CN108412805A - 一种圆柱形诱导轮设计方法、圆柱形诱导轮及其流场 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆柱形诱导轮设计方法，涉及流体机械技术领域。该圆柱形诱导轮设计方法，将诱导轮内的三维流动函数分解为对称流动函数和二维截面涡流函数；利用二维截面涡量对对称流动进行修正，从而得到诱导轮的几何参数及诱导轮的无空化特性参数。本发明的圆柱形诱导轮设计方法，基于二元流动模型进行设计，比一元流动理论的分析设计方法具有更高的精度和设计效率。在此基础上，本发明还提供了一种圆柱形诱导轮和圆柱形诱导轮流场。

Description

一种圆柱形诱导轮设计方法、圆柱形诱导轮及其流场

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，具体而言，涉及一种圆柱形诱导轮设计方法、圆柱形诱导轮及圆柱形诱导轮流场。

背景技术

诱导轮是低温液体火箭发动机中的关键部件，用于输送液氢液氧至燃烧室，其运行转速高，并且时常伴随着复杂的因空化流动导致的不稳定现象。

其中，诱导轮常见的有圆柱形和圆锥形的外形结构。对于圆柱形诱导轮，技术人员一般采用基于无限叶片假设的一元流动理论分析方法进行设计。

基于无限叶片假设的一元流动理论分析方法，只考虑使得主离心泵叶轮不发生空化时的诱导轮扬程，估算诱导轮空化比转速，再通过扬程系数及诱导轮直径确定进口流量系数。此设计方法预估的性能与典型诱导轮的实际性能除在设计点处较为吻合外，其他区域均存在较大的差距，有待进一步改进。另外，上述设计方法除了难以在全结构尺寸上满足性能要求之外，其计算的中间过程和步骤也并不简单。

所以，如何改良圆柱形诱导轮的设计方法，提高设计效率和精度是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆柱形诱导轮设计方法、圆柱形诱导轮及其流场，以解决现有技术中的诱导轮设计方法存在的设计精度差、计算过程和步骤繁复等问题，并获得一种高效的圆柱形诱导轮及其无空化特性的流场。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种圆柱形诱导轮设计方法，将诱导轮内的三维流动函数分解为对称流动函数和二维截面涡流函数；利用二维截面涡量对对称流动进行修正，得到诱导轮的几何参数及诱导轮的无空化特性参数。

需要说明的是，上述圆柱形诱导轮设计方法与传统的一元流动理论分析方法不同，是基于二元流动模型的给出的一种新型的圆柱形诱导轮的设计方法。

在上述技术方案的基础上，进一步，其已知输入条件包括：叶片数N，转速Ω，叶尖半径r_T，轮毂半径r_H，进口叶尖安装角γ_Tle，轴向长度c_a和设计流量系数φ_D；设定诱导轮前缘阻塞系数B_le和尾缘阻塞系数B_te均等于1，包括如下步骤：

步骤一：结合已知输入条件、前缘阻塞系数B_le和尾缘阻塞系数B_te，计算出口导程P、叶片弦长c、叶片实度σ、扩散系数D、叶片冲角α以及尾缘阻塞系数估算值B'_te；判断设计结果是否满足第一检验条件，如满足，进行步骤二的设计；如不满足，则将尾缘阻塞系数估算值B'_te的数值赋值到尾缘阻塞系数B_te中，重新进行步骤一的运算，直至设计结果满足第一检验条件。

步骤二：计算诱导轮总扬程系数ψ_t和静扬程系数ψ，判断计算结果是否满足第二检验条件，如满足，结束设计过程；如不满足，则将尾缘阻塞系数估算值B'_te的数值赋值到尾缘阻塞系数B_te中，重新进行步骤一的运算，直至计算结果满足第二检验条件。

在上述技术方案的基础上，进一步，第一检验条件包括：0<扩散系数D<0.5、叶片实度σ>2、叶片冲角α/叶片安放角β_b<0.5。

在上述技术方案的基础上，进一步，在步骤一中，扩散系数D与尾缘阻塞系数估算值B'_te关系为：，其中，叶片间距

本发明还提供一种由上述圆柱形诱导轮设计方法设计得到圆柱形诱导轮。

本发明还提供一种由上述圆柱形诱导轮设计方法设计得到圆柱形诱导轮流场。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法，将诱导轮内的三维流动函数分解为对称流动函数和二维截面涡流函数；再利用二维截面涡量对对称流动进行修正，得到圆柱形诱导轮的几何参数及圆柱形诱导轮的无空化特性参数，与现有的基于无限叶片假设的一元流动理论分析方法所得到的数据，更满足实际性能的需求。

2、本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法，可经过多次迭代计算，简化了中间流程，提高了设计效率。

本发明的附加技术特征及其优点将在下面的描述内容中阐述地更加明显，或通过本发明的具体实践可以了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法的流程图；

图2为本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法中三种不同叶栅的边界层动量厚度/弦长之比与扩散系数的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有技术说明：

在现有技术中，圆柱形诱导轮普遍采用基于无限叶片假设的一元流动理论分析方法进行设计。基于无限叶片假设的一元流动理论分析方法，只考虑使得主离心泵叶轮不发生空化时的诱导轮扬程，估算诱导轮空化比转速，再通过扬程系数及诱导轮直径确定进口流量系数。此设计方法预估的性能与典型诱导轮的实际性能除在设计点处较为吻合外，其他区域均存在较大的差距，有待进一步改进。另外，上述设计方法除了难以在全结构尺寸上满足性能要求之外，其计算的中间过程和步骤也并不简单。

针对上述现有技术方案存在的技术问题，下面结合具体的实施方式对本发明做进一步地解释说明：

本实施例提供了一种圆柱形诱导轮设计方法，其总体设计思路和流程包括：将诱导轮内的三维流动函数分解为对称流动函数和二维截面涡流函数；利用二维截面涡量对对称流动进行修正，得到诱导轮的几何参数及诱导轮的无空化特性参数。

需要说明的是，上述圆柱形诱导轮设计方法与传统的一元流动理论分析方法不同，是基于二元流动模型的给出的一种新型的圆柱形诱导轮的设计方法。

本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法，能够较好地解决现有技术中的诱导轮设计方法存在的设计精度差、计算过程和步骤繁复等问题，并获得一种高效的圆柱形诱导轮及其无空化特性的流场：首先，本设计方法得到的圆柱形诱导轮的几何参数及圆柱形诱导轮的无空化特性参数，与现有的基于无限叶片假设的一元流动理论分析方法所得到的数据，更满足实际性能的需求。其次，本设计方法可经过多次迭代计算，简化了中间流程，提高了设计效率。

具体地，在本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法中，其已知输入条件包括：叶片数N，转速Ω，叶尖半径r_T，轮毂半径r_H，进口叶尖安装角γ_Tle，轴向长度c_a和设计流量系数φ_D；设定诱导轮前缘阻塞系数B_le和尾缘阻塞系数B_te均等于1。设计方法包括如下步骤：

步骤一：结合已知输入条件、前缘阻塞系数B_le和尾缘阻塞系数B_te，计算出口导程P、叶片弦长c、叶片实度σ、扩散系数D、叶片冲角α以及尾缘阻塞系数估算值B'_te；判断设计结果是否满足第一检验条件，如满足，进行步骤二的设计；如不满足，则将尾缘阻塞系数估算值B'_te的数值赋值到尾缘阻塞系数B_te中，重新进行步骤一的运算，直至设计结果满足第一检验条件。

步骤二：计算诱导轮总扬程系数ψ_t和静扬程系数ψ，判断计算结果是否满足第二检验条件，如满足，结束设计过程；如不满足，则将尾缘阻塞系数估算值B'_te的数值赋值到尾缘阻塞系数B_te中，重新进行步骤一的运算，直至计算结果满足第二检验条件。

图1为本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法的流程图。如图1所示，圆柱形诱导轮设计方法的具体设计流程如下：

步骤1、输入操作参数和几何参数：

包括叶片数N，转速Ω，叶尖半径r_T，轮毂半径r_H，进口叶尖安装角γ_Tle，轴向长度c_a和设计流量系数φ_D；同时，设定诱导轮前缘阻塞系数B_le和尾缘阻塞系数B_te均等于1，即忽略流道阻塞情况的影响。

步骤2、计算进口叶尖导程和轴向导程变化关系，求得出口导程：

进口叶尖导程：P_Tle＝2πr_Ttanγ_Tle，

轴向导程关系：P＝P_Tle+P′z，

其中，

出口导程：P＝P_Tle+P′×c_a＝2πr_tetanγ_te；

步骤3、计算进出口平均直径：

步骤4、求解进出口平均直径处相对速度：

进口相对速度：

出口相对速度：

步骤5、求解平均流线上叶片实度：

平均流线为：

其中，初始条件

则叶片弦长的平均值和叶片稠度为：

步骤6、求解扩散系数及其对应阻塞系数：

扩散系数：

图2为本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法中三种不同叶栅的边界层动量厚度/弦长之比与扩散系数的关系图。如图2所示，可得θ^*，边界层位移厚度故尾缘阻塞系数估算值B'_te为：其中：叶片间距

步骤7、根据第一检验条件判断上述设计结果是否满足以下范围要求：

叶栅扩散系数：0<D<0.5，

叶片稠度：σ<2，

若满足要求，进行步骤8；若不满足要求，回到步骤2重新迭代；

步骤8、尾缘出口流场计算：

尾缘滑移速度的切向分量：

其中：

尾缘速度的轴向分量：

其中对常数d有：

步骤9、流动偏移预估：v_2δ°＝Ωr-w₂tan(β′₂+δ°)，

其中：

步骤10、流动损失预估：

步骤11、计算诱导轮扬程系数：

判断总扬程系数ψ_t和静扬程系数ψ是否满足设计要求，若是，结束设计过程；若否，回到步骤2重新迭代，直至得到满足设计要求的数据。

综上所述，在本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法中，首先，忽略边界层阻塞的影响，可得轮毂和叶片的初步预估情况。由此产生的流场将用于估计叶栅扩散系数和流动阻塞，以实现圆柱形诱导轮几何参数的修正和流场的计算。应用3D造型可获得大体连续的几何模型。如果求得的圆柱形诱导轮几何结构不能被接受，程序将不断迭代输入数据直至输出最优结果并进行条件检验。

迭代法在求得圆柱形诱导轮的几何参数的同时还可输出泵的非空化特性。若求得的泵特性不满足使用需求，将对操作参数和几何参数进行修改并重复上述流程，直至输出结果能满足要求。

本发明技术方案具有至少如下优点：

1、本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法，将诱导轮内的三维流动函数分解为对称流动函数和二维截面涡流函数；再利用二维截面涡量对对称流动进行修正，得到诱导轮的几何参数及诱导轮的无空化特性参数，与现有的基于无限叶片假设的一元流动理论分析方法所得到的数据，更满足实际性能的需求。

2、本发明提供的圆柱形诱导轮设计方法，可经过多次迭代计算，简化了中间流程，提高了设计效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种圆柱形诱导轮设计方法，其特征在于，将诱导轮内的三维流动函数分解为对称流动函数和二维截面涡流函数；利用二维截面涡量对对称流动进行修正，得到诱导轮的几何参数及诱导轮的无空化特性参数。

2.根据权利要求1所述的圆柱形诱导轮设计方法，其已知输入条件包括：叶片数N，转速Ω，叶尖半径r_T，轮毂半径r_H，进口叶尖安装角γ_Tle，轴向长度c_a和设计流量系数φ_D；设定诱导轮前缘阻塞系数B_le和尾缘阻塞系数B_te均等于1，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：结合已知输入条件、前缘阻塞系数B_le和尾缘阻塞系数B_te，计算出口导程P、叶片弦长c、叶片实度σ、扩散系数D、叶片冲角α以及尾缘阻塞系数估算值B'_te；判断设计结果是否满足第一检验条件，如满足，进行步骤二的设计；如不满足，则将尾缘阻塞系数估算值B'_te的数值赋值到尾缘阻塞系数B_te中，重新进行步骤一的运算，直至设计结果满足第一检验条件。

步骤二：计算诱导轮总扬程系数ψ_t和静扬程系数ψ，判断计算结果是否满足第二检验条件，如满足，结束设计过程；如不满足，则将尾缘阻塞系数估算值B'_te的数值赋值到尾缘阻塞系数B_te中，重新进行步骤一的运算，直至计算结果满足第二检验条件。

3.根据权利要求2所述的圆柱形诱导轮设计方法，其特征在于，第一检验条件包括：0<扩散系数D<0.5、叶片实度σ>2、叶片冲角α/叶片安放角β_b<0.5。

4.根据权利要求2所述的圆柱形诱导轮设计方法，其特征在于，在步骤一中，扩散系数D与尾缘阻塞系数估算值B'_te关系为：其中，叶片间距

5.一种圆柱形诱导轮，其特征在于，由上述权利要求1～4任一项所述的圆柱形诱导轮设计方法设计得到。

6.一种圆柱形诱导轮流场，其特征在于，由上述权利要求1～4任一项所述的圆柱形诱导轮设计方法设计得到。