一种径‑轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106640210A(43)申请公布日2017.05.10(21)申请号201610822298.3(22)申请日2016.09.14(71)申请人西安交通大学苏州研究院地址215123江苏省苏州市仁爱路99号B1楼(72)发明人侯予孙皖李子智陈双涛(74)专利代理机构苏州创元专利商标事务所有限公司32103代理人范晴丁浩秋(51)Int.Cl.F01D5/14(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图5页(54)发明名称一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法(57)摘要本发明公开了一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，包括以下步骤：选定子午面二维坐标系，根据已知参数，给定初始方程指数，描述并计算子午面hub线和shroud线；选定子午面控制线，计算三维叶片吸力面和压力面上控制线的控制点坐标；计算等流线位置处的通流面积，以流线位置为横坐标，该流线位置处的通流面积为纵坐标作图；判断流道是否满足光顺变化的要求，若是，则输出子午面hub和shroud线的点坐标；若否，则调整曲线方程指数重新计算；本发明设计过程简便、快捷，校核流道光顺变化的依据更具有说服力，直接可以得到叶片三维型线的点坐标，有利于后续的网格划分、数值模拟、优化设计及加工制造等工作。CN106640210ACN106640210A权利要求书1/3页1.一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：建立子午面二维Z-R坐标系，根据透平膨胀机叶轮的基本几何参数，给定初始方程指数，采用Lamé椭圆方程描述子午面hub曲线和shroud曲线并计算；S02：选定子午面控制线，根据导流段弯曲型线计算方程及二维-三维(2D-3D)坐标变换，计算三维叶片吸力面和压力面上控制线的控制点坐标；S03：计算等流线位置处通流面积，以流线位置为横坐标，该流线位置处的通流面积为纵坐标作图；S04：根据通流面积随流线位置的变化曲线判断子午面流道是否光滑或设计是否符合实际要求；如果是，则得到子午面hub曲线和shroud曲线的控制点坐标以及三维叶片吸力面和压力面上控制线的控制点坐标，如果否，则修改初始方程指数，重新计算。2.根据权利要求1所述的径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，其特征在于，所述步骤S01包括：S11：建立子午面二维Z-R坐标系，Z轴为叶轮轴线且逆气流方向，R轴为垂直叶轮轴线且从叶根到叶顶方向，根据已知基本几何参数计算hub曲线进口坐标(z1h，r1h)、出口坐标(z2h，r2h)和shroud曲线的进口坐标(z1s，r1s)，出口坐标(z2s，r2s)，所述基本几何参数包括进口直径D1、叶高L1、出口外径D2s以及出口内径D2h，轴向总长度Bt，导流段轴向长度Bd，叶片厚度δ，叶片数目NR，hub曲线进出口圆锥角β1h和β2h，shroud曲线进出口圆椎角β1s及β2s，其表达式为：采用Lamé椭圆方程一般表达式描述hub曲线和shroud曲线：则r对z的一阶导数为：分别求解hub及shroud曲线方程；S12：求解hub曲线方程，给定方程初始指数p和q的值为ph及qh；令z1＝z1h，r1＝r1h及z2＝z2h，r2＝r2h分别代入方程(1)中；令β1＝β1h，β2＝β2h分别代入方程(2)中；求得hub曲线方程对应的参数a、b、c和d的值；求解shroud曲线方程，给定初始方程指数p和q的值为ps及qs，令z1＝z1s，r1＝r1s及z2＝z2s，r2＝r2s以及β1＝β1s，β2＝β2s，求得shroud曲线方程对应的参数a、b、c和d的值；S13：将曲线Z坐标均分为N1段，得到N1+1个Z坐标zz1,zz2,...,zzK,...,zzN1+1，分别代入式(1)中求得对应的R坐标rr1,rr2,...,rrK,...,rrN1+1，计算相邻两点之间的距离并对所有距离求和得到曲线的弧长L；将hub曲线或shroud曲线按等弧长进行划分为N2段，每一段长2CN106640210A权利要求书2/3页度为L/N2，利用二分法进行迭代得hub曲线和shroud曲线上的点坐标分别为(zh1,rh1),...,(zhN2+1,rhN2+1)和(zs1,rs1),...,(zsN2+1,rsN2+1)，得到二维子午面hub曲线和shroud曲线的等长度控制点坐标。3.根据权利要求2所述的径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，其特征在于，所述步骤S02包括：S21：在对应的子午面上选取包括hub曲线和shroud曲线的多条子午面控制线，得到叶片表面上所有子午面控制线上的点坐标；S22：第J条子午面控制线上第K个控制点对应的坐标