CN108304606A - 一种带有倒角结构的叶轮 - Google Patents

一种带有倒角结构的叶轮 Download PDF

Info

Publication number
CN108304606A
CN108304606A CN201711133950.1A CN201711133950A CN108304606A CN 108304606 A CN108304606 A CN 108304606A CN 201711133950 A CN201711133950 A CN 201711133950A CN 108304606 A CN108304606 A CN 108304606A
Authority
CN
China
Prior art keywords
radius
blade
blade back
chamfer radius
leaf
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711133950.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108304606B (zh
Inventor
董平
林洪飞
郑群
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201711133950.1A priority Critical patent/CN108304606B/zh
Publication of CN108304606A publication Critical patent/CN108304606A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108304606B publication Critical patent/CN108304606B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

本发明涉及一种带有倒角结构的叶轮，包括叶片和轮毂，叶片和轮毂之间有倒角结构，倒角半径沿中弧线变化，叶背前缘倒角半径为δBL和叶盆前缘倒角半径为δPL取值为前缘内切圆半径的10％到30％。叶背最大倒角半径δBmax和叶盆最大倒角半径δPmax取值为叶片最大内切圆半径的30％到50％。叶背尾缘倒角半径为δBT和叶盆尾缘倒角半径为δPT取值为尾缘内切圆半径的10％到30％。将6个位置的倒角半径通过给定曲线进行光滑连接得到一种带有倒角结构的叶轮机械。本发明的叶轮机械带有的特殊倒角结构削弱了前缘马蹄涡的强度；增加了吸力面低压区的面积，延迟了通道涡的形成和发展；削弱了通道涡和壁角涡的掺混，可以明显改善角区流动，降低流动损失。

Description

一种带有倒角结构的叶轮
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮发动机叶轮，特别是一种带有倒角结构的叶轮。
背景技术
随着叶轮机械相关技术的发展，叶片与端壁交汇区的流动越来越值得关注，该处的流动通常会导致角区分离，引起性能恶化。在叶根处加上叶根倒角是最常规的处理方式。但常规叶根倒角的存在主要是出于避免应力集中等结构工艺方面的考量，其倒角半径一般沿流程不变。
近年来，针对叶片与端壁交汇区造型的处理出现了一种新的技术，即叶身端壁融合技术。但其造型过程中参考的附面层厚度并不准确，而且严重依赖来流状态，其沿流程取的各个截面进行连接后，导致倒角半径沿流程的变化并不光滑。中弧线是叶片设计的重要基准之一，也是截面线离散的依据，对叶片造型的质量具有十分重要的影响。中弧线的微小误差都可能导致最后的叶片型面不光顺，以中弧线为参考进行倒角结构的设计，沿流程合理布置倒角半径，使倒角半径分布更加光顺，可以提高发动机叶片的气动性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种能够更好的组织角区流动，削弱或消除角区分离，带有依据叶型中弧线设计的、倒角结构具有变化半径的叶轮。
本发明实现方式如下：
一种带有倒角结构的叶轮，包括叶片和轮毂，叶片和轮毂之间有倒角结构，叶片的叶背侧倒角半径的变化曲线满足：
其中：
δB(0)＝δBL δB(1)＝δBT δB(uBmax)＝δBmax
叶盆侧倒角半径的变化曲线满足：
其中：
δP(0)＝δPL δP(1)＝δPT δp(uPmax)＝δPmax
其中，叶背前缘倒角半径δBL和叶盆前缘倒角半径δPL取值均为前缘内切圆半径RL的10％到30％；叶背最大倒角半径δBmax和叶盆最大倒角半径δPmax取值均为最大内切圆半径Rmax的30％到50％；叶背尾缘倒角半径δBT和叶盆尾缘倒角半径δPT取值均为尾缘内切圆半径RT的10％到30％；u为任意位置所处弧长百分比的相对位置，取值范围为0到1，uBmax和uPmax为叶背最大倒角半径点和叶盆最大倒角半径点处的弧长百分比。
最大内切圆半径Rmax为以中弧线上的点为圆心做叶盆曲线和叶背曲线的最大内切圆的半径；前缘内切圆半径RL为过叶背曲线和叶盆曲线的前缘点做叶背曲线和叶盆曲线的垂线相交于点OL，以OL为圆心，OLBL为半径所做的圆的半径；尾缘内切圆半径RT为过叶背曲线和叶盆曲线的尾缘点做叶盆曲线和叶背曲线的垂线相交于点OT，以OT为圆心，OTBT为半径所做的圆的半径。
中弧线(5)为以叶片的叶盆曲线和叶背曲线前缘端点为圆心且垂直于曲线切矢所在的平面上构造2个同样大小的圆，分别沿叶盆曲线和叶背曲线创建两扫掠实体，两扫略实体的外侧交线沿平面(4)的法线方向在叶形曲线所在的平面(4)上的投影线。
构造的2个同样大小的圆的半径满足两扫掠体至少有一条连续交线。
叶背侧倒角半径的变化曲线为光滑的，叶盆侧倒角半径的变化曲线为光滑的。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明的带有倒角结构的叶轮以中弧线为参考进行倒角结构的设计，沿流程合理布置倒角半径，使倒角半径分布更加光顺，削弱了前缘马蹄涡的强度；增加了吸力面低压区的面积，延迟了通道涡的形成和发展；削弱了通道涡和壁角涡的掺混，可以明显改善角区流动，降低流动损失，提高发动机叶片的气动性能。可以显著改善燃气涡轮叶片端区的流动。该结构强调根据中弧线去合理设置叶根倒角半径沿流程的分布，以调控叶身端壁交汇区附面层分离。
附图说明
图1为按照常规方法导入叶型数据点并构造叶型曲线示意图；
图2为生成三维扫略交线示意图；
图3为获得叶型中弧线示意图；
图4为涡轮叶片的6个关键数据点即叶背的前缘点BL、尾缘点BT和最大倒角半径点BM和叶盆的前缘点PL、尾缘点PT和最大倒角半径点PM的位置图以及前缘内切圆、最大内切圆和尾缘内切圆示意图；
图5为涡轮叶片的6个关键数据点处的倒角半径光滑连接的示意图，即叶背前缘倒角半径δBL，叶背最大倒角半径δBmax，叶背尾缘倒角半径δBT，叶盆前缘倒角半径δPL，最大倒角半径δPmax和叶盆尾缘倒角半径δPT之间光滑连接的示意图；
图6为涡轮叶片的叶背侧三维结构示意图；
图7为涡轮叶片的叶盆侧三维结构示意图；
图8带有常规倒角的涡轮叶片的通道涡的CFD数值模拟图；
图9带有特殊倒角的涡轮叶片的通道涡的CFD数值模拟图。
具体实施方式
一种带有倒角结构的叶轮，包括叶片和轮毂，叶片和轮毂之间有倒角结构，本实施例根据发明内容所述的设计方法对倒角结构进行重新设计，并用数值模拟的方法验证其作用效果。该涡轮叶片的设计参数见表1。
表1涡轮叶片的设计参数
进口总压(bar) 进口总温(K) 流量(kg/s) 叶片数
13.03 1678 26.44 46
实施方案的参数取值见表2。
δBL δBmax δBT δPL δPmax δPT
20％RL 40％Rmax 20％RT 20％RL 40％Rmax 20％RT
具体设计过程为：
步骤1，按照常规方法导入叶型数据点并构造叶型曲线，完成叶盆曲线1和叶背曲线2的建模，如图1所示。
步骤2，分别在两曲线前缘端点处构造2个同样大小的圆，位于垂直于曲线切矢所在的平面上；分别沿叶盆、叶背曲线创建两扫掠实体，并获得其外侧交线3，过程如图2所，其中圆的半径只要能保证两扫掠体有一条连续交线即可。
步骤3，利用该交线向叶形曲线所在的平面4的法线方向投影，即可得到所需的中弧线5，如图3所示。
步骤4，在中弧线基础上获得上述6个关键数据点，获取方法为：以中弧线上的点为圆心做叶盆曲线和叶背曲线的内切圆，其中最大内切圆与叶盆曲线和叶背曲线的交点记为BM和PM，即叶背和叶盆的最大倒角半径点，且最大内切圆半径记为Rmax；记叶盆曲线和叶背曲线在前缘处的端点为BL和PL，即叶背和叶盆的前缘点，过叶背和叶盆的前缘点做叶盆曲线和叶背曲线的垂线相交于点OL，以OL为圆心，OLBL为半径所做的圆即为前缘内切圆，前缘内切圆半径记为RL；记叶盆曲线和叶背曲线在尾缘处的端点为BL和PL，即叶背和叶盆的尾缘点，过叶背和叶盆的尾缘点做叶盆曲线和叶背曲线的垂线相交于点OT，以OT为圆心，OTBT为半径所做的圆即为尾缘内切圆，尾缘内切圆半径记为RL，如图4所示。以上述6个关键点和三个半径长度为基础，结合叶型曲线，进行倒角半径沿流程的设计。叶背前缘倒角半径δBL取值为20％前缘内切圆半径，布置在前缘点BL；最大倒角半径δBmax取值为40％最大叶片内切圆半径，布置在最大叶厚点BM；尾缘倒角半径δBT为20％尾缘内切圆半径，布置在尾缘点BT。倒角半径沿叶片横截面等弧长分布为δ(u)，则需要满足：
δ(0)＝δBL δ(1)＝δDT δ(umax)＝δBmax
按照不同的设计要求给出倒角半径的变化曲线即可，曲线采用如下线性变化方式：
其中u为任意位置所处弧长百分比的相对位置，取值范围为0到1。同样方法可以求得叶盆前缘倒角半径为δPL，最大倒角半径为δPmax，尾缘倒角半径为δPT。其结果如图5所示。将得到的倒角半径沿流程的分布规律应用于叶片背部的倒角设计，其结果如图6所示。将得到的倒角半径沿流程的分布规律应用于叶片盆部的倒角设计，其结果如图7所示。其中，若δ(u)＝C，即倒角半径为常数，则该叶片为常规等半径倒角叶片。
对本实施例中，带有常规倒角涡轮叶片和带有特殊倒角结构的涡轮叶片，进行三维CFD数值模拟。其通道涡发展如图8，图9所示。通过流线图的对比可以发现，本发明的带有特殊倒角结构的涡轮叶片可以明显地削弱通道涡的发展，改善角区流动，降低流动损失。
一种依据叶型中弧线而设计的涡轮倒角结构，该涡轮倒角结构的变化依赖于中弧线，具体为：在叶片前缘，通过中弧线找到对应的前缘点，合理给出前缘倒角半径的大小；通过中弧线做出叶型的最大内切圆，内切圆和叶型轮廓的交点为最大倒角半径处，合理给出最大倒角半径；在叶片尾缘，通过中弧线找到对应的尾缘点，合理给出尾缘倒角半径的大小。从而完成叶根倒角沿流程的布置。
上述技术方案中，所述的倒角半径控制参数包括：1、前缘倒角半径δBl和δFL取值为10％到30％前缘内切圆半径，布置在前缘点BL和PL；2、最大倒角半径δBmax和δPmax取值为30％到50％最大叶片内切圆半径，布置在最大叶厚点BM和PM；3、尾缘倒角半径δBT和δPT为10％到30％尾缘内切圆半径，布置在尾缘点BT和PT。

Claims (5)

1.一种带有倒角结构的叶轮，包括叶片和轮毂，其特征在于：叶片和轮毂之间有倒角结构，叶片的叶背侧倒角半径的变化曲线满足：
其中：
δB(0)＝δBL δB(1)＝δBT δB(uBmax)＝δBmax
叶盆侧倒角半径的变化曲线满足：
其中：
δP(0)＝δPL δP(1)＝δPT δp(uPmax)＝δPmax
其中，叶背前缘倒角半径δBL和叶盆前缘倒角半径δPL取值均为前缘内切圆半径RL的10％到30％；叶背最大倒角半径δBmax和叶盆最大倒角半径δPmax取值均为最大内切圆半径Rmax的30％到50％；叶背尾缘倒角半径δBT和叶盆尾缘倒角半径δPT取值均为尾缘内切圆半径RT的10％到30％；u为任意位置所处弧长百分比的相对位置，取值范围为0到1，uBmax和uPmax为叶背最大倒角半径点和叶盆最大倒角半径点处的弧长百分比。
2.根据权利要求1所述的一种带有倒角结构的叶轮，其特征在于：所述最大内切圆半径Rmax为以中弧线上的点为圆心做叶盆曲线和叶背曲线的最大内切圆的半径；前缘内切圆半径RL为过叶背曲线和叶盆曲线的前缘点做叶背曲线和叶盆曲线的垂线相交于点OL，以OL为圆心，OLBL为半径所做的圆的半径；尾缘内切圆半径RT为过叶背曲线和叶盆曲线的尾缘点做叶盆曲线和叶背曲线的垂线相交于点OT，以OT为圆心，OTBT为半径所做的圆的半径。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有倒角结构的叶轮，其特征在于：所述中弧线(5)为以叶片的叶盆曲线和叶背曲线前缘端点为圆心且垂直于曲线切矢所在的平面上构造2个同样大小的圆，分别沿叶盆曲线和叶背曲线创建两扫掠实体，两扫略实体的外侧交线沿平面(4)的法线方向在叶形曲线所在的平面(4)上的投影线。
4.根据权利要求3所述的一种带有倒角结构的叶轮，其特征在于：所述圆的半径满足两扫掠体至少有一条连续交线。
5.根据权利要求1所述的一种带有倒角结构的叶轮，其特征在于：叶背侧倒角半径的变化曲线为光滑的，叶盆侧倒角半径的变化曲线为光滑的。
CN201711133950.1A 2017-11-16 2017-11-16 一种带有倒角结构的叶轮 Active CN108304606B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711133950.1A CN108304606B (zh) 2017-11-16 2017-11-16 一种带有倒角结构的叶轮

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711133950.1A CN108304606B (zh) 2017-11-16 2017-11-16 一种带有倒角结构的叶轮

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108304606A true CN108304606A (zh) 2018-07-20
CN108304606B CN108304606B (zh) 2021-10-26

Family

ID=62869518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711133950.1A Active CN108304606B (zh) 2017-11-16 2017-11-16 一种带有倒角结构的叶轮

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108304606B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109779962A (zh) * 2019-01-16 2019-05-21 中国科学院工程热物理研究所 一种超低比转速离心泵叶轮的二元粘性水力设计方法
CN114542207A (zh) * 2022-02-22 2022-05-27 中国航发沈阳发动机研究所 一种涡轮后机匣支板外型面造型设计方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110081239A1 (en) * 2009-10-01 2011-04-07 Pratt & Whitney Canada Corp. Fabricated static vane ring
CN103195755A (zh) * 2013-04-11 2013-07-10 南京布鲁克林环保设备有限公司 一种新型单叶片螺旋离心叶轮
CN103899362A (zh) * 2012-12-26 2014-07-02 霍尼韦尔国际公司 涡轮机组件
CN104881540A (zh) * 2015-05-27 2015-09-02 西北工业大学 一种涡轮气冷叶片叶身内型精确壁厚控制建模方法
CN107013490A (zh) * 2017-04-20 2017-08-04 浙江理工大学 一种低压轴流式通风机叶轮叶片的优化方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110081239A1 (en) * 2009-10-01 2011-04-07 Pratt & Whitney Canada Corp. Fabricated static vane ring
CN103899362A (zh) * 2012-12-26 2014-07-02 霍尼韦尔国际公司 涡轮机组件
CN103195755A (zh) * 2013-04-11 2013-07-10 南京布鲁克林环保设备有限公司 一种新型单叶片螺旋离心叶轮
CN104881540A (zh) * 2015-05-27 2015-09-02 西北工业大学 一种涡轮气冷叶片叶身内型精确壁厚控制建模方法
CN107013490A (zh) * 2017-04-20 2017-08-04 浙江理工大学 一种低压轴流式通风机叶轮叶片的优化方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIN HONGFEI等: "Effect of Tip Configurations on Aerodynamic Performance of Variable Geometry Linear Turbine Cascade", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF TURBO & JET-ENGINES》 *
YUTING JIANG: "Aero-thermal optimization on multi-rows film cooling of a realistic marine high pressure turbine vane", 《APPLIED THERMAL ENGINEERING》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109779962A (zh) * 2019-01-16 2019-05-21 中国科学院工程热物理研究所 一种超低比转速离心泵叶轮的二元粘性水力设计方法
CN109779962B (zh) * 2019-01-16 2020-08-14 中国科学院工程热物理研究所 一种超低比转速离心泵叶轮的二元粘性水力设计方法
CN114542207A (zh) * 2022-02-22 2022-05-27 中国航发沈阳发动机研究所 一种涡轮后机匣支板外型面造型设计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108304606B (zh) 2021-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109779972B (zh) 一种兼顾低雷诺数工况性能的压气机二维叶型优化方法
CN102637216B (zh) 一种复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法
CN106446324B (zh) 大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法
CN106843140B (zh) 一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法
CN109356666B (zh) 一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法
CN101923584B (zh) 风力机专用翼型设计方法及风力机专用翼型
CN105332952B (zh) 一种小弯度可调静子设计方法
CN104564804B (zh) 风轮叶片及贯流风轮及风轮叶片的设计方法
CN106050739A (zh) 一种冷却风扇用高性能翼型
CN108487942A (zh) 控制涡轮叶尖间隙流动的机匣及叶片联合造型方法
CN107742011A (zh) 叶轮叶片减阻微织构的设计方法
CN105840551A (zh) 多工况点高负荷压气机叶片的气动实现方法
CN102213235B (zh) 空调用轴流风扇的叶片、空调用轴流风扇
CN108304606A (zh) 一种带有倒角结构的叶轮
CN104907617A (zh) 基于分区域切削的离心压缩机叶轮五坐标铣削方法
CN110020489A (zh) 基于cfd分析确定汽轮机叶片防蚀片形状尺寸的方法
CN105971931A (zh) 一种离心式叶轮分流叶片的设计方法
Wu Arbitrary surface flank milling and flank sam in the design and manufacturing of jet engine fan and compressor airfoils
CN105401982B (zh) 半转速核电汽轮机用末级动叶片叶身结构
CN103136426B (zh) 航空叶片圆弧形前后缘工艺模型生成方法
CN100458179C (zh) 改进端区堵塞的轮毂造型方法
CN116838643A (zh) 风机叶片及风机
Zhang et al. Effect of boundary layer suction on aerodynamic performance of high-turning compressor cascade
CN106938696A (zh) 一种马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法
CN102032214B (zh) 一种抑制分离的叶片前缘改型方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant