[发明专利]一种叶轮机械叶片与端壁融合设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶轮机械叶片与端壁融合设计方法，属于叶轮机械技术领域。

背景技术

叶轮机中，在与拟流向正交的准正交面内(S3流面)，四个交接角隅A、B、C和D由叶片E与端壁F相交形成，见图1所示。其流动以叶表附面层和端壁附面层相交汇为主要特征，尤其在叶片吸力面与端壁所形成的两个角隅A和B，这里不但有叶表吸力面附面层与端壁附面层，还有压力面和吸力面之间压差驱动并受端壁阻滞的二次流动，常常出现分离。而一旦出现分离，叶轮机性能将恶化，效率下降、随流量减小分离尺度急剧扩大、负荷能力降低。因此，如何合理有效组织角区流动具有重要意义。

叶片E与端壁F交接角隅几何构型对角区流动组织和分离抑制具有重要作用，但当前叶轮机设计技术未曾考虑这一点，尚未形成考虑叶片E与端壁F交接角隅的构型方法。值得注意的是，这与叶根倒圆技术有很大区别：应用叶根倒圆是为了避免出现应力集中等强度问题，而且一般沿流向倒圆半径不变。

发明内容

本发明目的在于为提高现有技术的叶轮机负荷能力，提供一种叶轮机械叶片与端壁融合的设计方法。

为实现上述目的，本发明提供的叶轮机械叶片与端壁融合的设计方法的具体实现步骤为：

步骤1，采取常规方法确定叶轮机械子午流道和叶片型面。

步骤2，沿步骤1确定的子午流道中流向方向，从叶片前缘到尾缘，选择若干位置作横断面，在横断面内，根据附面层估算理论方法、三维计算流体力学(CFD)方法、实验测量方法三者之一判定各横断面内叶片表面和端壁表面交汇角区附面层厚度。

步骤3，根据步骤2得到的各个角区附面层厚度，确定各横断面位置处叶片表面与端壁表面的连接曲线形式以及该连接曲线的最小曲率半径。所采用的曲线形式可为任意形状的光滑曲线，其最小曲率半径是影响附面层分离性能的关键因素。

确定最小曲率半径的具体方法为：用δ_max代表某一流向位置S处角区附面层厚度值，P_s代表当地栅距(叶片到叶片的距离)，则叶片与端壁交接角隅光滑连接的曲线最小曲率半径R_min满足0.2δ_max＜R_min＜0.5P_S，且在叶片尾缘处R_min可退化为0。其中，同一流向位置S处叶片吸力面与端壁连接曲线、叶片压力面与端壁连接曲线的最小曲率半径可以不同。

步骤4，根据步骤2所选定的若干位置和步骤3确定的这些位置处叶片与端壁连接曲线的最小曲率半径，拟合或插值确定连接曲线最小曲率半径R_min沿流向分布规律，以便给出任何流向位置处的连接曲线。最小曲率半径R_min沿流向分布规律表现为光滑曲线。

步骤5，在步骤2所选定的若干位置处人为给定端壁面径向倾角α，其取值范围为-20°＜α＜+20°。

步骤6，根据步骤2所选定的若干位置和步骤5确定的这些位置处的端壁面径向倾角α，拟合或插值确定端壁面径向倾角α沿流向分布规律。该分布规律表现为光滑曲线。

步骤7，根据步骤3、步骤4和步骤6所确定的端区叶片与端壁连接曲线形式、连接曲线最小曲率半径R_min、端壁面径向倾角α的沿流向分布规律，沿流向取足够多的截面，将截面内叶片与端壁进行光滑连接。由此形成的曲线簇包络成叶片端壁融合表面，完成叶片与端壁的融合。

本发明步骤1-步骤7所述的方法不仅适用于叶轮机叶片，同样适用于飞机机翼与机身的融合。

有益效果

本发明的叶片与端壁融合的设计方法，提高了叶轮机负荷能力(以压比、效率、裕度、低雷诺数性能折衷表征)，达到叶轮机械抑制角区分离、降低流动损失的目的，使得在叶轮机械设计阶段能更有效的对角区流动进行组织，提升叶轮机气动性能。

附图说明

图1是公知技术中叶片与端壁相交形成四个交接角区的示意图；

图2是具体实施方式中沿流程截取三个横断面的示意图；其中(a)为截取方式示意图，(b)为截面1的叶片与端壁交接角区附面层示意图，(c)为截面2的叶片与端壁交接角区附面层示意图，(d)为截面3的叶片与端壁交接角区附面层示意图；

图3是具体实施方式中叶片与端壁交接角隅沿横断面角区最小曲率半径值沿流向分布示意图；

图4是具体实施方式中叶片与端壁光滑连接示意图；

图5是具体实施方式中叶片与端壁融合前后的叶片及端壁对比图；其中(a)为叶片与端壁融合前的示意图，(b)为叶片与端壁融合后的示意图；