[发明专利]一种改善表面空化流动特性的特殊构型叶片

说明书

本发明一种改善表面空化流动特性的特殊构型叶片，属于水力机械的设计与制造技术领域。本设计直接通过利用叶片吸力面凹坑影响回射流和压力分布来抑制空化，形成满足空化抑制需求的又不影响叶片水动力性能的构型。本发明能够达到延迟空化发生和抑制回射流，达到减小空化对水力机械性能影响的效果。

技术领域

本发明属于水力机械设计与制造技术领域，涉及到一种改善表面空化流动特性的特殊构型叶片。

背景技术

空化是指在工质中或者固体表面上发生的液相与气相之间的相互转化，并且常常伴随有振动和噪声的一种现象。水力机械不可避免地会在空化状态下运行，而严重空化会造成水力机械的压力脉动、振动、噪音、侵蚀，甚至严重的破坏。为了尽量减轻这种现象对水力设备的危害，目前水力机械叶片设计通常基于主动控制和被动控制的方法，延缓空化的发生和发展，使得空化现象得以有效的改善和抑制。

在抑制叶片表面空化发生和发展的主动控制方法中，由于需要相应的附属装置、空化流场自动控制技术和能量的额外消耗，目前在实际的水力机械应用中存在一定难度。现在需要发明一种基于被动控制方法，也能有效改善和控制表面空化流的特殊构型叶片，用以改善和优化多数水力机械设备的运行。目前，在空化的被动控制方法中，主要是采取在叶片吸力面布置障碍物，以及布置汽泡发生器等方法来延缓和抑制空化的发展。而通过设计水力机械特殊构型的叶片来调节空化发生和发展，在国内外还鲜有人进行研究。目前，对空化存在的条件下，使用特殊构型叶片对水力机械运行和性能影响方面尚未有充足的认识，相关的产品和设计方法还属于空白。

发明内容

本发明可以应用于水力机械的开发和设计领域，针对空化带来的负面作用，提出了一种改善表面空化流动特性的特殊构型叶片及其设计方法。本发明的技术方案是通过在叶片表面有规律地加工出凹坑/凹槽，基于流体在凹坑/凹槽内的流动特点，对固体边界附近产生的反向射流进行调节，从而改善流场压力分布达到调节空化流场的目的。

本发明的技术方案：

一种改善表面空化流动特性的特殊构型叶片，包括叶片1、凹坑或凹槽2；

所述的凹坑或凹槽2分布于水力机械叶片的吸力面上，根据空化流场特性的数值和实验分析结果，吸力面凹坑或凹槽2设置在距叶片前缘20％-85％弦长之间；叶片表面凹坑或凹槽2的宽度或直径为弦长的2％-8％；叶片表面凹坑或凹槽2的深度为弦长的1％-8％；叶片表面凹坑或凹槽2的分布方式是单排或多排，形式是长条形或弧状的槽道、规律排列的圆形或其他形式。

一种改善表面空化流动特性的特殊构型叶片的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、根据对水力机械的具体需求，使用传统设计方法确定无凹坑/凹槽水力机械结构和叶片外形；

步骤2、对步骤1设计得到叶片建立三维模型，使用计算流体力学方法对三维模型模拟分析，取得空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征。

步骤3、对步骤2得到空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征进行分析，得到的空化流场特性；根据空化流场特性，在叶片吸力面设计表面凹坑，凹坑位置设置在距叶片前缘20％-85％弦长之间；叶片表面凹坑的宽度或直径为弦长的2％-8％；叶片表面凹坑的深度为弦长的1％-8％；叶片表面凹坑的分布方式可以是单排或多排，形式可以是长条形或弧状的槽道、规律排列的圆形或其他形式。

本发明的有益成果：

(1)抑制回射流。凹槽降低了叶片表面边界层的厚度，增强了抗逆压能力，但却触发了凹槽附近区域回射流的加速。只有当抗逆压梯度能力大于回射流冲击时，才可以对空化进行抑制。

(2)延缓空化发生和发展。在云空化发生时，适当的表面构型能够使叶片吸力面边界层变薄，边界层分离点滞后，叶片尾缘回流区减薄，吸力面低压区减小，证明了表面构型对空化抑制的适应性。

附图说明