[发明专利]一种蜗壳的设计方法

说明书

本发明公开了一种蜗壳的设计方法，旨在提供一种基于空间向量的蜗壳螺旋段及扩压段型线的设计方法，以提高设计精度及气动性能。蜗壳的螺旋段型线的设计为：依据给定的蜗壳进口截面流动参数和蜗壳设计几何参数计算蜗壳起始截面方位角；计算蜗壳截面方位角的范围为所对应的蜗壳截面圆半径；计算蜗壳截面方位角的范围为所对应的蜗壳截面圆半径；取并集得到蜗壳截面方位角范围内所对应的蜗壳截面圆半径的集合；根据任意蜗壳截面方位角处截面圆的空间坐标参数方程计算任意蜗壳截面方位角处截面圆的空间坐标，得到蜗壳螺旋段截面圆空间型线。该方法为一种更精确的蜗壳设计与造型方法，有利于提高设备的气动性能。

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，是涉及一种蜗壳的设计方法。

背景技术

在过流部件中，蜗壳的主要作用是收集扩压后的流体，并将其引到后面的设备。蜗壳广泛应用于离心及混流式旋转机械中，如水泵、离心式压气机等。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。蜗壳是离心压气机的核心部件之一，它的重要作用是收集扩压器或者叶轮后面的气体，并将其引到压气机后面的输气管道或冷却器。蜗壳的型线设计主要包括蜗壳螺旋段设计和蜗壳扩压段设计。

目前，蜗壳螺旋段和扩压段型线设计最常用的方法是依据蜗壳内气体流动动量矩守恒定理,将蜗壳截面圆简化为完整的圆，并计算出蜗壳螺旋段和扩压段型线随方位角变化规律，再利用CAD软件造型。由于蜗壳螺旋段截面圆并不是一个完整的圆形，如果简单的将其视为完整的圆形会带来一定的偏差，尤其是当蜗壳截面圆接近蜗舌位置，计算结果会明显偏离设计意图。另外，仅计算出蜗壳螺旋段和扩压段型线随方位角变化规律的设计方法，导致了造型结果与设计结果也有一定偏差，这会导致设计方案流通面积小于实际所需流通面积，进而导致蜗壳中气体加速，流动损失增大，压气机稳定工况范围减小。

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，而提供一种基于空间向量的蜗壳螺旋段型线的设计方法，以提高设计精度及气动性能。

本发明的另一个目的是提供一种基于空间向量的蜗壳扩压段型线的设计方法，以提高设计精度及气动性能。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种蜗壳的设计方法，所述蜗壳的螺旋段型线的设计包括下述步骤：

(1)依据给定的蜗壳进口截面流动参数和蜗壳设计几何参数计算蜗壳起始截面方位角

(2)计算蜗壳截面方位角的范围为所对应的蜗壳截面圆半径R₁；

(3)采用隐式格式迭代计算方法计算蜗壳截面方位角的范围为所对应的蜗壳截面圆半径R₂；

(4)对步骤(2)和步骤(3)对应的蜗壳截面取并集得到蜗壳截面方位角范围内所对应的蜗壳截面圆半径R的集合；

(5)根据任意蜗壳截面方位角处截面圆的空间坐标参数方程计算任意蜗壳截面方位角处截面圆的空间坐标(x₁,y₁,z₁)；

(6)根据不同蜗壳截面方位角处截面圆的空间坐标得到蜗壳螺旋段截面圆空间型线。

步骤(1)中给定的蜗壳进口截面流动参数和蜗壳设计几何参数为蜗壳进口体积流量q_v4、蜗壳进口绝对速度切向分量c_u4、蜗壳进口半径r₄和蜗壳进口宽度b₄。

步骤(1)中蜗壳起始截面方位角的计算公式为：