CN112434388B - 一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，采用6级轴流式设计，通过液体工质设计子午流道以保证各级液体工质流动速度三角形相同，并确定级间匹配方式，保证输出功率在各级之间均匀分配，动叶内部承受的应力平均分配，从而保证了各级动叶工作时的安全裕度，同时通过静叶叶型设计及动叶叶型设计，实现液力涡轮加工效率的提升与加工难度的降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，属于旋转流体机械领域。
背景技术
液力涡轮是利用液体工质的动能和压力势能驱动涡轮输出轴功的流体旋转机械。多级轴流式液力涡轮适用于将高压比的液态工质转化为轴功输出，具有体积小、结构紧凑等特点，是大推力补燃循环火箭发动机的重要组成部件，能兼顾火箭发动机的整体性能和氧预压泵的总体可靠性。多级轴流式液力涡轮依靠高压液态流体在动静叶间逐级能量转换实现将流体的压力势能在紧凑的组件结构内比较高效地转换为机械能并以轴功输出，是航天领域液力涡轮的较好选择。但针对高压补燃液体火箭发动机氧预压涡轮泵的特殊要求，仍缺少对应的液力涡轮。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，缺少针对高压补燃液体火箭发动机氧预压涡轮泵特殊要求的液力涡轮的问题，提出了一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，步骤如下：
(1)根据工质类型进行流道设计；
(2)确定级间匹配方式，完成多级涡轮级间匹配设计；
(3)根据步骤(2)确定的级间匹配方式及液力涡轮设计需求，进行静叶叶型设计及动叶叶型设计，完成多级轴流式液力涡轮设计。
所述步骤(1)中，所述工质类型为液态工质，所述流道设计为等截面子午流道，将液体工质压力势能转化为动能以轴功形式输出。
所述步骤(2)中，所述级间匹配方式为均匀化级间匹配方式，根据所选级间匹配方式进行多级涡轮级间匹配设计，所述均匀化级间匹配方式具体为：
各级静叶入口额定工况均为轴向无预旋工况，各级静叶的速度三角形均相同，除第一级静叶外，各级静叶与动叶均采用相同叶型设计且做功能力相同，各级动叶输出功率均匀分配且内部应力平均分配。
所述步骤(3)中，所述静叶、动叶叶片均为6级；
所述静叶用于将液体工质流动方向由轴向折转为与额线成20°夹角，静叶进口截面面积与出口截面面积比值为2.5，第一级静叶轴向长度为后五级静叶叶片长度的1.5倍，叶片数量为后五级单级叶片数量的0.6倍，各级静叶叶片转折角以叶型中弧线70％处为分界线，分界线前部分转折速度快于分界线后部分，所述分界线后部分叶片用于稳流，所述叶片厚度沿叶型中弧线呈递增后递减分布。
所述第一级静叶叶片数量及后五级单级静叶叶片数量均为质数。
所述静叶叶片厚度最大处位于中弧线上60％处。
所述静叶叶片前缘与后缘均为圆弧形倒圆，前缘倒圆半径大于后缘倒圆半径，安装静叶叶片的静子组件上与转子组件交界圆周面上设置有厚度为0.1mm的镀银层，安装动叶叶片的转子组件上两级动叶间，与静叶交界处设置有迷宫密封。
所述步骤(3)中，所述动叶为反力式叶型，动叶反力度为0.05，相邻动叶叶片形成流道为渐缩型流道，流道进口与出口的截面积比值为1.5倍，动叶叶型及各级叶片数均一致。
所述步骤(3)中，单级动叶叶片数量为质数，动叶叶片厚度沿叶型中弧线先递增后递减分布，动叶叶片最大厚度处位于中弧线上50％处。
所述动叶叶片前缘与后缘均为圆弧形倒圆，前缘倒圆半径与后缘倒圆半径一致，动叶转折角为90°，各级动叶叶片转折角以叶型中弧线70％处为分界线，分界线前部分液流角变化速度快于分界线后部分，所述分界线后部分叶片用于稳流，所述叶片厚度沿叶型中弧线呈递增后递减分布。
所述动叶叶片为不带冠叶片。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，针对高压补燃液体火箭发动机预压涡轮泵的使用需求，采用6级轴流式设计，在较小的轴向和径向尺寸内，实现了高压比液态工质较高效率和较大功率的能量转换，采用液力涡轮模块化设计方法，各级动叶和静叶均采用相同的叶型设计，以提高加工效率，降低加工成本，同时采用均匀化级间匹配方式，输出功率在6级之间均匀分配，动叶内部承受的应力平均分配，从而保证了各级动叶工作时的安全裕度；
(2)本发明采用小反力度设计的转子组件叶片，保证了流体在动叶流道中的流动为顺压梯度，有利于减少流动分离，提高效率，同时选用不带冠结构叶片，便于降低加工难度，提高加工效率，并在液力涡轮静子组件上动静交接处沿圆周方向设计镀银层，避免液氧环境中由于转静子之间意外碰磨导致的不可控风险。
附图说明
图1为发明提供的高压比多级轴流式液力涡轮结构示意图；
图2为发明提供的静子及转子结构示意图；
图3为发明提供的子午流道剖面示意图；
图4为发明提供的多级轴流式液力涡轮各级速度三角形示意图；
图5为发明提供的多级轴流式叶轮涡轮第一级静叶圆周剖面示意图；
图6为发明提供的第一级静叶β角随弦长变化曲线；
图7为发明提供的第一级静叶叶片厚度随弦长变化曲线；
图8为发明提供的动叶圆周剖面示意图；
图9为发明提供的动叶β角随弦长变化曲线；
图10为发明提供的动叶叶片厚度随弦长变化曲线；
具体实施方式
一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，采用6级轴流式设计，通过液体工质设计子午流道以保证各级液体工质流动速度三角形相同，并确定级间匹配方式，保证输出功率在各级之间均匀分配，动叶内部承受的应力平均分配，从而保证了各级动叶工作时的安全裕度，同时通过静叶叶型设计及动叶叶型设计，实现液力涡轮加工效率的提升与加工难度的降低。
多级轴流式液力涡轮设计方法具体步骤如下：
(1)根据工质类型进行流道设计；
其中，工质类型为液态工质，所述流道设计为等截面子午流道，将液体工质压力势能转化为动能以轴功形式输出；
(2)确定级间匹配方式，完成多级涡轮级间匹配设计；
其中，级间匹配方式为均匀化级间匹配方式，根据所选级间匹配方式进行多级涡轮级间匹配设计，所述均匀化级间匹配方式具体为：
各级静叶入口额定工况均为轴向无预旋工况，如图4所示，各级静叶的速度三角形均相同，除第一级静叶外，各级静叶与动叶均采用相同叶型设计且做功能力相同，各级动叶输出功率均匀分配且内部应力平均分配；
根据步骤(2)确定的级间匹配方式及液力涡轮设计需求，进行静叶叶型设计及动叶叶型设计，完成多级轴流式液力涡轮设计，具体为：
静叶、动叶叶片均为6级；其中：
如图6、图7所示，静叶用于将液体工质流动方向由轴向折转为与额线成20°夹角，静叶进口截面面积与出口截面面积比值为2.5，第一级静叶轴向长度为后五级静叶叶片长度的1.5倍，叶片数量为后五级单级叶片数量的0.6倍，各级静叶叶片转折角以叶型中弧线70％处为分界线，分界线前部分转折速度快于分界线后部分，所述分界线后部分叶片用于稳流，所述叶片厚度沿叶型中弧线呈递增后递减分布；
第一级静叶叶片数量及后五级单级静叶叶片数量均为质数，静叶叶片厚度最大处位于中弧线上60％处，静叶叶片前缘与后缘均为圆弧形倒圆，前缘倒圆半径大于后缘倒圆半径，安装静叶叶片的静子组件上与转子组件交界圆周面上设置有厚度为0.1mm的镀银层，安装动叶叶片的转子组件上两级动叶间，与静叶交界处设置有迷宫密封；
如图8-图10所示，动叶为反力式叶型，动叶反力度为0.05，相邻动叶叶片形成流道为渐缩型流道，流道进口与出口的截面积比值为1.5倍，动叶叶型及各级叶片数均一致，单级动叶叶片数量为质数，动叶叶片厚度沿叶型中弧线先递增后递减分布，动叶叶片最大厚度处位于中弧线上50％处，图8是动叶叶型沿圆周方向剖面图，液流流过动叶时冲击动叶做功，同时相对速度略有增大，静压略有下降；
动叶叶片为不带冠叶片，动叶叶片前缘与后缘均为圆弧形倒圆，前缘倒圆半径与后缘倒圆半径一致，动叶转折角为90°，各级动叶叶片转折角以叶型中弧线70％处为分界线，分界线前部分液流角变化速度快于分界线后部分，所述分界线后部分叶片用于稳流，所述叶片厚度沿叶型中弧线呈递增后递减分布。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
适用于小流量高压比液态工质的涡轮设计，采用6级轴流式设计，在较小的轴向和径向尺寸内，实现了高压比液态工质较高效率和较大功率的能量转换，液力涡轮采用模块化设计方法，各级动叶和静叶均采用相同的叶型设计，各级工质流动的速度三角形相同，压降和输出轴功功率在各级平均分配。
具体设计流程如下：
本实施例中，如图1、图2、图3、图5所示，为液力涡轮结构示意图，静子-1、转子-2、镀银层-3，工质为为液态工质，属于不可压流体，工作过程中，工质体积基本无变化，流道子午剖面为等截面流道，工质不膨胀做功，仅将压力势能转化为动能，并以轴功形式输出，图5为静叶叶型沿圆周方向剖面图，相邻两个叶片形成的流道在圆周方向是为渐缩式，液流在流道内加速并发生方向折转。
多级涡轮级间匹配是确定总体方案和叶型设计的基础。本发明采用均匀化级间匹配方式，每一级的静叶入口额定工况均为轴向无预旋，每一级速度三角形均相同，液力涡轮采用模块化设计方法，除第一级静叶外，各级动叶和静叶均采用相同的叶型设计，以提高加工效率，降低加工成本；
同时，各级动叶的做功能力相同，输出功率在各级之间均匀分配，动叶内部承受的应力平均分配，从而保证了各级动叶工作时的安全裕度。
静叶主要起导流作用，将液流的流动方向由轴向折转为与额线成20°夹角。相邻静叶间形成的流道为渐缩流道，静叶进口截面面积与出口截面面积的比值为2.5；为了保证液力涡轮具有较好的工作性能，第一级静叶轴向长度为后五级叶片轴向长度的1.5倍，叶片数量为后五级单级叶片数量的0.6倍。第一级静叶叶片数量和后五级单级静叶叶片数量均为质数。叶片转折角以叶型中弧线70％处为分界线，70％以前转折较快，70％以后叶片主要起稳流作用，转折角变化较缓慢，接近直线段。叶片厚度沿叶型中弧线先递增后递减分布，最大厚度位于中弧线上60％处，叶片前缘和后缘均为圆弧型倒圆，前缘倒圆半径RSL大于后缘倒圆半径RST，RSL≈3RST，静子环件上在与转子交界的圆周面上设置一层厚度0.1mm的镀银层。转子组件上两级动叶之间与静叶交界处设置迷宫密封。动叶为带有一定反力度的反力式叶型，动叶反力度0.05，相邻动叶叶片形成的流道为渐缩型流道，流道进口与出口的截面积比值为1.5倍，保证了流体在动叶流道中的流动为顺压梯度，有利于减少流动分离，提高效率。六级动叶叶型及各级叶片数均一致，单级叶片数量为质数。叶片厚度沿叶型中弧线先递增后递减分布，最大厚度位于中弧线上50％处；
叶片前缘和后缘均为圆弧型倒圆，前缘倒圆半径RRL与后缘倒圆半径RRT基本一致，RRL≈RRT，动叶转折角Δβ≈90°，动叶在中弧线70％以前液流角变化较快，中弧线70％以后液流角变化较慢，也即液流对动叶起做功作用主要在中弧线70％以前，中弧线70％以后的动叶主要起稳流作用，动叶为不带冠叶片，以降低加工难度，提高加工效率。
由于来流在进入第一级静叶前流动状态及稳定性不能保证，第一级静叶轴向长度比后面五级静叶略长，数量略少，各级静叶数量均为质数，尽量避免流动频率发生耦合。各级静叶相邻两叶片之间形成的流道在周向方向为渐缩流道。高压液态工质在静叶流道中加速并发生方向偏转，高压液态工质的压力势能转变成流体切向动能。液态流体经过静叶加速后冲击动叶做功，流体部分动能转化成动叶的机械能，并以轴功方式输出。流体在动叶中做完功从动叶流出后，绝对速度降低，同时将流体方向折转回轴向方向，进入下一级继续做功。
六级动叶各级叶型及各级叶片数均相同，单级叶片数量为质数。动叶反力度0.05，相邻动叶叶片形成的流道为渐缩型流道，保证了流体在动叶流道中的流动为顺压梯度，减少流动分离。转子轴功在各级动叶间均匀分配，也即整个转子所有的动叶承受的平均内应力相同，有利于提高转子运行的平稳性和可靠性。
第一级静叶内圈外圈两端同时固定，后五级外圈固定的静子壳体，内圈布置叶冠。由于该液力涡轮的工质为液氧，为消除液氧工质中由于意外转静子碰磨导致的不可控风险，静子上与动叶交界的圆周面上布置一层镀银层。动叶为不带冠叶片，以降低加工难度，提高加工效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据工质类型进行流道设计；
(2)确定级间匹配方式，完成多级涡轮级间匹配设计；
(3)根据步骤(2)确定的级间匹配方式及液力涡轮设计需求，进行静叶叶型设计及动叶叶型设计，完成多级轴流式液力涡轮设计；
所述步骤(3)中，所述静叶、动叶叶片均为6级；
所述静叶用于将液体工质流动方向由轴向折转为与额线成20°夹角，静叶进口截面面积与出口截面面积比值为2.5，第一级静叶轴向长度为后五级静叶叶片长度的1.5倍，叶片数量为后五级单级叶片数量的0.6倍，各级静叶叶片转折角以叶型中弧线70％处为分界线，分界线前部分转折速度快于分界线后部分，所述分界线后部分叶片用于稳流，所述叶片厚度沿叶型中弧线呈递增后递减分布。
2.根据权利要求1所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述工质类型为液态工质，所述流道设计为等截面子午流道，将液体工质压力势能转化为动能以轴功形式输出。
3.根据权利要求1所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，所述级间匹配方式为均匀化级间匹配方式，根据所选级间匹配方式进行多级涡轮级间匹配设计，所述均匀化级间匹配方式具体为：
各级静叶入口额定工况均为轴向无预旋工况，各级静叶的速度三角形均相同，除第一级静叶外，各级静叶与动叶均采用相同叶型设计且做功能力相同，各级动叶输出功率均匀分配且内部应力平均分配。
4.根据权利要求3所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述第一级静叶叶片数量及后五级单级静叶叶片数量均为质数。
5.根据权利要求4所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述静叶叶片厚度最大处位于中弧线上60％处。
6.根据权利要求1所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述静叶叶片前缘与后缘均为圆弧形倒圆，前缘倒圆半径大于后缘倒圆半径，安装静叶叶片的静子组件上与转子组件交界圆周面上设置有厚度为0.1mm的镀银层，安装动叶叶片的转子组件上两级动叶间，与静叶交界处设置有迷宫密封。
7.根据权利要求1所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，所述动叶为反力式叶型，动叶反力度为0.05，相邻动叶叶片形成流道为渐缩型流道，流道进口与出口的截面积比值为1.5倍，动叶叶型及各级叶片数均一致。
8.根据权利要求1所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，单级动叶叶片数量为质数，动叶叶片厚度沿叶型中弧线先递增后递减分布，动叶叶片最大厚度处位于中弧线上50％处。
9.根据权利要求1所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述动叶叶片前缘与后缘均为圆弧形倒圆，前缘倒圆半径与后缘倒圆半径一致，动叶转折角为90°，各级动叶叶片转折角以叶型中弧线70％处为分界线，分界线前部分液流角变化速度快于分界线后部分，所述分界线后部分叶片用于稳流，所述叶片厚度沿叶型中弧线呈递增后递减分布。
10.根据权利要求1所述的一种高压比多级轴流式液力涡轮设计方法，其特征在于：
所述动叶叶片为不带冠叶片。
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