一种离心式叶轮分流叶片的设计方法
【专利摘要】本发明公开一种离心式叶轮中分流叶片的设计方法，确定叶轮的中间横截面、前盖板横截面和后盖板横截面；在三个横截面上依据分流点两边流量相等原则分别确定出三个横截面上的三个分流点，得到三个横截面上的三条骨线，将三条骨线混合扫描成曲面，将该曲面向叶轮的前盖板和后盖板延伸直至分别与前盖板和后盖板相交，得到分流叶片的工作面，将该工作面增加厚度尺寸得到分流叶片的背面；设计出的分流叶片能将相邻两长叶片间流道内的水流均分成流量相等的两半，能有效改善叶轮出口处的速度分布、减少叶轮内的水力损失、提高离心式叶轮的扬程和效率。
【专利说明】
-种离心式叶轮分流叶片的设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种应用于流体机械中的离屯、式叶轮技术，具体设及离屯、式叶轮中分 流叶片的设计方法。
【背景技术】
[0002] 离屯、式叶轮是流体机械中应用最为广泛的一种叶轮，如离屯、累、离屯、式风机、离屯、 式制冷压缩机等的叶轮均为离屯、式的叶轮。离屯、式叶轮的叶片由长叶片和分流叶片组成， 分流叶片布置在相邻两个长叶片之间，在相邻两个长叶片间加设分流叶片（即短叶片)有着 W下重要意义:分流叶片不仅能冲刷尾流、有效防止尾流产生和发展、有效防止长叶片负压 面(长叶片的背面)上流体的分离和脱流，还可W减小离屯、式叶轮进口的排挤系数、提高累 的扬程;其次，分流叶片可W改善叶轮内的速度分布、减小叶轮内部的水力损失、提高累的 水力性能，使累在实际工作过程中有一个最佳工作效率。然而，现有的分流叶片的骨线形状 都是圆弧柱形，径向截面是圆弧状，轴向截面是柱形，在设计过程中，分流叶片的长度、进口 偏置角大小、出口偏置角大小都是依据经验公式给出，缺乏成熟的理论支持;其次，由于相 邻两个长叶片间的流道为复杂的Ξ维流道，运种圆弧柱形的分流叶片对流道的分割不符合 叶轮内流场分布规律，无法真正将流道内的水流均分成流量相等的两半。因此，现有分流叶 片的结构形式和设计方法皆存在严重不足。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为改进现有离屯、式叶轮分流叶片的结构形式和设计方法存在的 问题，提出一种Ξ维扭曲型的分流叶片的设计方法，所设计的分流叶片的骨线呈现扭曲型， 能将相邻两个长叶片间的空间流道严格按照流量相等的原则分割成两半，提高分流叶片的 工作效率，增强分流叶片的作用。
[0004] 本发明一种离屯、式叶轮分流叶片的设计方法采用的技术方案是是依次包括W下 步骤： A、 确定叶轮的Ξ个横截面，分别是在叶轮出口的轴向正中间的中间横截面，在前盖板 和叶片相接处的前盖板横截面，在后盖板和叶片相接处的后盖板横截面； B、 在Ξ个横截面上，W叶轮中屯、为圆屯、，分别作半径Ri=0.45R、半径R2=0.75R的两个 圆，两个圆在相邻两个长叶片之间的流道内划过的圆弧分别为^、L2，^个横截面上的最大 外圆在相邻两个长叶片之间所占的圆弧均为L3，R为叶轮的半径； C、 依据分流点两边流量相等原则，分别确定出Ξ个横截面上的圆弧^、L2、L3上的Ξ个 分流点，分别将同一横截面上的Ξ个分流点化、M2、M3用圆弧相连，得到中间横截面上的骨线 M1M2M3、前盖板横截面上的骨线A1A2A3和后盖板横截面上的骨线C1C2C3; 〇、将；条骨线AiA2A3、MiM2M3、CiC2C3混合扫描成曲面，将该曲面向叶轮的前盖板和后盖 板延伸直至分别与前盖板和后盖板相交，得到分流叶片的工作面，将该工作面增加厚度尺 寸得到分流叶片的背面。
[0005] 进一步地，步骤C中，将同一横截面上的Ξ个分流点化、M2、M3用圆弧相连的方法是： 先分别作点Mi、M2的连接线a、点M2、M3的连接线b，再分别作线段a、b的中屯、垂线c、d，W垂线 c、d的交点0为圆屯、，W该圆屯、0到Ml点的距离为半径作圆，该圆通过Ξ个分流点Mi、M2、M3划 过的圆弧即骨线。
[0006] 本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是:本发明是基于分流点（将叶轮流 道中水流分开的点）两边流量相等原则提出的，根据分流点两边流量相等的原则给出分流 叶片骨线的绘制方法，设计出的扭曲型骨线形状的分流叶片能将相邻两长叶片间流道内的 水流均分成流量相等的两半，能有效改善叶轮出口处的速度分布、减少叶轮内的水力损失、 提高离屯、式叶轮的扬程和效率。其次，该分流叶片的设计立足于高精度的叶轮内流场数值 模拟，弥补了原有分流叶片设计主要依赖于设计人员的经验的不足，使得流道分割更符合 叶轮内流场的实际分布规律。
【附图说明】
[0007] 图1是离屯、式叶轮中的长叶片和分流叶片的径向布置示意图； 图2是离屯、式叶轮的轴向截面图； 图3是图2中的中间横截面F-F的截面图； 图4是图3中分流骨线化M2M3的确定方法示意图； 图5是图2中的前盖板横截面E-E的截面图； 图6是图2中的后盖板横截面G-G的截面图。
[000引图中：1.叶轮前盖板;2.叶轮后盖板;3-1、3-2.长叶片;4.分流叶片；5.分流叶片工 作面;6.分流叶片背面;7.分流叶片进口边;8.分流叶片出口边;Mi、M2、M3 .中间横截面上分 流点;Ai、A 2、A 3。前盖板横截面上分流点；Cl、C2、C3 .后盖板横截面上分流点。
【具体实施方式】
[0009] 参见图1，离屯、式叶轮中的分流叶片4至于相邻的两个长叶片之间，分流叶片4由工 作面5、背面6、进口边7、出口边8组成，工作面5是朝向离屯、式叶轮的中屯、轴Z的侧面，背面6 是与工作面5相对的背离中屯、轴Z的侧面，进口边7靠近中屯、轴Z的一端，出口边8远离中屯、轴 Z的一端。
[0010] 参见图2,离屯、式叶轮的外部由前盖板1和后盖板2组成，分流叶片4位于前盖板1和 后盖板2之间。在叶轮的轴向方向上，长叶片和分流叶片4分别与前盖板1和后盖板2相接。在 离屯、式叶轮中，确定出垂直于中屯、轴Z有Ξ个径向横截面，分别是中间横截面F-F、前盖板横 截面E-E和后盖板横截面G-G，其中，中间横截面F-F位于叶轮出口的轴向正中间，即在; Λ： 宽度处，fe为叶轮出口轴向宽度，前盖板横截面Ε-Ε在前盖板1和叶片相接处，与中间横截面 F-F间隔的轴向距离，馬是叶轮的出口轴向宽度，后盖板横截面G-G在后盖板2和叶片相 接处，且与中间横截面F-F间隔的轴向距离，中间横截面F-F在前盖板横截面E-E和后盖 么 板横截面G-G的正中间。
[0011] 利用Proe软件先对需要加设分流叶片4的离屯、式叶轮水体部分进行Ξ维实体建 模，然后运用IOTM软件对所建立的实体模型进行结构网格划分;最后，按照叶轮设计参数， 给定叶轮进出口及边界条件，运用ANSYS CFX软件分别对前盖板截面Ε-Ε、中间横截面F-F和 后盖板横截面G-G上的水流速度场进行提取，得到Ξ个面上的水流速度分布情况，如此，通 过运种高精度的内流场数值模拟获得需要加设分流叶片4的离屯、式叶轮的内部水流速度分 布情况，为分流点两边流量相等原则奠定数值基础。分流点两边流量相等原则即是水流速 度乘W与该速度方向垂直的过流面面积相等原则，通过Ξ个面上的速度分布情况，再结合 过流面面积，就可确定出分流点，该分流点两边流量相等。
[0012] 参见图3所示的中间横截面F-F的截面图，离屯、式叶轮的半径为R，也是长叶片和分 流叶片4在截面上的最大外圆的半径，该最大外圆在相邻两个长叶片3-U3-2之间所占的圆 弧为L3。W该截面上叶轮的中屯、为圆屯、(该圆屯、在中屯、轴Ζ上），分别作半径化=0.45R、半径R2 =0.75R的两个圆，运两个圆在相邻两个长叶片3-U3-2之间的流道内划过的圆弧分别为b、 Lj2 ο
[0013] 依据分流点两边流量相等原则，确定圆弧^、L2、L3上的分流点分别是Ml、Μ2、Μ3，将 Ξ个分流点化、Μ2、Μ3用圆弧相连即可得到中间横截面F-F上分流叶片的骨线Μ1Μ2Μ3。
[0014] 其中，连接Ξ个分流点Ml、M2、M3的圆弧的确定方法如图4所示：首先，经过分流点 Mi、M2作两点的连接线a;然后，经过分流点过M2、M3两点的连接线b;其次，分别经线段a、b的 中屯、作两个线段a、b的中屯、垂线，分别是中屯、垂线c、d，最后，W中屯、垂线c、d的交点0为圆 屯、，W该圆屯、昭ijMi点的距离为半径作圆，该圆通过化、M2、M3划过的圆弧即是中间横截面F-F 上分流叶片的骨线M1M2M3。
[0015] 参见图5所示的前盖板横截面E-E的截面图与图6所示的后盖板横截面G-G的截面 图，长叶片和分流叶片4在前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G上的最大外圆的半径也是 R，最大外圆在前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G上相邻两个长叶片3-U3-2之间所占的 圆弧也是L3。同样地，W前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G上的叶轮的中屯、为圆屯、（该圆 屯、在中屯、轴Z上），分别作半径化=0.45R、半径R2=0.75R的两个圆，运两个圆在相邻两个长叶 片3-1、3-2之间的流道内划过的圆弧分别也是b、L2。
[0016] 同样地，依据分流点两边流量相等的原则，分别确定出图5所示的前盖板横截面E- E上的分流叶片4的骨线A1A2A3和图6所示的后盖板横截面G-G上的分流叶片4的骨线C1C2C3。
[0017] 在Proe软件中，运用其自带的功能(混合扫描功能、曲面延伸功能），将获得的分流 叶片4的Ξ条圆弧骨线AiA2A3、MiM2M3和C1C2C3混合扫描成曲面，并将该曲面向离屯、式叶轮的 前盖板1和后盖板2延伸直至分别与前盖板1和后盖板2相交，相交后，在前盖板1和后盖板2 之间的曲面即为分流叶片4的工作面5,参见图1。其次，根据从分流叶片4的进口边7到出口 边8的厚度变化规律：
其中，矿是分流叶片的厚度，Η是叶轮单级扬程 (mm)，Ζ是叶片数，R是叶轮半径(mm)，A是系数，与累的比转速ns和材料有关，其数值参见下 表1;将分流叶片4的工作面5按照厚度变化规律增加相应的厚度.泣，尺寸就可W得到分流叶 片的背面6，进而得到Ξ维扭曲型的分流叶片4结构。
[001引表1系数A的具体数值
[0019]需要说明的是，图3、图5、图6中只是w叶轮中的两个相邻长叶片3-1、3-2为例，离 屯、式叶轮中的长叶片的个数和流道的个数根据实际情况确定，每个分流叶片的设计方法均 与本发明的设计方法相同。
【主权项】
1. 一种离屯、式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是依次包括W下步骤： A、 确定叶轮的Ξ个横截面，分别是在叶轮出口的轴向正中间的中间横截面，在前盖板 和叶片相接处的前盖板横截面，在后盖板和叶片相接处的后盖板横截面； B、 在Ξ个横截面上，W叶轮中屯、为圆屯、，分别作半径Ri=0.45R、半径R2=0.75R的两个圆， 两个圆在相邻两个长叶片之间的流道内划过的圆弧分别为b、L2，^个横截面上的最大外圆 在相邻两个长叶片之间所占的圆弧均为L3，R为叶轮的半径； C、 依据分流点两边流量相等原则，分别确定出Ξ个横截面上的圆弧^、L2、L3上的Ξ个 分流点，分别将同一横截面上的Ξ个分流点化、M2、M3用圆弧相连，得到中间横截面上的骨线 M1M2M3、前盖板横截面上的骨线A1A2A3和后盖板横截面上的骨线C1C2C3; D、 将；条骨线A1A2A3、MiM2M3、C1C2C3混合扫描成曲面，将该曲面向叶轮的前盖板和后盖 板延伸直至分别与前盖板和后盖板相交，得到分流叶片的工作面，将该工作面增加厚度尺 寸得到分流叶片的背面。2. 根据权利要求1所述一种离屯、式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是:步骤C中，将同 一横截面上的立个分流点Mi、M2、M3用圆弧相连的方法是:先分别作点化、M2的连接线a、点M2、 M3的连接线b，再分别作线段a、b的中屯、垂线c、d，W垂线c、d的交点0为圆屯、，W该圆屯、0到Ml 点的距离为半径作圆，该圆通过S个分流点化、M2、M3划过的圆弧即骨线。3. 根据权利要求1所述一种离屯、式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是:步骤D中，从分 流叶片的进口边到出口边的厚度，H是叶轮单级扬程，Z是叶片数，R是叶轮 半径，A是系数。4. 根据权利要求1所述一种离屯、式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是:步骤A中，前盖 板横截面、后盖板横截面均与中间横截面间隔·的轴向距离，馬是叶轮的出口轴向宽度。5. 根据权利要求1所述一种离屯、式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是:步骤C中，运用 软件分别分析Ξ个横截面上的水流速度，得到Ξ个横截面上的水流速度分布情况，W水流 速度乘W与该速度方向垂直的过流面面积相等原则，确定出分流点。
【文档编号】F04D29/30GK105971931SQ201610393851
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】赵斌娟, 张成虎, 赵尤飞
【申请人】江苏大学