CN107092763B - 具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，包括如下步骤：1)根据设计需求，确定叶轮的轮盘的子午面型线和轮盖的子午面型线；2)在步骤1)得到的子午面上，构造第一子午流线、第二子午流线和第三子午流线，用来控制叶轮的叶片的空间扭曲形状，所述第一子午流线为轮盖流线、与轮盖的子午面型线重合，所述第三子午流线为轮盘流线、与轮盘的子午面型线重合；所述第二子午流线为中间流线、设置在第一子午流线和第三子午流线之间；3)设计叶轮的叶片的型线，所述第三子午流线上的叶片安装角和叶片厚度的分布则是根据所形成的三维空间扭曲叶片的可铸造性来确定；4)形成具有可铸造性的透平机械三维叶轮。

Description

具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法
技术领域
本发明涉及透平机械领域，尤其涉及一种具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法。
背景技术
透平机械是一类通过旋转叶轮和流过旋转叶轮的流体介质实现能量转换的动力设备，如各种离心式或斜流式泵、通风机、鼓风机、压缩机、蒸汽透平、燃气透平等都属于通常所称的透平机械。透平机械又是一类高能耗的通用机械设备，据统计，在所有工业设备的能耗中，泵类和风机类设备所产生的能耗就占了总能耗的百分之二十到百分之二十五。比如一个典型的污水处理厂，泵与风机所产生的能耗高达总能耗的百分之七十五。随着国民经济的快速发展，我国的环境承载能力已达到极限，而作为耗能大户的透平机械，其节能降耗与节能减排是绕不过的环保主题。
目前节能增效的主要方法是采用变频技术和透平机械叶轮的三维设计。叶轮是透平机械实现能量转换及输出功的重要部件，其性能直接决定整机的性能。叶轮的叶片型线主要由子午面型线及导流段三维扭曲叶片计算方法决定的。常规的设计方法，如申请号为201010107689.X的中国专利公开的一种离心泵叶轮设计的改进方法，又如申请号为201611213880.6的中国专利公开的一种混流泵叶轮的设计方法。
上述的设计方法，对叶轮具有一定的优化效果，起到一定的节能减耗的作用。然而，由于叶轮的三维设计将产生高度扭曲的三维空间叶片，具有三维空间扭曲叶片的叶轮的加工将大大增加制造的难度与加工成本。比如说，水泵叶轮的设计对水泵的水力性能，如流量、扬程、效率及进口汽蚀余量起着决定性的作用，而叶轮内部的流场又十分复杂，叶轮中叶片型线的设计要尽量与叶轮内流体的流动趋势一致，这样才能得到高性能的叶轮。但是，为了控制水泵叶轮的成本与造价，目前绝大部分水泵的叶轮都是铸造的。所以在设计叶轮叶片时，叶片的三维空间扭曲就必须考虑到它的可铸造性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，使得叶轮叶片的设计尽可能具有高效性，同时兼顾了透平机械三维叶轮的水力性能与制造成本。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据设计需求，确定叶轮的轮盘的子午面型线和轮盖的子午面型线，所述轮盘的子午面型线和轮盖的子午面型线构成了叶轮的子午面；
2)在步骤1)得到的子午面上，构造第一子午流线、第二子午流线和第三子午流线，用来控制叶轮的叶片的空间扭曲形状，所述第一子午流线为轮盖流线、与轮盖的子午面型线重合，所述第三子午流线为轮盘流线、与轮盘的子午面型线重合；所述第二子午流线为中间流线、设置在第一子午流线和第三子午流线之间；
3)设计叶轮的叶片的型线，确定所述第一子午流线和第二子午流线上的叶片安装角及叶片厚度的分布，所述第三子午流线上的叶片安装角和叶片厚度的分布则是根据所形成的三维空间扭曲叶片的可铸造性来确定：
3.1)首先给定一个初始的第三子午流线上的叶片安装角和叶片厚度分布；
3.2)将三条子午流线所形成的叶片形状画出；
3.3)判断步骤3.2)得到的叶片形状的可铸造性，如能铸造，直接到步骤3.5)，如不能铸造，则到步骤3.4)；
3.4)修改轮盘上的叶片安装角及厚度分布，重新回到步骤3.2)；
3.5)最终形成三维空间扭曲的叶片；
4)形成具有可铸造性的透平机械三维叶轮。
在步骤2)中，所述第二子午流线为第一子午流线与第三子午流线的几何中分线。
所述第二子午流线为前移至靠近第一子午流线一侧三分之一几何位置的流线。
所述第一子午流线和第二子午流线上的叶片安装角的分布采用NACA系列翼型的分布或根据给定的涡旋量分布来确定。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用本方法设计的透平机械叶轮既具有所需的三维空间扭曲特性又具有完全的可铸造性，具有高效节能和成本低等特点，值得大力推广应用。
附图说明
图1为本发明的设计方法中的轮盘和轮盖的子午面型线示意图；
图2为本发明的设计方法中的三条子午流线示意图；
图3为本发明的设计方法中初步确定的叶片三维形状(与轮盘、轮盖结合)；
图4为本发明的设计方法中绘图软件绘出的叶片形状(与轮盘、轮盖结合)；
图5为本发明的设计方法中成型的叶片(与轮盘、轮盖结合)；
图6为根据本发明的设计方法得到的叶轮。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，适用于离心式或径流式、混流式或斜流式透平机械叶轮的三维设计，叶轮可为闭式或半开式，流体介质可为液体单相、气(汽)液两相、气(汽)液固多相或气体单相。
参见图6，透平机械叶轮包括具有可铸造性的叶轮本体，叶轮本体包括轮盘1、轮盖2和至少两个叶片3，每个叶片3均为相同的三维空间扭曲叶片。上述轮盘1、轮盖2和叶片3可经铸造形成叶轮本体1中的叶轮进口、叶轮出口和叶片3之间的三维空间扭曲叶轮流道。
叶轮的三维设计方法包括如下步骤：
1)根据设计需求，确定叶轮的轮盘1和轮盖2各自的子午面型线l3、l1，轮盘1和轮盖2各自的子午面型线构成了叶轮的子午面，参见图1，横坐标z为叶轮轴线方向，纵坐标r为叶轮径向；
2)在步骤1)得到的子午面上，构造三条子午流线，第一子午流线L1、第二子午流线L2和第三子午流线L3，用来控制叶轮的叶片3的空间扭曲形状，其中第一子午流线L1为轮盖流线，与轮盖3的子午面型线l1重合；第三子午流线L3为轮盘流线，与轮盘1的子午面型线l3重合；第二子午流线L2则为中间流线，设置在第一子午流线L1和第三子午流线L3之间，第二子午流线L2可以为第一子午流线L1与第三子午流线L3的几何中分线，也可以为前移至靠近第一子午流线L1一侧三分之一几何位置的流线，其具体位置可根据叶片空间扭曲程度来定，参见图2，同样的，横坐标z为叶轮轴线方向，纵坐标r为叶轮径向；
3)设计叶片3的型线，将保证第一子午流线L1和第二子午流线L2上的叶片安装角及叶片厚度的分布，借以控制叶片3上的速度和压力的分布，参见图3，第一子午流线L1与第二子午流线L2上的叶片安装角的分布可以采用NACA(美国国家航空咨询委员会)系列翼型的分布或根据给定的涡旋量分布来确定；第三子午流线L3上的叶片安装角和叶片厚度的分布则是根据所形成的三维空间扭曲叶片的可铸造性来确定，具体的：
3.1)首先给定一个初始的第三子午流线L3上的叶片安装角和叶片厚度分布；
3.2)用绘图软件将三条子午流线所形成的叶片形状画出，参见图4；
3.3)判断步骤3.2)得到的叶片形状的可铸造性，如能铸造，直接到步骤3.5)，如不能铸造，则到步骤3.4)，在此步骤中，由叶片的形状即可判断是否具有可铸造性，如判断铸造后是否可脱模；
3.4)修改轮盘1上的叶片安装角及厚度分布，重新回到步骤3.2)，修改这些参数后，重新绘制叶片再由新的形状来判断可铸造性，经过一次或多次修改，直至得到能铸造的叶片形状；
3.5)最终形成三维空间扭曲的叶片3，参见图5。
4)形成具有可铸造性的透平机械三维叶轮，参见图6。
由此设计方法得到的透平机械叶轮既具有所需的三维空间扭曲特性，又具有完全的可铸造性，具有高效节能和成本低等特点。

Claims (4)

1.一种具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据设计需求，确定叶轮的轮盘(1)的子午面型线(l3)和轮盖(2)的子午面型线(l1)，所述轮盘(1)的子午面型线(l3)和轮盖(2)的子午面型线(l1)构成了叶轮的子午面；
2)在步骤1)得到的子午面上，构造第一子午流线(L1)、第二子午流线(L2)和第三子午流线(L3)，用来控制叶轮的叶片(3)的空间扭曲形状，所述第一子午流线(L1)为轮盖流线、与轮盖(2)的子午面型线(l1)重合，所述第三子午流线(L3)为轮盘流线、与轮盘(1)的子午面型线(l3)重合；所述第二子午流线(L2)为中间流线、设置在第一子午流线(L1)和第三子午流线(L3)之间；
3)设计叶轮的叶片(3)的型线，确定所述第一子午流线(L1)和第二子午流线(L2)上的叶片安装角及叶片厚度的分布，所述第三子午流线(L3)上的叶片安装角和叶片厚度的分布则是根据所形成的三维空间扭曲叶片的可铸造性来确定：
3.1)首先给定一个初始的第三子午流线(L3)上的叶片安装角和叶片厚度分布；
3.2)将三条子午流线所形成的叶片形状画出；
3.3)判断步骤3.2)得到的叶片形状的可铸造性，如能铸造，直接到步骤3.5)，如不能铸造，则到步骤3.4)；
3.4)修改轮盘(1)上的叶片安装角及厚度分布，重新回到步骤3.2)；
3.5)最终形成三维空间扭曲的叶片(3)；
4)形成具有可铸造性的透平机械三维叶轮。
2.如权利要求1所述的具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，其特征在于：在步骤2)中，所述第二子午流线(L2)为第一子午流线(L1)与第三子午流线(L3)的几何中分线。
3.如权利要求1所述的具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，其特征在于：所述第二子午流线(L2)为前移至靠近第一子午流线(L1)一侧三分之一几何位置的流线。
4.如权利要求1～3中任一项所述的具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，其特征在于：所述第一子午流线(L1)和第二子午流线(L2)上的叶片安装角的分布采用NACA系列翼型的分布或根据给定的涡旋量分布来确定。
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