[发明专利]一种叶轮的设计方法

说明书

本发明公开了一种叶轮的设计方法，旨在提供一种快速准确的叶轮设计方法，以提高叶轮的气动性能及设计效率。该方法为：给定叶轮无量纲参数；设定初始焓升系数；计算最佳离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角；计算离心叶轮进口轮盖相对马赫数；计算焓升系数；判断焓升系数与初始焓升系数的相对误差是否小于1％，如果相对误差大于或等于1％，则重新设定初始焓升系数；如果相对误差小于1％则判定为迭代收敛进行下一步；计算离心叶轮进口轮盖直径与离心叶轮出口直径之比及离心叶轮出口宽度与离心叶轮出口直径之比；给定离心叶轮有量纲参数；根据上述计算结果和给定参数得到叶轮设计参数。该方法能够提高叶轮的气动性能，缩短设计周期。

技术领域

本发明涉及离心及混流式旋转机械的过流部件设计技术领域，更具体的说，是涉及一种叶轮的设计方法及其应用。

背景技术

离心压气机广泛应用于航空发动机、地面燃气轮机、汽车船舶涡轮增压器、石油化工压缩机，在国防、民用工业等领域发挥着不可替代的作用。离心叶轮作为离心压气机核心部件，其气动热力学设计是一项关键技术。目前，离心叶轮设计方法一般有两类：第一类是正命题设计，通过基本气动热力学计算得到初始设计方案，再根据三维数值模拟结果反复修改几何模型，直至满足设计要求。第二类是逆命题设计，一般给定叶片载荷分布，通过求解无黏或者有黏流动方程，解算出几何结构，一般也需要反复修正载荷分布。得益于全三维黏性计算流体力学、全局优化算法及大容量计算技术的发展，正命题设计方法使用更普遍。初始设计对正命题设计至关重要，一个良好的初始设计往往能够大大减少设计迭代次数，提高设计效率。

Casey提出了一种结构紧凑的离心叶轮一维设计方法，该方法仅针对轴向进气条件，焓升系数给定为一个常数，且设计结果不包含离心叶轮出口几何结构参数，导致无法进行预旋进气叶轮设计，叶轮的设计效率低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种快速准确的一维气动热力学叶轮设计方法，以提高叶轮的气动性能及设计效率。

本发明的另一个目的是提供一种叶轮设计方法在已有叶轮气动热力学性能评估或校核方面的应用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种叶轮的设计方法，包括下述步骤：

(1)给定叶轮设计目标无量纲参数、离心叶轮几何约束无量纲参数和介质特性无量纲参数；所述给定叶轮设计目标无量纲参数包括等熵效率η、总压比ε和流量系数φ；所述给定的离心叶轮几何约束无量纲参数包括形状因子k、离心叶轮出口径向气流角β₂、离心叶轮出口径向速度比叶片数z、比焓比σ和离心叶轮进口预旋角α₁；所述给定的介质特性无量纲参数包括气体常数R和绝热指数γ；

(2)设定初始焓升系数μ₀；

(3)采用隐式格式迭代计算方法计算最佳离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角β_1s，计算公式如下：

(4)计算离心叶轮进口轮盖相对马赫数M_w1，计算公式如下：

(5)计算焓升系数μ，计算公式如下：

(6)判断焓升系数μ与初始焓升系数μ₀的相对误差是否小于1％，如果相对误差大于或等于1％，返回步骤(2)，重新设定初始焓升系数；如果相对误差小于1％则判定为迭代收敛，进行下一步计算；

(7)分别计算离心叶轮进口轮盖直径D_1s与离心叶轮出口直径D₂之比和离心叶轮出口宽度b₂与离心叶轮出口直径D₂之比