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1、第31卷第5期西安交通大学学报Vol.31№51997年5月JOURNALOFXI’ANJIAOTONGUNIVERSITYMay1997轴流式叶轮机械叶型的参数设计方法陈铁刘仪刘斌向一敏(西安交通大学,710049,西安)摘要提出了一种快速实用的叶轮机械叶片型线的设计方法.通过调整反映叶型中弧线和叶片厚度特征的12个参数,即可生成光滑的叶型.各个参数对叶型的控制作用十分方便、灵活.实例说明文中所采用的双三阶多项式模型能够很好地对叶轮机械叶型进行模拟.该设计方法与粘性数据值计算技术相结合,可以可靠地设计出高性能的叶型
2、,具有较高的工程应用前景.关键词叶轮机械叶片造型多项式中国图书资料分类法分类号TK262叶轮机械具有旋转速度高、通道狭窄和内部流动复杂等特点.随着机组向高参数、大容量和高效率的方向发展,相应地对包括叶片型线在内的通流部件气动设计提出了更高的要求.传统的设计方法要求反复地修改叶型,然后进行试验校核,不仅设计工作量大、周期长,而且费用高昂.随着计算机技术的迅速发展,叶型参数设计方法与数值模拟相结合的优化设计方法可以[1,2]迅速、高效地设计出性能优秀的叶型.该方法相对传统设计方法,不仅大大减少设计的修改次数和研究时间,而
3、且可以节省大笔的试验开支.因此,参数设计方法在叶轮机械叶片造型方面有着相当大的开发潜力.透平叶片的三维造型通常是先设计出平面叶型,然后将平面叶型在径向进行叠加来完成,因此平面叶片型线设计是其中最关键的步骤.结合叶型优化设计方法的叶片型线设计要求输入与叶片性能相关的控制参数,由这些参数生成光滑连续的叶片型线.常用的参数输入方法有[1,2]两种:一种是直接给出叶盆、叶背上的一些关键点的坐标或当地导数,由分段圆弧或多项式曲线等来插值生成型线;另一种方法是给出叶片的中弧线和厚度,由所有圆心在中弧线上的内切圆构成包络线来生成叶
4、片型线.前者对叶型的控制比较直观,调整部分点的坐标或导数,即可改变整体型线,但是经验性较强,不好进行方案比较.后者通过改变与中弧线及叶片厚度密切相关的特征参数来调整型线,既可以探讨叶片气动性能(如后加载、边界层等)与叶片各特征收到日期:1996-09-10.陈铁:男,1972年12月生,能源与动力工程学院叶轮机械研究所,博士生.*国家教委留学回国人员基金资助项目.第5期陈铁等:轴流式叶轮机械叶型的参数设计方法*53参数之间的关系,又能将已有叶型的特征参数提取出来进行分析弦计,继承它们的成熟经验.因此,本文选用后一种方
5、法,即给出与中弧线及叶片厚度相关的一组特征参数.1参数选取及说明[3]与叶轮机械叶片的气动、结构、强度、冷却、工艺等相关的参数多达二三十种,综合考虑多方面的要求,本文选取能有效控制叶片中弧线或厚度的特征参数各6个(见图1),下面分别加以说明.图1中弧线及叶片厚度控制参数示意图1.1中弧线控制参数1.1.1中弧线内弦长B0定义为中弧线前、后缘圆心之间的距离,是反映叶型尺寸的特征参数.为方便模化设计,后面提到的最大相对挠度及其相对位置均是与内弦长B0的相对值.1.1.2安装角U定义为内弦长方向(x轴正向)与前额线之间的夹
6、角,表征叶型的整体安装位置.1.1.3中弧线最大相对挠度Fmax定义为中弧线上各点与内弦(x轴)之间最大的距离.为模化设计需要,本文取其与B0之比值,表征了中弧线上的最大弯曲程度.1.1.4最大挠度相对位置Pmax定义为最大挠度点在内弦长(x轴)上的位置,取其与B0的比值,表征最大弯曲点的相对位置.1.1.5前缘几何进气角T1定义为中弧线前缘切线方面与前额线的夹角,表征中弧线前缘斜率.1.1.6后缘几何出气角T2定义为中弧线后缘切线方向与后额线的夹角,表征中弧线后缘斜率.1.2叶片厚度控制参数1.2.1最大半径Rma
7、x定义为中弧线上各点中的最大半径,表征叶型的最大厚度.1.2.2最大半径相对位置Tmax定义为最大半径点的中弧线弧长距离,取其与中弧线总弧长(Smax)的比值,表征最大厚度在中弧线上的相对位置.1.2.3前缘半径R1定义为前缘圆弧半径,表征叶片的“头部”大小.54西安交通大学学报第31卷1.2.4后缘半径R2定义为后缘圆弧半径,表征叶片“尾部”的厚薄.1.2.5前缘楔形角V1定义为叶片型线前缘上、下切线之夹角,表征前缘叶片厚度的变化趋势.1.2.6后缘楔形角V2定义为叶片型线后缘上、下切线之夹角,表征后缘叶片厚度的变
8、化趋势.2叶型设计方法本文采用特征参数成型方法设计叶片型线,大致步骤为:(1)给定中弧线的控制参数,按所选取的中弧线模型生成中弧线;(2)给定叶片厚度控制参数,按叶片厚度模型生成厚度沿弧长的变化规律;(3)由以上2步所生成的中弧线和叶片厚度合成包络线即型线.以下将分别讨论叶型设计的几个具体问题:中弧线及厚度模型选取、模型方程推导和包络线生成方法
