[发明专利]一种斜流/离心叶轮通用的子午流道设计方法

说明书

一种斜流/离心叶轮通用的子午流道设计方法，先确定叶轮轮盖型线，轮盖型线包括直线段和圆弧段，圆弧段的圆心在由均方根叶高截面的圆心和叶轮出口均方根半径处端点相连的直线上，轮盖侧中间端点的横坐标与圆弧段的圆心的横坐标相同；轮盖侧中间端点的纵坐标与叶轮进口轮盖侧端点的纵坐标相同；直线段由叶轮进口轮盖侧端点和轮盖侧中间端点连线确定；确定轮盘型线；将轮盖型线和轮盘型线沿旋转轴转动360°，得到轮盖面和轮盘面。本发明采用的子午流道型线构造元素为简单的直线、圆弧，因而可加工性好。叶轮轮盖型线的前端为半径相同的直线，确保了在进口至喉部的流道区间内不会产生较大的叶尖马赫数变化，从而降低大流量系数下的激波损失。

技术领域

本发明涉及叶轮机械设计领域，具体涉及一种斜流/离心叶轮通用的子午流道设计方法。

背景技术

斜流/离心叶轮是在石油化工、空气分离、航空航天等领域广泛应用的、用以实现功能转换的核心部件。大型化、紧凑高性能、高压比是压缩机发展的重要趋势，而大流量系数斜流/离心叶轮是实现这些目标的一种高效叶轮类型。例如，“斜流+离心”组合压缩机构型具备在特大型空分装置中替代“多级轴流”压缩机构型的潜力，“斜流+离心”组合构型能有效提升机组紧凑性、降低制造和维护成本(参见中国发明专利“带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机”，专利号：ZL201510661761.6，授权日：2017-10-20)。但截止目前斜流压缩机尚无完善的设计体系，大多数斜流叶轮设计仍借助于离心式压缩机的设计方法。子午流道设计作为压缩机设计过程中的一个重要环节，设计结果对气动性能和可加工性均有显著的影响。由于子午流道设计尚无明确的设计准则，传统的离心叶轮子午流道设计多基于过水面积法并采用圆弧、直线等简单元素组合，这种设计方法简单且利于加工。也有采用控制曲率分布的离心叶轮流道设计方法(参见中国发明专利“一种控制曲率分布的离心叶轮流道设计方法”，专利号：ZL201210546397.5，授权日：2015-06-10)，这种方法设计的型线连续性较好，但加工复杂性比圆弧、直线等更高。斜流叶轮相比于离心叶轮，多了一个显著的设计变量——子午出口倾角Ф₂，这带来的直接影响是叶轮子午流道具有更大的可变性。例如，流量系数较小、压比较高的斜流/离心叶轮，通常需要较长、流道型线曲率变化均匀的流道；而流量系数较大的叶轮除了要求具有更大的通流能力，还需要通过子午流道合理设计最大程度上控制进口叶尖激波的强度以及出口轮盖侧的分离强度，因而需要在叶轮前半段确保轮盖型线半径变化不至于过快、在叶轮后半段确保轮盖型线曲率均匀。如果是需要径向排气的斜流叶轮，还需要配合设计合适的斜向转径向流道。由于设计要求的增多，导致斜流叶轮的子午流道设计更为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种加工性较好、曲率连续性较好的斜流/离心叶轮通用子午流道设计方法。

为达到上述目的，本发明的方法包括以下步骤：

一种斜流/离心叶轮通用的子午流道设计方法，包括以下步骤：

(1)确定子午流道的轮盖型线：

叶轮轮盖型线包括直线段和圆弧段，其中圆弧段由轮盖侧中间端点、叶轮出口轮盖侧端点以及出口子午倾角Ф₂确定，圆弧段的圆心O_S在由均方根叶高截面的圆心O_M和叶轮出口均方根半径处端点相连的直线上，轮盖侧中间端点的横坐标与圆弧段的圆心O_S的横坐标相同；轮盖侧中间端点的纵坐标与叶轮进口轮盖侧端点的纵坐标相同，均等于叶轮进口轮盖侧端点的半径R_1t；直线段由叶轮进口轮盖侧端点和轮盖侧中间端点连线确定；

(2)确定子午流道的轮盘型线：

叶轮轮盘型线为圆弧段，由叶轮进口轮盘侧端点、叶轮出口轮盘侧端点和第二端点确定叶轮轮盘的圆心O_H和圆弧半径R_H，其中叶轮进口轮盘侧端点的纵坐标为叶轮进口轮盘侧端点的半径R_1h，叶轮进口轮盘侧端点的横坐标与叶轮进口轮盖侧端点的横坐标相同；