(即密合平面)内，则满足密合要求，定义：

$F\left(X\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=i_0~i_0+n_0-1,i_t}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(f_{\mathrm{ij}}-\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{ij}})}^2}{m\·(n_0+1)}}$

其中，n₀是密合线的条数，i₀是第一条密合基线对应网格的编号，i₀+n₀-1是最后一条密合基线网格的编号，i_t是导叶出口边网格的编号，X是由设计参数构成的向量，F(X)表征了各条密合基线和出口边的线性度，函数值越小表明线性度越高，导叶密合性越好，函数值等于0时表示完全紧闭密合，导叶密合问题转化成求解F(X)的最小值问题，采用收敛速度较快的单纯性加速法，经过反射、缩小与放大步长、压缩单纯形等步骤，逐步求解出函数的最小值；

步骤S109，将密合基线和出口边上各节点的角坐标分别按其平均值调整为直线，并对其余网格节点进行线性调整，获取最终的三维导叶形状(r，f’，z)。

由于计算精度等原因，F(X)难以严格等于0，为能够完全密合，将密合基线和出口边上各节点的角坐标分别按其平均值调整为直线，并对其余网格节点进行线性调整，以保证叶片形状光滑，即

$f_{\mathrm{ij}}^{\′}=\stackrel{\‾}{f_i}=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{ij}}(j=1~m,i=i_0~i_0+n_0-1,i_t)$ ⑧

$f_{\mathrm{ij}}^{\′}=(\stackrel{\‾}{f_{i_0}}-f_{i_{1}j})\frac{f_{\mathrm{ij}}-f_{i_{1}j}}{f_{i_{0}j}-f_{i_{1}j}}+f_{i_{1}j}(j=1~m,i=i_1~i_0-1)$ ⑨

$f_{\mathrm{ij}}^{\′}=(\stackrel{\‾}{f_{(i_0+n_0-1)j}}-f_{i_t,j})\frac{f_{\mathrm{ij}}-f_{i_{t}j}}{f_{(i_0+n_0-1)j}-f_{i_{t}j}}+f_{i_{t}j}(j=1~m,i=i_0+n_0~i_t-1)$ ⑩

其中，f’表示调整后的角坐标，i₁是导叶进口边对应网格的编号。

所述线性调整用简单的实例描述为如：将(1，2，3)中的3调整为4，若1不变，则相应的将2调整为2.5，以确保调整后的第二个数字仍为前后两个数字的平均值。

为了验证设计方法的有效性，对一低水头灯泡贯流式机组的空间导叶叶型进行了密合设计，并采用全流道三维湍流模拟预估了导叶的水力性能，结果证明，设计出的导叶叶型能够满足紧闭密合的要求，并且水力损失较小。

大型贯流式机组的活动导叶大多采用三维曲面叶型，比平板或圆柱叶型相比，这种空间叶型的水力流动性能好，但是在结构上较难密合。本发明建立的空间导叶设计方法，既能保证流动损失小，又能实现紧闭密合，可同时满足性能和结构的双重要求。

下面通过实际应用中的实例做进一步的介绍：

针对某低水头灯泡贯流式电站，选取的活动导叶设计参数见表：

表1  活动导叶的设计参数

轴面流道形状和网格划分见图4，其中，垂直于流向网格数n＝81，沿流向网格数m＝21，导叶进口网格数i₁＝31，出口网格数i_t＝51，初始给定的速度矩分布见图5。叶片厚度分布见图6。按照三维涡面模型设计出导叶的初始叶型，估算密合面的近似位置，选取i＝34至i＝36三条网格线作为密合基准线，即i₀＝34，n₀＝3。

向量X由表征几何尺寸和表征流动状态的两类设计参数组成，可写为：

X＝(L₁，b₀，α，B，α_0i，α_1i，y_0i，y_1/3i，y_2/3i，y_1i，α_0o，α_1o，y_0o，y_1/3o，y_2/3o，y_1o，a，......)

其中，下标i表示内缘参数，下标o表示外缘参数。其余参数保持不变，仅选择控制速度矩分布的部分参数作为控制变量：

X＝(α_1i，y_1/3i，y_2/3i，y_1i，α_1o，y_1/3o，y_2/3o，a)

采用单纯形加速法，以F(X)作为目标函数，通过有序地改变上述8个参数的大小，拟合出不同的速度矩分布形式，设计出不同的导叶叶型，逐步寻找到函数F(X)的最小值，即密合性最好的叶型。收敛的相对精度取为0.0001。控制变量的初始值和收敛值见表2，目标函数的收敛曲线见图7。可见收敛始，目标函数值为0.104度，不严格等于0，因此，需要按照⑧～⑩式调整坐标使其完全密合。

表2  控制变量的初始值和收敛值

为了设计导叶叶型的水力性能，在设计工况下对从进水口至出水口的全流道进行三维湍流数值模拟，流道示意图见图8，其中包括泡体段、活动导叶段、转轮段和尾水段。计算结果见表3。考虑密合性能后，导叶段的水头损失为0.0372m，仅占设计水头的1.24％，转轮效率为92.20％。按照⑧～⑩式调整坐标后，导叶段损失以及转轮效率值的变化都十分微小。

表3  湍流模拟计算结果

以上计算结果表明，本专利提出的锥形空间导叶三维设计方法，能够保证导叶具有较好的水力性能，并且有足够的精度实现紧闭密合，可同时满足流动和结构上的双重要求。

实施例二：

参照图9，示出了本发明的一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计装置的结构图，所述装置具体包括：

第一选定模块901，用于选定导叶叶型的二维轴面流道形状；

优选的，所述第一选定模块901具体包括以下子模块：

第一确定子模块9011，用于确定导叶旋转中心点O_g；

第二确定子模块9012，用于确定浆叶旋转中心点O_r；

第三确定子模块9013，用于确定导叶高度b₀；

第四确定子模块9014，用于确定导叶旋转轴与转轮旋转轴的倾角α；

第五确定子模块9015，用于确定进口边与出口边的轴面夹角β。

第一获取模块902，用于在选定的二维轴面流道内划分网格，获取有限个离散的计算节点二维坐标(r，z)；其中，垂直于流向的网格是经过导叶旋转中心点O_g的直线；

第二获取模块903，用于获取各计算节点上的叶片厚度(t_θ)值；

第三获取模块904，用于获取各计算节点上的速度矩(v_θr)值；

第四获取模块905，用于依据所获取的各计算节点的二维坐标(r，z)、叶片厚度(t_θ)值、速度矩(v_θr)值，获取叶片正面和背面上各计算节点的三维坐标(r，θ，z)；

判定模块906，用于判断导叶出口边与导叶头部区域内选定为密合基线的网格线是否共面；其中，判定结果在预设收敛精度范围即为共面；

优选的，所述选定为密合基线的网格线为两条或三条。

优选的，所述出口边选定为经过导叶旋转中心O_g点的直线。

第一处理模块907，用于当判定模块判定为是时，输出各计算节点的三维坐标(r，f，z)；

第二处理模块908，用于当判定模块判定为否时，调整速度矩值，直到判定为共面；

优选的，采用单纯性加速法调整速度矩值。

第五获取模块909，用于将密合基线和出口边上各节点的角坐标分别按其平均值调整为直线，并对其余网格节点进行线性调整，获取最终的三维导叶形状(r，f’，z)。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计方法，其特征在于，所述方法包括：

选定导叶叶型的二维轴面流道形状；

在选定的二维轴面流道内划分网格，获取有限个离散的计算节点二维坐标(r，z)；其中，垂直于流向的网格是经过导叶旋转中心点O_g的直线；

获取各计算节点上的叶片厚度(t_θ)值；

获取各计算节点上的速度矩(v_θr)值；

采用三维涡面法设计导叶的空间叶型，用涡代替叶片，用源汇代替厚度对流场的作用，流动分解成周向平均流动和周期脉动流动；

选取设计参数，给定初始叶型；

依据所获取的各计算节点的二维坐标(r，z)、叶片厚度(t_θ)值、速度矩(v_θr)值，求解出平均流场；

求解出脉动流场；

将计算出的平均流场与脉动流场相叠加，得到总的三维流场，获取叶片正面和背面上各计算节点的三维坐标(r，θ，z)；

判断导叶出口边与导叶头部区域内选定为密合基线的网格线是否共面：

若是，则输出各计算节点的三维坐标(r，f，z)；

若否，则调整速度矩值，直到判定为共面；其中，判定结果在预设收敛精度范围即为共面；

将密合基线和出口边上各节点的角坐标分别按其平均值调整为直线，并对其余网格节点进行线性调整，获取最终的三维导叶形状(r，f’，z)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定导叶叶型的二维轴面流道形状，包括以下子步骤：

确定导叶旋转中心点O_g；

确定浆叶旋转中心点O_r；

确定导叶高度b₀；

确定导叶旋转轴与转轮旋转轴的倾角α；

确定进口边与出口边的轴面夹角β。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述出口边选定为经过导叶旋转中心O_g点的直线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

采用单纯性加速法调整速度矩值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述选定为密合基线的网格线为两条或三条。

6.一种贯流式锥形空间导叶三维密合设计装置，其特征在于，所述装置包括：

第一选定模块，用于选定导叶叶型的二维轴面流道形状；

第一获取模块，用于在选定的二维轴面流道内划分网格，获取有限个离散的计算节点二维坐标(r，z)；其中，垂直于流向的网格是经过导叶旋转中心点O_g的直线；

第二获取模块，用于获取各计算节点上的叶片厚度(t_θ)值；

第三获取模块，用于获取各计算节点上的速度矩(v_θr)值；

第四获取模块，用于采用三维涡面法设计导叶的空间叶型，用涡代替叶片，用源汇代替厚度对流场的作用，流动分解成周向平均流动和周期脉动流动，选取设计参数，给定初始叶型，依据所获取的各计算节点的二维坐标(r，z)、叶片厚度(t_θ)值、速度矩(v_θr)值，求解出平均流场，求解出脉动流场，将计算出的平均流场与脉动流场相叠加，得到总的三维流场，获取叶片正面和背面上各计算节点的三维坐标(r，θ，z)；

判定模块，用于判断导叶出口边与导叶头部区域内选定为密合基线的网格线是否共面；其中，判定结果在预设收敛精度范围即为共面；

第一处理模块，用于当判定模块判定为是时，输出各计算节点的三维坐标(r，f，z)；

第二处理模块，用于当判定模块判定为否时，调整速度矩值，直到判定为共面；

第五获取模块，用于将密合基线和出口边上各节点的角坐标分别按其平均值调整为直线，并对其余网格节点进行线性调整，获取最终的三维导叶形状(r，f’，z)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一选定模块具体包括以下子模块：

第一确定子模块，用于确定导叶旋转中心点O_g；

第二确定子模块，用于确定浆叶旋转中心点O_r；

第三确定子模块，用于确定导叶高度b₀；

第四确定子模块，用于确定导叶旋转轴与转轮旋转轴的倾角α；

第五确定子模块，用于确定进口边与出口边的轴面夹角β。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述出口边选定为经过导叶旋转中心O_g点的直线。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

采用单纯性加速法调整速度矩值。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述选定为密合基线的网格线为两条或三条。

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