CN115614316A

CN115614316A - 一种单级串列高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵

Info

Publication number: CN115614316A
Application number: CN202211385509.3A
Authority: CN
Inventors: 谭磊; 韩丙福
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2022-11-07
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2023-01-17

Abstract

本发明公开了一种单级串列高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵。其中，在单级串列叶片设计中，前排叶片型线和后排叶片型线由基型线进行确定，前排叶片型线由基型线和前排叶片后缘修型线共同确定，后排叶片型线由基型线后端点、后排叶片前缘点、后排叶片前缘切点、后排叶片切线交点共同决定的三阶Bezier曲线进行确定，而基型线的形状由给定的基型线弦长和基型线安装角进行确定。通过该设计方法得到的叶片可以有效提高叶片泵的能量密度并拓宽泵的稳定运行区间，提高叶片泵的能量利用效率和安全运行稳定性。

Description

一种单级串列高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵

技术领域

本发明属于叶片泵的技术领域，特别涉及一种单级串列高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵。

背景技术

近年来，叶片泵在能源动力、航空航天和海洋动力等多领域广泛应用，对泵的做功能量密度要求日益提高。因此，急需发展一种单级串列的高能量密度叶片泵，使其在有限空间约束下输出更高能量。

目前提高叶片泵的能量密度的方法主要是叶片的型线以及泵的流道进行改型设计，以提升泵在设计工况下的能量密度，但是此类方法提升的效果十分有限，并且在偏工况下会产生严重的扬程下降，导致泵不能稳定运行。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种单级串列高能量密度叶片设计方法，可有效提高叶片泵的能量密度并拓宽泵的稳定运行区间。

根据本发明第一方面实施例的单级串列高能量密度叶片设计方法，用于设计出单级串列叶片，所述单级串列叶片由前排叶片和后排叶片组成；所述设计方法包括如下步骤：

确定基型线弦长和基型线安装角，所述基型线弦长和所述基型线安装角由给定参数确定；

确定基型线，所述基型线由所述基型线弦长和所述基型线安装角唯一确定的双曲螺旋线确定；

确定所述基型线上的分离点，所述分离点由所述基型线的前端点处的切线斜率和后端点处的切线斜率确定；

确定分离点切线，所述分离点切线为过所述分离点且与所述基型线相切的切线，由所述分离点和所述基型线确定；

确定后排叶片前缘切线，所述后排叶片前缘切线由过所述双曲螺旋线前缘端点且与所述分离点切线平行的平行线确定；

确定后排叶片前缘点，所述后排叶片前缘点由过所述分离点且垂直于所述后排叶片前缘切线的垂直线和所述后排叶片前缘切线的交点确定；

确定后排叶片前缘切点，所述后排叶片前缘切点由所述后排叶片前缘切线和所述基型线的交点确定；

确定后排叶片切线交点，所述后排叶片切线交点由所述后排叶片前缘切点处切线与所述基型线后端点处切线的交点确定；

确定后排叶片型线，所述后排叶片型线由所述基型线后端点、所述后排叶片前缘点、所述后排叶片前缘切点、所述后排叶片切线交点共同决定的三阶Bezier曲线确定；

确定后排通流面积，所述后排通流面积由所述后排叶片前缘点、所述分离点共同确定；

确定前排叶片后缘点，所述前排叶片后缘点由所述后排叶片前缘点、所述后排叶片型线、所述后排通流面积共同确定；

确定前排叶片后缘修型线，所述前排叶片后缘修型线由所述前排叶片后缘点和所述分离点切线共同确定；

确定前排叶片型线，所述前排叶片型线由所述基型线和所述前排叶片后缘修型线共同确定；

确定所述前排叶片和所述后排叶片的厚度分布律，所述前排叶片和所述后排叶片的厚度分布律由给定参数确定。

由于传统的叶片表面的流动分离现象会给叶片泵带来严重不良影响，而在高能量密度的叶片泵中，叶片载荷更大、叶片弯曲角度更大，导致沿叶片压力面的流动分离现象更为严重。由本发明第一方面实施例的单级串列高能量密度叶片设计方法得到的单级串列叶片能够良好地减轻在大功率、高能量密度设计要求下的这一负面现象，可以有效提高叶片泵的能量密度并拓宽泵的稳定运行区间，提高叶片泵的能量利用效率和安全运行稳定性。

在一些实施例中，对于沿叶片高度方向上给定的所述基型线弦长和所述基型线安装角，得到所述基型线为：

其中，α为所述基型线安装角，L为所述基型线弦长，c为双曲螺旋线参数，θ₀为初始旋转角，c,θ₀由L和α迭代求解得到。

在一些实施例中，确定所述分离点的关系式：

其中，所述基型线上各点处的导数为

为所述基型线的前端点处的导数，

为所述基型线的后端点处的导数，θ_S为所述分离点对应的转角，

为所述分离点处的导数。

在一些实施例中，确定所述分离点切线的关系式为：

在一些实施例中，确定所述后排叶片前缘切线的关系式为：

在一些实施例中，确定所述后排叶片前缘点的关系式为：

其中，(x_hq,y_hq)为后排叶片前缘点的横纵坐标。

在一些实施例中，确定所述后排叶片前缘切点的关系式为：

其中，θ_Q为后排叶片前缘切点的旋转角。

在一些实施例中，确定所述后排叶片切线交点的关系式为：

其中，(x_hj,y_hj)为后排叶片切线交点的横纵坐标。

在一些实施例中，确定所述后排叶片型线的关系式为：

其中，t为曲线参数，t∈(0,1)。

在一些实施例中，确定所述后排通流面积的关系式为：

其中，S_t为后排通流面积。

在一些实施例中，确定所述前排叶片后缘点的关系式为：

其中，(x_qh,y_qh)为前排叶片后缘点的横纵坐标，t_s为后排叶片型线Bezier曲线参数值，由下式获得：

在一些实施例中，确定所述前排叶片后缘修型线的关系式为：

本发明第二方面还提出了一种叶片泵。

根据本发明第二方面实施例的叶片泵，所述叶片泵包括单级串列叶片，所述单级串列叶片为根据本发明第一方面任意一个实施例的所述的单级串列高能量密度叶片设计方法设计得到。

本发明第二方面实施例的叶片泵由于采用了本发明第一方面任意一个实施例的单级串列高能量密度叶片设计方法设计出的单级串列叶片，因此，可以有效提高叶片泵的能量密度并拓宽泵的稳定运行区间，提高叶片泵的能量利用效率和安全运行稳定性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的叶片泵的立体示意图；

图2是根据本发明一个实施例的叶片泵在某一计算截面的前排叶片型线和后排叶片型线形成过程的示意图。

附图标记：

前排叶片A；后排叶片B；前排叶片后缘C；后排叶片前缘D；后排通流面积E；基型线弦长1；基型线安装角2；基型线3；分离点4；分离点切线5；后排叶片前缘切线6；后排叶片前缘点7；后排叶片前缘切点8；后排叶片切线交点9；基型线后端点10；后排叶片型线11；前排叶片后缘点12；前排叶片后缘修型线13；前排叶片型线14。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图2来描述本发明实施例的一种单级串列高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵。

本发明第一方面提出一种单级串列高能量密度叶片设计方法，基于径向平衡方程的平面直列叶栅理论进行叶片的设计。沿径向方向截取不同半径高度处的圆柱截面，并将其展开成一平面，即形成不同高度处的平面直列叶栅。该平面直列叶栅为一单级串列叶栅，由前后两个叶片的翼型截面组成。前后两叶片的翼型均由中弧线结合沿中弧线的厚度分布共同生成。在设计时，首先将叶栅形状进行确定，再沿径向放样拉伸得到完整叶片。

如图1和图2所示，根据本发明第一方面实施例的单级串列高能量密度叶片设计方法，用于设计出单级串列叶片，单级串列叶片由前排叶片A和后排叶片B组成，前排叶片A在沿过流方向的前端和后端分别称为前排叶片前缘和前排叶片后缘C，后排叶片B在沿过流方向的前端和后端分别称为后排叶片前缘D和后排叶片后缘，前排叶片前缘与进口连接，后排叶片后缘与出口连接。单级串列叶片在叶高方向上具有轮毂侧和轮缘侧。串列叶片的前排叶片A和后排叶片B分别通过前排叶片A的中弧型线(简称前排叶片型线14，如图1所示)和后排叶片B的中弧型线(简称后排叶片型线11，如图1所示)按照给定的叶片厚度分布律加厚的方式获得。

如图2所示，本发明第一方面实施例的单级串列高能量密度叶片设计方法包括如下步骤：

确定基型线弦长1和基型线安装角2，基型线弦长1和基型线安装角2由给定参数确定，这里的基型线弦长1和基型线安装角2是指沿叶片高度方向的基型线弦长1和基型线安装角2。

确定基型线3，基型线3由基型线弦长1和基型线安装角2唯一确定的双曲螺旋线确定。

确定基型线3上的分离点4，分离点4由基型线3的前端点处的切线斜率和后端点处的切线斜率确定。

确定分离点切线5，分离点切线5为过分离点4且与基型线3相切的切线，由分离点4和基型线3确定。

确定后排叶片前缘切线6，后排叶片前缘切线6由过双曲螺旋线前缘端点且与分离点切线5平行的平行线确定。

确定后排叶片前缘点7，后排叶片前缘点7由过分离点4且垂直于后排叶片前缘切线6的垂直线和后排叶片前缘切线6的交点确定。

确定后排叶片前缘切点8，后排叶片前缘切点8由后排叶片前缘切线6和基型线3的交点确定。

确定后排叶片切线交点9，后排叶片切线交点9由后排叶片前缘切点8处切线与基型线后端点10处切线的交点确定。

确定后排叶片型线11，后排叶片型线11由基型线后端点10、后排叶片前缘点7、后排叶片前缘切点8、后排叶片切线交点9共同决定的三阶Bezier曲线确定。

确定后排通流面积E，后排通流面积E由后排叶片前缘点7、分离点4共同确定。

确定前排叶片后缘点12，前排叶片后缘点12由后排叶片前缘点7、后排叶片型线11、后排通流面积E共同确定。

确定前排叶片后缘修型线13，前排叶片后缘修型线13由前排叶片后缘点12和分离点切线5共同确定。

确定前排叶片型线14，前排叶片型线14由基型线3和前排叶片后缘修型线13共同确定。

确定前排叶片A和后排叶片B的厚度分布律，前排叶片A和后排叶片B的厚度分布律由给定参数确定。

也就是说，前排叶片型线14和后排叶片型线11由基型线3进行确定，前排叶片型线14由基型线3和前排叶片后缘修型线13共同确定，后排叶片型线11由基型线后端点10、后排叶片前缘点7、后排叶片前缘切点8、后排叶片切线交点9共同决定的三阶Bezier曲线进行确定。而基型线3的形状由给定的基型线弦长1和基型线安装角2进行确定。

在一些实施例中，基型线3由基型线弦长1和基型线安装角2唯一确定的双曲螺旋线确定，对于沿叶片高度方向上给定的基型线弦长1和基型线安装角2，得到基型线3：

其中，α为基型线安装角2，L为基型线弦长1，c为双曲螺旋线参数，θ₀为初始旋转角，c,θ₀由L和α迭代求解得到。也就是说，根据关系式(1)，能够确定基型线3。

在一些实施例中，分离点4由基型线3的前端点处的切线斜率和后端点处的切线斜率确定，确定分离点4的关系式：

其中，基型线3上各点处的导数为

为基型线3的前端点处的导数，

为基型线3的后端点处的导数，θ_S为分离点4对应的转角，

为分离点4处的导数。也就是说，通过关系式(2)，可以确定基型线3上的分离点4。

在一些实施例中，分离点切线5为过分离点4且与基型线3相切的切线，由分离点4和基型线3确定，确定分离点切线5的关系式为：

也就是说，通过关系式(3)，能够确定基型线3上的分离点4。

在一些实施例中，后排叶片前缘切线6由过双曲螺旋线前缘端点且与分离点切线5平行的平行线确定，确定后排叶片前缘切线6的关系式为：

也就是说，通过关系式(4)，能够确定后排叶片前缘切线6。

在一些实施例中，后排叶片前缘点7由过分离点4且垂直于后排叶片前缘切线6的垂直线和后排叶片前缘切线6的交点确定，确定后排叶片前缘点7的关系式为：

其中，(x_hq,y_hq)为后排叶片前缘点7的横纵坐标。

也就是说，通过关系式(5)，能够确定后排叶片前缘点7。

在一些实施例中，后排叶片前缘切点8由后排叶片前缘切线6和基型线3的交点确定，确定后排叶片前缘切点8的关系式为：

其中，θ_Q为后排叶片前缘切点8的旋转角。

也就是说，通过关系式(6)，能够确定后排叶片前缘切点8。

在一些实施例中，后排叶片切线交点9由后排叶片前缘切点8处切线与基型线后端点10处切线的交点确定，确定后排叶片切线交点9的关系式为：

其中，(x_hj,y_hj)为后排叶片切线交点9的横纵坐标。

也就是说，通过关系式(7)，能够确定后排叶片切线交点9。

在一些实施例中，后排叶片型线11由基型线后端点10、后排叶片前缘点7、后排叶片前缘切点8、后排叶片切线交点9共同决定的三阶Bezier曲线确定，确定后排叶片型线11的关系式为：

其中，t为曲线参数，t∈(0,1)。

也就是说，通过关系式(8)，能够确定后排叶片型线11。

在一些实施例中，后排通流面积E由后排叶片前缘点7、分离点4共同确定，确定后排通流面积E的关系式为：

其中，S_t为后排通流面积E。

也就是说，通过关系式(9)，能够确定后排通流面积E。

在一些实施例中，前排叶片后缘点12由后排叶片前缘点7、后排叶片型线11、后排通流面积E共同确定，确定前排叶片后缘点12的关系式为：

其中，(x_qh,y_qh)为前排叶片后缘点12的横纵坐标，t_s为后排叶片型线Bezier曲线参数值，由下式获得：：

也就是说，通过关系式(10)及关系式(11)，能够确定前排叶片后缘点12。

在一些实施例中，前排叶片后缘修型线13由前排叶片后缘点12和分离点切线5共同确定，确定前排叶片后缘修型线13的关系式为：

也就是说，通过关系式(12)，能够确定前排叶片后缘修型线13。

本发明第二方面还提出了一种叶片泵。

根据本发明第二方面实施例的叶片泵，叶片泵包括单级串列叶片，单级串列叶片为根据本发明第一方面任意一个实施例的单级串列高能量密度叶片设计方法设计得到。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。