CN117329147A - 一种叶轮机一体化结构及其设计方法 - Google Patents
一种叶轮机一体化结构及其设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117329147A CN117329147A CN202210732313.0A CN202210732313A CN117329147A CN 117329147 A CN117329147 A CN 117329147A CN 202210732313 A CN202210732313 A CN 202210732313A CN 117329147 A CN117329147 A CN 117329147A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flow
- blade
- air flow
- impeller
- section
- 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.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000013461 design Methods 0.000 title abstract description 45
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 26
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 9
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 3
- 239000000306 component Substances 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 2
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 1
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005067 remediation Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/002—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by varying geometry within the pumps, e.g. by adjusting vanes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
本发明提供一种叶轮机一体化结构及其设计方法，涉及航空发动机、燃气轮机中的叶轮机技术领域。该叶轮机一体化结构包括机匣(1)、轮毂(2)和多个叶片(3)，其中：每个叶片(3)固定连接于轮毂(2)上，多个叶片(3)、轮毂(2)和机匣(3)的壁面包围形成多个气流通道，每个气流通道具有相同的几何特征；每个叶片(3)设置于相邻的两个气流通道沿圆周方向的包围区域。本发明通过将不同流向位置的流面沿流向进行积叠而直接得到气流通道，进而通过两相邻气流通道所围实体生成叶片几何，同时可以较为方便地实现流道壁面高阶光滑，可以实现叶片、端壁及流道的气动关联，进而突破叶轮机角区流动的设计调控瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机、燃气轮机中的叶轮机技术领域，尤其涉及一种叶轮机一体化结构及其设计方法。
背景技术
航空发动机中的压气机和涡轮等旋转机械统称为叶轮机。叶轮机是实现航空发动机气动热力循环的关键核心部件，其性能水平和技术水平直接关系到发动机研制的全局。在航空发动机更高推重比或者功重比的需求牵引下，高负荷、高压比、高转速已经成为先进叶轮机的典型特征，这使得叶片通道内流动三维性和畸变度显著增强，叶片和端壁表面边界层更为扭曲，角区等曲率突变位置的流动更易发生分离和变异，从而丧失叶轮机应有的流动特征，导致叶轮机的气动性能水平大为降低。通常，叶轮机性能恶化的直接诱因在于叶片/端壁角区的流动恶化，从根源上突破该问题必须着眼于组织和调控叶片/端壁角区的复杂三维流动，削弱或避免角区分离。
针对叶片/端壁角区的复杂三维流动问题，通常采用多种流动控制手段来降低其流动损失，如：通过叶片弯掠设计来改变角区压力梯度分布，对原有二次流分布和各种涡系产生影响，从而达到减小角区流动损失的目的；通过倒角、非轴对称端壁等对涡轮叶片近角区或近端壁的局部几何结构进行适当的气动改进来抑制角区复杂流动，进而降低流动损失。然而，在传统叶轮机设计中，叶片弯掠设计以及角区流动局部调控从本质上都是事后补救的措施。传统叶轮机造型设计方法将不同叶高位置的叶型沿叶高方向进行积叠得到叶片造型，两相邻叶片之间所围通道为气流通道。由于该方法在设计之初就将叶片、端壁及流道割裂对待并分开设计，使得其无法从根源上主动考虑叶片/端壁角区等复杂流动的组织与调控，仅能在设计完成后附加相应的流动控制方法，带来更高的设计成本且无法保证流动控制方法的通用性和实用性。
发明内容
为规避叶片和端壁分开设计带来的固有流动变异问题，本发明提供了一种叶轮机一体化结构及其设计方法，从设计源头主动考虑叶片/端壁角区复杂流动的叶轮机一体化构型，通过对叶片和端壁的一体化设计实现叶片、端壁及流道的气动关联，进而突破叶轮机角区流动的设计调控瓶颈。
为达到上述目的，本发明一方面提供了一种叶轮机一体化结构，包括机匣、轮毂和多个叶片，其中：每个叶片固定连接于轮毂上，多个叶片、轮毂和机匣的壁面包围形成多个气流通道，每个气流通道具有相同的几何特征；每个叶片设置于相邻的两个气流通道沿圆周方向的包围区域。
可选地，多个叶片沿圆周方向均匀分布。
可选地，每个气流通道的几何特征通过垂直于流线方向的多个S3流面进行积叠而得到。
可选地，每个气流通道的表面光滑连续。
本发明另一方面提供了一种叶轮机一体化结构的设计方法，该叶轮机包括叶片、轮毂和机匣，该方法包括：将叶片、轮毂和机匣的壁面包围形成多个气流通道，将多个气流通道沿圆周方向均匀分布；将每个气流通道中垂直于流线方向的多个S3流面进行积叠，使得每个气流通道具有相同的几何特征；根据相邻的两个气流通道沿圆周方向的包围区域，生成叶片几何。
可选地，多个S3流面形心的连线构成每个气流通道的中心线，中心线通过预设的中心线规律函数来确定。
可选地，除气流通道的进口截面和出口截面之外，每个S3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成。
可选地，每个S3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成，具体包括：分别将进口截面和出口截面的线条等弧长离散为I个点，得到进口截面点序列和出口截面点序列，I≥2且为整数；根据进口截面点序列和出口截面点序列，计算进口截面和出口截面上的各截面点对应的一阶导数和二阶导数，得到各截面点的曲率；通过预设的截面形状过渡规律函数，对各截面点的曲率进行修正，得到每个S3流面的曲线曲率分布；根据曲线曲率分布，生成S3流面的形状曲线。
可选地，多个S3流面的面积通过预设的截面积变化规律函数来控制。
可选地，每个气流通道的几何特征根据以下方式来确定：根据每个S3流面的形状曲线，以及多个S3流面的面积，将每个S3流面的形状曲线相对于截面形心等比例放大至对应的S3流面的面积；根据中心线规律函数，将放大后的各个S3流面按照轴向位置和周向偏距进行排列，得到多个控制截面；将多个控制截面沿流线方向进行积叠，得到气流通道的几何特征。
与现有技术相比，本发明提供的叶轮机一体化结构及其设计方法，至少具有以下有益效果：
(1)该方法能够从设计源头计及叶片和端壁的气动关联，规避传统设计方法将叶片和端壁割裂对待所带来的叶片/端壁角区流动恶化，实现角区流动的精细化组织与调控，削弱或避免流动分离；
(2)该方法能够通过控制S3流面的变换规律使叶片、端壁等流道壁面高阶光滑融合，规避传统设计方法所带来的叶片和端壁表面曲率不连续，进而有效改善叶轮机内部流动。
(3)本发明提供了可用于计及角区等复杂三维流动控制的先进叶轮机设计方法，易于实现流动高效组织与调控，设计通用性强，特别适用于各类轴流和离心式叶轮机械。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明实施例的叶轮机一体化结构的三维图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的叶轮机一体化结构的设计方法的流程图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的气流通道的中心线的几何关系图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的每个S3流面的形状曲线生成过程的流程图；
图5示意性示出了根据本发明实施例的截面形状过渡规律函数的几何关系图；
图6示意性示出了根据本发明实施例的截面积变化规律函数的几何关系图；
图7示意性示出了根据本发明实施例的每个气流通道的几何特征确定过程的流程图；
图8示意性示出了根据本发明实施例的多个控制截面的几何关系图；
图9示意性示出了根据本发明实施例的气流通道和叶片的几何关系图。
【附图标记说明】
1-机匣；2-轮毂；3-叶片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了根据本发明实施例的叶轮机一体化结构的三维图。
如图1所示，本发明实施例提供的叶轮机一体化结构，包括机匣1、轮毂2和多个叶片3，轮毂2也可称为下端壁，相应地，该机匣1也可称为上端壁。
其中，每个叶片3固定连接于轮毂2上，多个叶片3、轮毂2和机匣3的壁面包围形成多个气流通道，每个气流通道具有相同的几何特征；每个叶片3设置于相邻的两个气流通道沿圆周方向的包围区域。
通过上述结构，本实施例在设计中统筹考虑叶片、轮毂以及机匣的固壁型面之间的气动关联以最大化适应气流流动特性，通过将叶片和上、下端壁一体化设计生成气流通道，相邻两个气流通道所围实体生成叶片几何，该结构在设计中一体化统筹考虑叶片、轮毂以及机匣的固壁型面之间的气动关联以最大化适应气流流动特性。
进一步地，多个叶片3沿圆周方向均匀分布，以保证气流在每个叶片内受力均衡。
进一步地，每个气流通道的几何特征通过垂直于流线方向的多个S3流面进行积叠而得到。
进一步地，每个气流通道的表面光滑连续。
由此，该结构能够通过控制S3流面的变换规律使叶片、端壁等流道壁面高阶光滑融合，规避传统设计方法所带来的叶片和端壁表面曲率不连续，进而有效改善叶轮机内部流动。
该叶轮机一体化结构，结构简单、设计加工方便、易于实现，不引入新的主动流动控制结构或额外的流动损失。
基于上述公开结构，本发明还提供了一种该叶轮机一体化结构的设计方法，以下将结合图2～图9对该方法进行详细描述。
图2示意性示出了根据本发明实施例的叶轮机一体化结构的设计方法的流程图。
结合图1和图2所示，该叶轮机包括叶片、轮毂和机匣，根据该实施例的叶轮机一体化结构的设计方法，可以包括操作S210～操作S230。
在操作S210，将叶片、轮毂和机匣的壁面包围形成多个气流通道，将多个气流通道沿圆周方向均匀分布。
在操作S220，将每个气流通道中垂直于流线方向的多个S3流面进行积叠，使得每个气流通道具有相同的几何特征。
由此，通过将不同轴向位置的S3流面进行积叠，可以直接得到气流通道。
在操作S230，根据相邻的两个气流通道沿圆周方向的包围区域，生成叶片几何。
通过两相邻气流通道所围实体生成叶片几何。通过本发明的实施例，将不同流向位置的S3流面进行积叠而直接得到气流通道，进而通过两相邻气流通道所围实体生成叶片几何。该方法能够从设计源头计及叶片和端壁的气动关联，有效规避传统设计方法将叶片和端壁割裂对待所带来的叶片/端壁角区流动恶化，削弱或避免流动分离，以最大化适应气流流动特性。同时，该方法还能够通过控制S3流面的变换规律使叶片、端壁等流道壁面高阶光滑融合，规避传统设计方法所带来的叶片和端壁表面曲率不连续，进而有效改善叶轮机内部流动。
发明人在实现本发明的过程中发现，叶轮机对气流的作用可归结为两个方面：1)实现气流方向的折转；2)实现气流的膨胀加速或压缩减速。其中，气流方向的折转通过气流通道中心线的弯曲而实现，气流的膨胀或压缩通过气流通道S3流面的面积变化而实现。
有鉴于此，本发明实施例中，多个S3流面形心的连线构成每个气流通道的中心线，中心线通过预设的中心线规律函数y＝f(x)来确定。
图3示意性示出了根据本发明实施例的气流通道的中心线的几何关系图。
如图3所示，该中心线规律函数y＝f(x)例如可以采用以下五次多项式：
y＝A+Bx+Cx2+Dx3+Ex4+Fx5
其中，x为叶轮机的气流通道沿旋转轴方向的坐标，0＜x＜Cax，Cax为叶片的轴向长度；y为气流通道的中心线在x位置相对于y＝0轴线的偏移量，该偏移量沿圆周方向；A、B、C、D、E、F分别为五次多项式的常数项、一次项、二次项、三次项、四次项和五次项系数。
由此，在确定该五次多项式的各项系数后，气流通道的中心线即可唯一确定。
由于叶轮机中气流通道沿圆周方向均布且各气流通道具有相同的几何特征，上述中心线的五次多项式的常数项A仅与气流通道的周向位置有关，而与中心线的形状无关。因此，常数项系数A为0至2π之内任意的圆周弧度值。可选地，定义A＝0。
该五次多项式的各项系数根据以下预设约束条件共同确定：
其中，α1为气流通道的进口气流角；α2为气流通道的进口气流角；xm为一预设固定点的叶片轴向坐标；ym为该预设固定点的y轴坐标。
上述预设约束条件中的最后一项约束条件是为了保证气流通道中心线不存在拐点。
通过本发明的实施例，中心线规律函数y＝f(x)的预设约束条件的确定，主要依据气流通道进口气流角α1、出口气流角α2、通过前缘点(0，0)和某一固定点(xm，ym)而确定。
可以看出，在弦长Cax、气流角α1、α2、前缘点(0，0)和某一固定点(xm，ym)均已知的前提下，该中心线规律函数y＝f(x)的方程有6个未知系数，5个有效方程，因此该中心线规律函数留有1个参数自由度，以对中心线的形状进行调节。可选地，选取一次项系数B对中心线的变化率和形状进行控制，得到的中心线形状如图3所示。
可选地，组成气流通道的各S3流面均为垂直于旋转轴的截面，即各S3流面均为平行截面。其中，气流通道的进口截面形状可选择为类椭圆形，类椭圆形曲线环具有光滑连续的特点，能够实现气流通道中叶片壁面、轮毂壁面、机匣壁面的光滑连接，使得气流经过该截面位置时具有较好的气动性能。气流通道的出口截面形状可选择为类四边形，从而有利于控制叶片尾缘处的尾迹损失。除进、出口截面外，组成气流通道的各S3流面均为介于进、出口截面形状之间的过渡截面。
本发明实施例中，除气流通道的进口截面和出口截面之外，每个S3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成。
图4示意性示出了根据本发明实施例的每个S3流面的形状曲线生成过程的流程图。
如图4所示，每个S3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成，具体可以包括以下操作S410～操作S440。
在操作S410，分别将进口截面和出口截面的线条等弧长离散为I个点，得到进口截面点序列和出口截面点序列，I≥2且为整数。
例如，将进口类椭圆形截面和出口类四边形截面的线条等弧长离散为I个点，得到进口截面点序列(xin，i，yin.i)和出口截面点序列(xout，i，yout.i)，其中，I≥2且为整数，i＝1，2，…，I。
在操作S420，根据进口截面点序列和出口截面点序列，计算进口截面和出口截面上的各截面点对应的一阶导数和二阶导数，得到各截面点的曲率。
具体地，各截面点的曲率根据以下公式计算得出：
其中，k(in，i)和k(out，i)分别为第i个进口截面点和第i个出口截面点的曲率，i＝1，2，…，I；f′(in，i)和f′(out，i)分别为第i个进口截面点和第i个出口截面点的一阶导数；f″(in，i)和f″(out，i)分别为第i个进口截面点和第i个出口截面点的二阶导数。
在操作S430，通过预设的截面形状过渡规律函数，对各截面点的曲率进行修正，得到每个S3流面的曲线曲率分布。
具体地，引入截面形状过渡规律函数m＝g(x)，则每个过渡截面的曲线曲率分布根据以下公式计算得出：
k(j，i)＝k(in，i)+m(j)·(k(out，i)-k(in，i))
其中，k(j，i)为第j个过渡截面的曲线曲率分布；m(j)为截面形状过渡规律函数在第j个过渡截面上的系数。
在操作S440，根据曲线曲率分布，生成S3流面的形状曲线。
在确定各过渡截面的曲率k随着等弧长离散点i的分布后，即可依据曲线曲率分布，来确定气流通道过渡截面的几何形状。
图5示意性示出了根据本发明实施例的截面形状过渡规律函数的几何关系图。
如图5所示，本发明实施例中，截面形状过渡规律函数m＝g(x)采用以下五次多项式：
m＝a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5
其中，a、b、c、d、e、f分别为五次多项式的常数项、一次项、二次项、三次项、四次项和五次项系数。
由于截面形状过渡规律曲线一般在进、出口变化率为0，且m取值在0～1范围内单调变化，同时选取某一固定中间过渡截面(xjc，m(xjc))，则上述截面形状过渡规律函数的五次多项式的各项系数根据以下预设约束条件来确定：
其中，Cax为叶片的轴向长度；xjc为一中间过渡截面的叶片轴向坐标；m(xjc)为该中间过渡截面在叶片轴向坐标xjc下的截面形状过渡规律函数值。
可以看出，上述截面形状过渡规律函数的方程有6个未知系数，5个有效方程，因此该函数留有1个参数自由度对S3流面的形状曲线进行调节。可选地，选取二次项系数c对中心线的截面形状过渡的曲率进行控制，得到的截面形状过渡规律函数的曲线形状如图5所示。
由于气流的膨胀或压缩通过气流通道S3流面的面积变化而实现，本发明实施例中，多个S3流面的面积通过预设的截面积变化规律函数q＝h(x)来控制。
图6示意性示出了根据本发明实施例的截面积变化规律函数的几何关系图。
如图6所示，本发明实施例中，截面积变化规律函数q＝h(x)采用五次多项式：
q＝r+sx+tx2+ux3+vx4+wx5
其中，r、s、t、u、v、w分别为五次多项式的常数项、一次项、二次项、三次项、四次项和五次项系数。
五次多项式的各项系数根据以下预设约束条件来确定：
其中，Cax为叶片的轴向长度；Ain和Aout分别为进口截面和出口截面的面积；xt和qt分别为预设的截面积最小点的叶片轴向坐标和对应的截面积。
截面积变化规律函数q＝h(x)的约束条件的确定，可以根据气流通道进口截面积Ain、出口截面积Aout、通过某一截面积最小极值点(xt，qt)而确定。
可以看出，该截面积变化规律函数q＝h(x)方程有6个未知系数，4个有效方程，因此该函数留有2个参数自由度对截面积变化规律函数曲线的形状进行调节。可选地，选取一次项系数s和二次项系数t对截面积变化规律曲线的变化率和形状进行控制，得到的截面积变化规律函数曲线的形状如图6所示。
图7示意性示出了根据本发明实施例的每个气流通道的几何特征确定过程的流程图。图8示意性示出了根据本发明实施例的多个控制截面的几何关系图。图9示意性示出了根据本发明实施例的气流通道和叶片的几何关系图。
请参阅图8和图9，对图7所示的流程进行详细说明。
如图7所示，本发明实施例中，每个气流通道的几何特征可以根据以下操作S710～操作S730来确定。
在操作S710，根据S3流面的形状曲线，以及多个S3流面的面积，将每个S3流面的形状曲线相对于截面形心等比例放大至对应的S3流面的面积。
基于上述由截面形状过渡规律函数m＝g(x)所得到的每个S3流面的形状曲线，以及上述由截面积变化规律函数q＝h(x)所得到的每个S3流面的截面面积，将截面型线相对于截面形心等比例放大至所对应的截面面积。
在操作S720，根据中心线规律函数，将放大后的各个S3流面按照轴向位置和周向偏距进行排列，得到多个控制截面。
基于上述中心线规律函数y＝f(x)，将上述操作S710放大后的各个S3流面按照轴向位置和周向偏距进行排列，得到的多个控制截面的形状如图8所示。
在操作S730，将多个控制截面沿流线方向进行积叠，得到气流通道的几何特征。
如图9所示，在得到气流通道的几何特征后，将该气流通道沿圆周方向阵列即可得到叶型，其中两相邻气流通道所围实体即为叶片几何。
以上只是示例性说明，本发明实施例不限于此。例如，本发明实施例综合了中心线规律函数、截面形状过渡规律函数、截面积变化规律函数而实现，这三种规律函数均为连续函数，在一些实施例中，该连续函数包括但不局限于多项式函数、B样条曲线函数、正弦函数、余弦函数等。
又例如，在一些实施例中，气流通道的进口截面形状包括但不限于圆形、椭圆形等高阶连续封闭曲线，进而实现气流通道的光滑连续。
还例如，在一些实施例中，由上述叶轮机一体化结构的设计方法形成的叶轮机叶型，即可对现有的叶轮机气动设计技术形成补充，也可单独使用。
基于上述公开内容，本发明实施例通过将不同流向位置的流面沿流向进行积叠而直接得到气流通道，进而通过两相邻气流通道所围实体生成叶片几何，同时可以较为方便地实现流道壁面高阶光滑本发明，可以从设计源头主动考虑叶片/端壁角区复杂流动的叶轮机一体化构型，通过对叶片和端壁的一体化设计实现叶片、端壁及流道的气动关联，进而突破叶轮机角区流动的设计调控瓶颈。
综上所述，本发明实施例提供的叶轮机一体化结构及其设计方法，至少可以实现以下技术效果：
(1)不同于建立在对叶片几何进行造型的传统叶轮机设计方法，本发明实施例的方法基于对气流通道的造型设计得到；
(2)该气流通道的造型设计通过中心线规律函数、截面形状过渡规律函数、截面积变化规律函数而实现，基于这些规律函数可以较为灵活的调整规律曲线形状和分布；
(3)该方法通过对叶片和端壁的一体化设计实现叶片、端壁及流道的气动关联，实现气流通道的光滑连续，从而从根源上更好地组织并控制叶片/端壁角区等复杂流动，提升叶轮机的性能水平；
(4)该方法能够通过控制S3流面的变换规律使叶片、端壁等流道壁面高阶光滑融合，规避传统设计方法所带来的叶片和端壁表面曲率不连续，进而有效改善叶轮机内部流动。
(5)该叶轮机一体化结构，结构简单、设计加工方便、易于实现，不引入新的主动流动控制结构或额外的流动损失。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种叶轮机一体化结构，其特征在于，包括机匣(1)、轮毂(2)和多个叶片(3)，其中：
每个所述叶片(3)固定连接于所述轮毂(2)上，所述多个叶片(3)、轮毂(2)和机匣(3)的壁面包围形成多个气流通道，每个所述气流通道具有相同的几何特征；
每个所述叶片(3)设置于相邻的两个所述气流通道沿圆周方向的包围区域。
2.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，所述多个叶片(3)沿圆周方向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，所述每个所述气流通道的几何特征通过垂直于流线方向的多个S3流面进行积叠而得到。
4.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，每个所述气流通道的表面光滑连续。
5.一种叶轮机一体化结构的设计方法，所述叶轮机包括叶片、轮毂和机匣，其特征在于，所述方法包括：
将所述叶片、轮毂和机匣的壁面包围形成多个气流通道，将所述多个气流通道沿圆周方向均匀分布；
将每个所述气流通道中垂直于流线方向的多个S3流面进行积叠，使得每个所述气流通道具有相同的几何特征；
根据相邻的两个所述气流通道沿圆周方向的包围区域，生成叶片几何。
6.根据权利要求5所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，所述多个S3流面形心的连线构成每个所述气流通道的中心线，所述中心线通过预设的中心线规律函数来确定。
7.根据权利要求6所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，除所述气流通道的进口截面和出口截面之外，每个所述S3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成。
8.根据权利要求7所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，每个所述S3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成，具体包括：
分别将所述进口截面和出口截面的线条等弧长离散为I个点，得到进口截面点序列和出口截面点序列，I≥2且为整数；
根据所述进口截面点序列和出口截面点序列，计算所述进口截面和出口截面上的各截面点对应的一阶导数和二阶导数，得到各截面点的曲率；
通过预设的截面形状过渡规律函数，对所述各截面点的曲率进行修正，得到每个S3流面的曲线曲率分布；
根据所述曲线曲率分布，生成所述S3流面的形状曲线。
9.根据权利要求7所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，所述多个S3流面的面积通过预设的截面积变化规律函数来控制。
10.根据权利要求9所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，每个所述气流通道的几何特征根据以下方式来确定：
根据每个所述S3流面的形状曲线，以及所述多个S3流面的面积，将每个所述S3流面的形状曲线相对于截面形心等比例放大至对应的所述S3流面的面积；
根据所述中心线规律函数，将放大后的各个S3流面按照轴向位置和周向偏距进行排列，得到多个控制截面；
将所述多个控制截面沿流线方向进行积叠，得到所述气流通道的几何特征。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210732313.0A CN117329147A (zh) | 2022-06-24 | 2022-06-24 | 一种叶轮机一体化结构及其设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210732313.0A CN117329147A (zh) | 2022-06-24 | 2022-06-24 | 一种叶轮机一体化结构及其设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117329147A true CN117329147A (zh) | 2024-01-02 |
Family
ID=89274249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210732313.0A Pending CN117329147A (zh) | 2022-06-24 | 2022-06-24 | 一种叶轮机一体化结构及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117329147A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117521563A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法 |
-
2022
- 2022-06-24 CN CN202210732313.0A patent/CN117329147A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117521563A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法 |
| CN117521563B (zh) * | 2024-01-08 | 2024-03-15 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112347579B (zh) | 一种压气机叶型设计方法及压气机叶型 | |
| CN114519238B (zh) | 高性能叶轮机械叶片全三维造型方法、装置及电子设备 | |
| CN111859556B (zh) | 基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统 | |
| CN106446324B (zh) | 大型工业汽轮机末级扭叶片设计方法 | |
| CN101915130A (zh) | 可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片及其设计方法 | |
| JP7422156B2 (ja) | 航空エンジンのファンアセンブリのためのモデリング方法 | |
| CN113153529B (zh) | 基于双入射弯曲激波的宽速域进气道设计方法 | |
| CN110727995A (zh) | 叶片形状的构造方法、叶片以及计算机设备 | |
| CN114444196A (zh) | 一种自适应缝隙调节可变弯度导叶设计方法及其装置 | |
| CN107908914B (zh) | 离心压缩机闭式叶轮可加工性判断及中间截面的计算方法 | |
| CN115081130B (zh) | 基于动态支持向量回归的叶片与端壁联合气动优化方法 | |
| CN110990955A (zh) | 一种高超声速Bump进气道设计方法及系统 | |
| CN114036668A (zh) | 一种基于离心叶轮中间面曲线的可变自由曲面叶片生成方法 | |
| CN117329147A (zh) | 一种叶轮机一体化结构及其设计方法 | |
| CN113958519B (zh) | 一种基于中间面的离心叶轮不同形状叶片自动生成方法 | |
| CN113090580B (zh) | 一种具有s型前缘的离心叶轮叶片及其造型方法 | |
| Joly et al. | Full design of a highly loaded fan by multi-objective optimization of through-flow and high-fidelity aero-mechanical performances | |
| CN115982892B (zh) | 叶片设计方法、叶片及相关设备 | |
| CN115659705B (zh) | 一种全参数化高隐身进气道设计方法及高隐身进气道 | |
| CN113883093B (zh) | 一种低反力度压气机叶片设计方法、动叶及压气机 | |
| CN214247795U (zh) | 一种带有鼓包和凹缝结构的跨声速压气机转子叶片 | |
| CN108487943A (zh) | 基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法 | |
| CN109977513B (zh) | 一种用于风扇与压气机的吸力面三圆弧叶片造型方法 | |
| CN112648235B (zh) | 一种带有鼓包和凹缝结构的跨声速压气机转子叶片 | |
| Chuanrui et al. | An intuitive parameterization method with inherently high-order differentiability for compressor blade sections based on ellipse hierarchical deformation |
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 |