專利名稱：渦輪機(jī)械及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)械及其制造方法，包括泵送液體的離心泵或混合流泵或壓縮氣體的鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)；特別涉及其葉輪具有流體力學(xué)性能提高的葉型從而減小二次流的子午分量的渦輪機(jī)械以及這種渦輪機(jī)械的制造方法。
現(xiàn)有技術(shù)通常，在離心或混合流渦輪機(jī)械的葉輪的流道中，沿流道流動的一次流受邊界層中的低能流體的運動因流道中的靜態(tài)壓力斜率而在壁面上生成的二次流的影響。這種現(xiàn)象導(dǎo)致在流道中生成流體方向的渦流或速度不均勻的流，從而不僅在葉輪中而且在葉輪下游的擴(kuò)壓器或?qū)~中造成很大的流體能損失。
二次流定義成其速度分量與一次流垂直的流。由二次流造成的總能量損失稱為二次流損失。積累在流道中一定區(qū)域處的低能流體會造成大規(guī)模的氣流分離，從而生成正斜率特性曲線而使渦輪機(jī)無法穩(wěn)定運行。
減小渦輪機(jī)中的二次流的公知做法是把葉輪的流道做成特定形狀。作為使用特定流道形狀的這種做法的一個例子，一種公知的方法是，軸流式渦輪機(jī)中的葉輪的葉片向其圓周方向或向負(fù)壓側(cè)或出氣側(cè)方向傾斜(L.H.Smith and H.Yeh，“軸流式渦輪機(jī)械中的掃動和二面效應(yīng)”，Trans A SM E，Joumal of Basic Engineering，Vo185，No.3，1963，pp.401-416)；或在另一種方法中，渦輪機(jī)葉柵中的葉片向其圓周方向傾斜或彎曲(W.Zhongqi等人，“在具有入射角的長方形渦輪機(jī)葉柵中使用傾斜葉片可減小二次流損失的原因的實驗考察”，ASM E，Paper 88-G T-4)；或在另一種方法中，一軸向轉(zhuǎn)子的葉片在葉高方向上彎成葉片壓力面凸起和/或葉片負(fù)壓面下凹(GB2224083A)。這些方法應(yīng)用得恰當(dāng)可對流道中的二次流造成有利影響。
但是，由于葉片中弧線或葉片橫截面的外形對二次流的影響尚不清楚，因此在不改變?nèi)~片中弧線或葉片橫截面的情況下只能在一定限度下使用葉片傾斜或葉高方向上的葉片彎曲的效果。此外，公開的日本專利公告No.63-10281公開了一種結(jié)構(gòu)，其中，在渦輪機(jī)的輪轂面和葉片面的角落處用一凸起部減小二次流損失。由于這種流道外形是一種具有非軸對稱輪轂面的特定葉型，因此葉輪很難制造。
在所有上述現(xiàn)有技術(shù)中，對獲得通用效果的方法的研究尚不足。因此尚未確立起在不同設(shè)計條件下適用于不同類型的渦輪機(jī)的減小二次流的通用方法。這樣，在許多情況中上述效果下降，甚至在更壞的情況下得到不希望有的效果。
總之，葉輪的三維外形定義成由輪轂面、圍帶面和把能量傳給流體的葉型構(gòu)成的子午外形。作為子午外形，根據(jù)設(shè)計規(guī)格、包括具體渦輪機(jī)械所需流率、壓頭和轉(zhuǎn)速來選擇各種外形，包括離心式、混合流式和軸流式。作為表征葉輪的子午外形的型號，廣泛使用比速NS＝NQ1/2H3/4(對泵而言)設(shè)計葉輪。其中，N為轉(zhuǎn)速(rpm)，Q為流率(m3/min)，H為表示渦輪機(jī)賦予流體的流體能量的壓頭(m)。即，從設(shè)計規(guī)格可確定比速，然后可根據(jù)比速合適選擇葉輪的子午外形。順便說一句，Q定義為容積流率，在壓縮機(jī)之類中，其容積在葉輪進(jìn)口與葉輪出口之間可變的可壓縮流體以葉輪進(jìn)口處的容積流率為準(zhǔn)。
關(guān)于葉型，葉片進(jìn)口角由各葉高方向位置上使葉片進(jìn)口角與氣流進(jìn)口角匹配的理想進(jìn)口速度三角形確定。另一方面，葉片出口角由各葉高方向位置上滿足設(shè)計壓頭的理想出口速度三角形確定。進(jìn)口和出口速度三角形用子午外形和設(shè)計流率和設(shè)計壓頭算出，但可根據(jù)葉輪的氣流計算結(jié)果修正。但是，確定連接葉片進(jìn)口角和出口角的葉片角分布的方法有相等大的自由度，事實上設(shè)計者常根據(jù)直覺選擇葉片角分布。
迄今為止有許多公知方法使用特定流道外形的葉輪減小二次流。但是，由于尚未充分研究獲得效果的通用方法，因此尚未確立起具有相當(dāng)大自由度的葉型的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。因此尚未確立起在不同設(shè)計條件下適合于不同比速的減小二次流的通用方法。這樣，根據(jù)葉輪的葉片角分布的變動用試錯法找出減小二次流的最佳葉輪外形來設(shè)計葉輪的三維外形。
下面結(jié)合圖3(A)中的流程圖說明根據(jù)葉片角分布的變動用試錯法設(shè)計葉輪的三維外形的一種現(xiàn)有方法。
在第一步(確定子午平面)中，輸入設(shè)計規(guī)格而確定葉輪的子午外形和葉片數(shù)。然后，在一子午流道上確定許多回轉(zhuǎn)面并根據(jù)以往經(jīng)驗規(guī)定各回轉(zhuǎn)面上中弧線在一點上的切向坐標(biāo)f0。切向坐標(biāo)f0所規(guī)定位置在許多情況下選擇在葉輪的進(jìn)氣邊或出氣邊處。從而切向坐標(biāo)f0的規(guī)定位置稱為堆積條件。
在第二步(確定葉片角分布)中，用從第一步得到的子午外形和設(shè)計流率確定葉片進(jìn)口處的葉片角。然后用從第一步得到的子午外形和設(shè)計壓頭確定葉片出口處的葉片角。一光滑連接所確定的葉輪進(jìn)口處的葉片角與葉輪出口處的葉片角的曲線用來確定沿?zé)o量綱子午距離m的位置上的葉片角分布。
在第三步(確定葉型)中，根據(jù)無量綱子午距離m的位置上沿每一流線在葉輪進(jìn)口和葉輪出口之間的葉片角分布β、把堆積條件用作初始值、沿?zé)o量綱子午距離m的位置對f/m＝1/(r tan β)進(jìn)行積分而確定中弧線在無量綱子午距離m的每一位置上的切向坐標(biāo)(包角)。把一定厚度加到所確定的中弧線上以便葉片獲得機(jī)械強(qiáng)度即可確定葉輪的三維外形。
在第四步(評價流場)中，在由第三步所確定葉輪的三維外形上進(jìn)行三維無粘性流分析即不考慮流體的粘性的流量分析，此時可能由氣流在葉輪中的迅速減速造成氣流分離從而性能很差。當(dāng)判斷葉輪中的壓力分布不合適時，回到第二步修正葉片角分布，反復(fù)進(jìn)行從第二到第四步的各步驟直到獲得預(yù)定結(jié)果。
使用上述現(xiàn)有葉輪制造方法減小二次流的缺點如下(1)在第四步中，判斷流道中的壓力分布是否達(dá)到減小二次流的最佳壓力分布的標(biāo)準(zhǔn)(包括與葉輪比速的關(guān)系)是不確定的。盡管可用三維粘性流分析考察二次流的生成狀態(tài)，但需進(jìn)行大量計算，因此反復(fù)進(jìn)行從第二步到第四步的各步驟而使葉輪的葉型最佳實際上是行不通的。
(2)盡管在第二步中必須使葉片角分布合適，但若可減小二次流的葉片角分布大大偏離以往經(jīng)驗，就很難決定有利的葉片角分布。因此，實際上很難用試錯法找到葉輪的減小二次流的最佳葉型。
但是最近作為葉輪的葉型的一種設(shè)計方法，人們公知，如給定葉片負(fù)荷分布，則可用發(fā)表在下列文獻(xiàn)中的三維反向設(shè)計方法確定葉輪的實現(xiàn)給定葉片負(fù)荷分布的三維外形。
Zangeneh，M.，1991，“用于徑流式和混合流渦輪機(jī)械葉片的可壓縮三維葉片設(shè)計方法”，Intemational Joumal of N um erical M ethod in Fluids，Vol.13，pp.599-624；Borges，J.E.，1990，“渦輪機(jī)械的三維反向方法第一部分-理論”，Transaction of theA SM E，Joumal of Turbom achinery，Vol.112，pp.346-353；Yang，Y.L.，Tan，C.S.andHaw thome，W.R.，1992，“三維流中的渦輪機(jī)械葉柵的空氣動力學(xué)設(shè)計應(yīng)用于向心式渦輪機(jī)”，A SM E，Paper 92-G T-74；D ang，T.Q.，1993，“跨聲速氣流中的渦輪機(jī)械葉柵的全三維反向方法”，Transaction of the A SM E，Joumal ofTurbom achinery，Vol.115，pp.354-361；Borges，J.E.，1993，“設(shè)計混合流泵的直流反向方法”，Intemational JoumalforN um ericalM ethod in Fluids，Vol.17，pp.1097-1114。
大多數(shù)上述方法根據(jù)通過葉片流道的三維無粘性流設(shè)計葉片形狀。但是，Borges(1993)所述方法使用更近似的促動管道法，其中，假定流場軸對稱。這一近似法對于一定負(fù)荷分布在獲得葉片外形時可大大簡化計算。但是，對于離心泵之類負(fù)荷很高的渦輪機(jī)這一方法的誤差變得非常大。順便說一句，這些文獻(xiàn)中的反向設(shè)計方法無一用來減小葉輪中的二次流。
從二次流理論顯然可知，葉輪中的二次流是由葉輪的轉(zhuǎn)動引起的科氏力和流線曲率的效應(yīng)造成的。葉輪中的二次流大致可分為兩類，一類是沿圍帶面或輪轂面生成的葉片到葉片的二次流，另一類是沿一葉片的壓力面或負(fù)壓面生成的二次流的子午分量。
公知可把葉型做成后掠而減小葉片到葉片的二次流。但另一類二次流即二次流的子午分量則很難削弱或消除。如要削弱或消除二次流的子午分量，就必須仔細(xì)使流道的三維外形最佳。
本發(fā)明的目的是減小離心或混合流渦輪機(jī)中的二次流的子午分量。
作為應(yīng)用本發(fā)明的渦輪機(jī)械中的一典型葉輪的一例，

圖1(A)和1(B)簡示出一閉式葉輪，其中，大部分圍帶面除去。圖1(A)為局部剖視的立體圖，圖1(B)為沿A-A線剖取的剖面圖也即子午剖面圖。在圖1(A)和1(B)中，一輪轂面2從一轉(zhuǎn)軸1沿徑向向外伸展而呈類似于玉米面的曲面。輪轂面2上有許多沿圓周等距分布、從轉(zhuǎn)軸1沿徑向向外伸展的葉片3。如圖1(B)所示，葉片3的葉尖3a上蓋有圍帶面4。相對的兩葉片3、輪轂面2和圍帶面4構(gòu)成一流道從而流體從葉輪進(jìn)口6a流向葉輪出口6b。當(dāng)葉輪6圍繞轉(zhuǎn)軸1的軸線以角速度ω轉(zhuǎn)動時，從葉輪進(jìn)口6a流入流道的流體被送往葉輪6的葉輪出口6b。此時，正對轉(zhuǎn)動方向的表面為壓力面3b，壓力面3b的反面為負(fù)壓面3c。在開式葉輪中，沒有單獨部件構(gòu)成圍帶面4，但用來密封葉輪6的一殼體(圖中未示出)用作圍帶面4。因此，開式葉輪與閉式葉輪之間的流體動力學(xué)在二次流的子午分量的產(chǎn)生和減小方面并無很大差別，因此下面只說明閉式葉輪。
其上有許多葉片3的葉輪6作為主要部件，轉(zhuǎn)軸1與一驅(qū)動源連接，從而共同構(gòu)成一渦輪機(jī)。經(jīng)一吸氣管引入葉片進(jìn)口6a的流體由葉輪6泵送后從葉輪出口6b排出，然后經(jīng)一排氣管送到渦輪機(jī)外部。
渦輪機(jī)的葉輪的未解決的嚴(yán)重問題是減小二次流的子午分量。下面說明本發(fā)明要減小的二次流的子午分量的產(chǎn)生機(jī)制。
如圖1(B)所示，關(guān)于相對流動，由一次流的流線曲率造成的離心力W2/R的作用和由葉輪的轉(zhuǎn)動造成的科氏力2ωWθ的作用形成定義為P*＝p-0.5ρu2的折合靜態(tài)壓力分布，其中，W為氣流的相對速度，R為流線曲率的半徑，ω為葉輪的角速度，Wθ為W的相對轉(zhuǎn)軸1的圓周方向上的分量，p*為折合靜態(tài)壓力，p為靜態(tài)壓力，ρ為流體的密度，u為離轉(zhuǎn)軸1半徑為r處的圓周速度。折合靜態(tài)壓力p*分布成在輪轂側(cè)的壓力高而在圍帶側(cè)的壓力低，從而壓力梯度與離心力W2/R和指向輪轂側(cè)的科氏力2ωWθ平衡。
在沿葉片表面的邊界層，由于相對速度在沿壁面展開的邊界層中減小，因此作用在邊界層中的流體上的離心力W2/R和科氏力2ωWθ變小。因此，它們無法平衡一次流的折合靜態(tài)壓力梯度，邊界層中的低能流體流向低折合靜態(tài)壓力p*區(qū)，從而生成二次流的子午分量。即，如圖1(A)中壓力面3b上的虛線和負(fù)壓面3c上的實線所示，流體沿葉片表面在壓力面3b和負(fù)壓面3c上從輪轂側(cè)流向圍帶側(cè)而形成二次流的子午分量。
負(fù)壓面3c和壓力面3b上都生成二次流的子午分量。一般來說，由于負(fù)壓面3c上的邊界層比壓力面3b上的邊界層厚，因此負(fù)壓面3c上的二次流對渦輪機(jī)械的性能特點的影響大。本發(fā)明的目的是減小葉片的負(fù)壓面上的二次流的子午分量。
當(dāng)邊界層中的低能流體從輪轂側(cè)移到圍帶側(cè)時，在中點位置周圍形成從圍帶側(cè)流到輪轂側(cè)的流體流來補(bǔ)償已移動的流體流率。因此，如沿圖2(a)中的B-B線剖取的剖面2(B)所示，當(dāng)氣流流向出口時在兩葉片之間的流道中形成旋渦方向互不相同的一對渦流。這些渦流稱為二次渦流。由于這些渦流，流道中的低能流體積累在葉輪的向著出口的折合靜態(tài)壓力p*最低的位置處，這一低能流體與在流道中穩(wěn)定流動的流體混合而造成很大流量損失。
而且，當(dāng)速度較低(高損失)流體與速度較高(高損失)流體混合不足生成的非均勻氣流排出到葉片的下游流道時，兩流體混合時生成很大的流量損失。
離開葉輪的這一非均勻流在擴(kuò)壓器的進(jìn)口處生成不利的速度三角形，從而在擴(kuò)壓器導(dǎo)葉上造成氣流分離或在無導(dǎo)葉擴(kuò)壓器中造成倒流，從而大大降低渦輪機(jī)的整體性能。
此外，在流道中某一位置積累起來的高損失流體區(qū)很容易出現(xiàn)大規(guī)模的倒流，從而生成正斜率特性曲線。從而出現(xiàn)沖擊、振動、噪聲等等，渦輪機(jī)械特別在某些流率下無法穩(wěn)定運行。
因此，為了提高離心或混合流渦輪機(jī)械的性能而實現(xiàn)穩(wěn)定運行，必須設(shè)計流道的可盡可能減小二次流的三維外形以防止生成非均勻流、大規(guī)模的氣流分離等。
發(fā)明的公開因此本發(fā)明的一個目的是克服由對葉輪中的二次流的子午分量的減小不足造成的損失增加和渦輪機(jī)的運行不穩(wěn)的缺點；提供下述四個設(shè)計方面，從而使用三維反向設(shè)計方法設(shè)計渦輪機(jī)械中的葉輪的葉型并制造具有這樣葉型的葉輪而降低上述損失和提高渦輪機(jī)械的運行穩(wěn)定性。
(1)按照本發(fā)明的第一個方面，提供了一種具有一葉輪的渦輪機(jī)械，其特征在于，該葉輪設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢。
關(guān)于折合靜態(tài)壓力差ΔCp的分布，如圖4和8所示，為了確保這一顯著減小，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D選擇成不小于視渦輪機(jī)械的比速NS而定的一特定值。此時，為了減小葉輪中的二次流，在比速NS＝280時差D280最好選擇成不小于0.2，在比速NS＝400時差D400最好選擇成不小于0.28，在比速NS＝560時差D560最好選擇成不小于0.35。此外，為了防止在折合靜態(tài)壓力差ΔCp的值ΔCpm-0.4所在無量綱子午距離mm-0.4以后的位置上出現(xiàn)氣流分離，葉片的負(fù)壓面上的圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-S選擇成不小于作為圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率的下限CPS-S，LM的-1.3。其中，葉片的負(fù)壓面上的圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-S定義成圍帶面上在靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4之間位置上的壓力梯度。如此選擇葉片負(fù)壓面上圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-S可防止在無量綱子午距離mm-0.4的位置的下游出現(xiàn)氣流分離。為了在從葉輪進(jìn)口到葉輪出口的整個無量綱子午距離m區(qū)、特別是在無量綱子午距離mm-0.4的位置的下游出現(xiàn)氣流分離，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm-0.4最好選擇成無量綱子午距離m＝0.8-1.0。
由于這樣選擇折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm的位置，因此可防止無量綱子午距離m上的壓力系數(shù)曲線的斜率過斜而超過會發(fā)生氣流分離的限度。
此外，關(guān)于葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的相對馬赫數(shù)差ΔM的分布，如圖5和24所示，為了確保這一顯著減小，相對馬赫數(shù)差ΔM的最小值ΔMm與相對馬赫數(shù)差ΔM的在與從上述最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔMm-0.4之差DM選擇成不小于視渦輪機(jī)械的比速NS而定的一特定值。此時，為了減小葉輪中的二次流，在比速NS＝488時差DM488最好選擇成不小于0.23。此外，為了防止在相對馬赫數(shù)差ΔM的值ΔMm-0.4所在無量綱子午距離mm-0.4以后的位置上出現(xiàn)氣流分離，圍帶側(cè)的馬赫數(shù)斜率選MS-S擇成不小于作為圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率的下限MS-S，LM的-0.8。其中，葉片的負(fù)壓面上的圍帶側(cè)的馬赫數(shù)斜率MS-S定義成圍帶面上在相對馬赫數(shù)差ΔM的上述最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm與從上述最小值所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4之間位置上的馬赫數(shù)斜率。
如此選擇葉片負(fù)壓面上圍帶側(cè)的馬赫數(shù)斜率MS-S可防止在無量綱子午距離mm-0.4的位置的下游出現(xiàn)氣流分離。為了在從葉輪進(jìn)口到葉輪出口的整個無量綱子午距離m區(qū)、特別是在無量綱子午距離mm-0.4的位置的下游出現(xiàn)氣流分離，相對馬赫數(shù)ΔM的最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm-0.4最好選擇成無量綱子午距離m＝0.8-1.0。
按照本發(fā)明的第一個方面，在根據(jù)壓力系數(shù)Cp與角動量rVθ之間的已知緊密關(guān)系用試錯法正確選擇沿子午距離m的rVθ的子午導(dǎo)數(shù)的分布即葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的同時增加或減小壓力系數(shù)Cp。此外，使用公知的把葉片負(fù)荷分布用作輸入數(shù)據(jù)的三維反向設(shè)計方法，葉輪可設(shè)計成實現(xiàn)葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM的上述特征性減小并可實現(xiàn)葉片負(fù)壓面上圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-S或圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-S的特征性限度。
在其中的葉輪具有用上述設(shè)計方法獲得的三維外形的渦輪機(jī)械中，在折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM向葉輪出口呈顯著減小趨勢所在處的無量綱子午距離mm-0.4的位置周圍和后方，二次流的子午分量大大減小。從而可在整個葉輪區(qū)域有效減小二次流的子午分量。
(2)按照本發(fā)明的第二個方面，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化從而不依賴于比速Ns的壓力系數(shù)Cp*沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的分布的特征在于向葉輪出口呈顯著減小趨勢。
按照本發(fā)明的第一個方面，由于壓力系數(shù)Cp或馬赫數(shù)M從而折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM不是比速Ns的函數(shù)，因此它們與比速的定量關(guān)系是不確切的。例如，很難估計在處理不可壓縮流體的泵之類渦輪機(jī)械中圖4所示比速之外比速下的差D或處理可壓縮流體的壓縮機(jī)之類渦輪機(jī)械中圖5所示比速下的差DM。
因此，按照本發(fā)明的第二個方面，為了解決上述問題，不使用壓力系數(shù)Cp或馬赫數(shù)M從而折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM而使用標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*，從而標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的最小值ΔCp*m與標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的在與從上述最小值ΔCp*m所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCp*m-0.4之差D*可如圖6所示表達(dá)成比速的函數(shù)即下列方程式D*＝-0.004Ns+3.62因此，為了減小葉輪中的二次流，比方說，在比速Ns＝500時差D500最好選擇成不小于1.62，在比速Ns＝400時差D400最好選擇成不小于2.02，在比速Ns＝300時差D300最好選擇成不小于2.42。
這里，標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*由下式確定Cp*＝Cp/Cp，mid-mid其中，Cp，mid-mid如圖1(D)所示為在無量綱子午距離位置上流道中心(平均葉高和平均節(jié)距)的壓力系數(shù)。順便說一句，由壓縮機(jī)之類渦輪機(jī)械處理的可壓縮流體的壓力系數(shù)由下式確定Cp*=2[1-(1-0.5W2/H0*)γ/(γ-1)]/γM0*2]]>M0*2=Ut/(γP0*/ρ0*)0.5]]>
其中，Ut為葉輪的圓周速度，W為相對速度，H0*為轉(zhuǎn)焓，γ為比熱比，P0*為旋轉(zhuǎn)滯止壓力，ρo*為與P0*對應(yīng)的密度。
按照本發(fā)明的第二個方面，可擴(kuò)大渦輪機(jī)械中的比速Ns的選擇范圍和處理各種各樣由渦輪機(jī)械處理的流體(可壓縮流體和不可壓縮流體)，從而在根據(jù)壓力系數(shù)Cp與角動量rVθ之間的已知緊密關(guān)系用試錯法正確選擇沿子午距離m的葉片負(fù)荷分布的同時增加或減小壓力系數(shù)Cp。此外，使用公知的把葉片負(fù)荷分布用作輸入數(shù)據(jù)的三維反向設(shè)計方法，葉輪可設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp*呈上述特征性減小趨勢。
在其中的葉輪具有用上述設(shè)計方法獲得的三維外形的渦輪機(jī)械中，在標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*向葉輪出口呈顯著減小趨勢所在處的無量綱子午距離mm-0.4的位置之后，二次流的子午分量大大減小。從而可在整個葉輪區(qū)域有效減小二次流的子午分量。
(3)按照本發(fā)明的第三個方面，提供了一種設(shè)計和制造渦輪機(jī)械的方法，該渦輪機(jī)械的葉輪的三維外形沿?zé)o量綱子午距離實現(xiàn)具有本發(fā)明第一方面的特征的折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM的分布。
按照本發(fā)明的第四個方面，提供了一種設(shè)計和制造渦輪機(jī)械的方法，該渦輪機(jī)械的葉輪的三維外形沿?zé)o量綱子午距離根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*實現(xiàn)具有本發(fā)明第二方面的特征的折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的分布。
按照本發(fā)明的第三個和第四個方面，在根據(jù)壓力系數(shù)Cp與角動量rVθ之間的已知緊密關(guān)系用試錯法正確選擇沿子午距離m的葉片負(fù)荷分布的同時增加或減小壓力系數(shù)Cp，而且使用公知的把葉片負(fù)荷分布用作輸入數(shù)據(jù)的三維反向設(shè)計方法，可確定具有本發(fā)明第一和第二方面的特征分布的葉輪三維外形。
此時，葉輪的三維外形的設(shè)計方法按圖3(B)流程圖進(jìn)行。
在第一步(確定子午表面)中，輸入設(shè)計規(guī)格而確定葉輪的子午外形和葉片數(shù)量。然后，在子午流道中確定許多回轉(zhuǎn)表面并確定表示每一回轉(zhuǎn)表面上一點處葉片中弧線的切向坐標(biāo)的堆積條件f0。
在第二步(確定特定負(fù)荷分布)中，選擇葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的外形而使葉片負(fù)荷分布在無量綱子午距離m的第一半部位置中在圍帶面上有一峰值并在無量綱子午距離m的后半部位置中在輪轂面上有一峰值。然后，調(diào)節(jié)由沿?zé)o量綱子午距離m積分葉片負(fù)荷分布所得的值以滿足葉輪的設(shè)計壓頭，確定沿?zé)o量綱子午距離m的位置的葉片負(fù)荷rVθ的分布。
在第三步(確定葉型)中，把由第一步確定的堆積條件f0作為初始值，沿?zé)o量綱子午距離積分{(Vz+vzbl)f/z}+{(Vr+vrbl)f/r}＝{(rVθ)/r2}+{(vθbl)/r}-ω而以迭代法計算葉片形狀。在第一次迭代積分該方程時忽略周期速度項(vrbl、vzbl、vθbl)并使用Vr和Vz的近似值和使用特定rVθ分布中的Vθ。積分該方程確定沿?zé)o量綱子午距離m的葉片中弧線的切向坐標(biāo)。然后在所確定的葉片中弧線上加上使葉片具有所需機(jī)械強(qiáng)度所需厚度而確定葉輪的三維形狀。然后通過解平均和切向周期流場的基本方程而計算葉片流道中的流場。解平均流場基本方程可得到Vr和Vz的新值，而解周期流基本方程可確定速度項vrbl、vzbl和vθbl。使用這些更新值重新積分上述方程算出沿?zé)o量綱子午距離m的葉片中弧線的新切向坐標(biāo)。反復(fù)進(jìn)行這一過程直到一次迭代與下一次迭代之間的差在容許值內(nèi)。
在第四步(評價最佳折合靜態(tài)壓力差等等)中，判斷在第三步中計算所得的沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM的分布是否適合于減小葉輪中的二次流。
在第五步(評價流場)中，評價由于由第三步確定的葉輪中的流量迅速下降而造成的氣流分離是否會降低性能。然后評價二次流參數(shù)的值是否令人滿意。若判斷出葉輪中的壓力分布不合適，回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行從第二步到第五步的各步驟直到獲得預(yù)期結(jié)果。
按照第三和第四方面的制造渦輪機(jī)械的方法，可確定與用作第四步中的判斷標(biāo)準(zhǔn)的D、DM或D*的流場的特性直接有關(guān)的葉片負(fù)荷分布并可把它用作確定葉型的第三步的輸入數(shù)據(jù)。因此較之把葉片角分布用作與葉型有關(guān)的參數(shù)的現(xiàn)有制造方法可迅速獲得減小二次流的有效葉型。
附圖的簡要說明圖1和圖2用來說明背景技術(shù)；圖1(A)-1(E)用來說明一閉式葉輪的三維形狀中的二次流的子午分量；圖1(A)為局部剖視的立體圖，圖1(B)為沿圖1(A)中A-A線剖取的子午橫截面圖，圖1(C)用來說明三維粘性計算中的一計算網(wǎng)格，圖1(D)為示出葉輪的平均葉高和平均節(jié)距的立體圖，圖1(E)示出葉輪的葉型；圖2(A)和2(B)用來說明該閉式葉輪中的二次流的子午分量所造成的二次渦流，圖2(A)為局部剖視的立體圖，圖2(B)為沿圖2(A)中B-B線剖取的剖面圖；圖3(A)和3(B)為用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)量分析而確定渦輪機(jī)械中的葉輪的形狀的流程圖，圖3(A)為設(shè)計葉輪的三維形狀的現(xiàn)有設(shè)計方法的流程圖，圖3(B)為本發(fā)明的新近已付諸實施的三維反向設(shè)計方法的流程圖；圖4示出證實數(shù)據(jù)點的位置，該圖中的縱軸表示在圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s，橫軸表示在輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h，此外還示出由比速Ns和圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率的下限CPS-S，LM界定的邊界線；圖5示出證實數(shù)據(jù)點的位置，該圖中的縱軸表示在圍帶側(cè)的馬赫數(shù)斜率MS-s，橫軸表示在輪轂側(cè)的馬赫數(shù)斜率MS-h，此外還示出由比速Ns和圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率的下限MS-S，LM界定的邊界線；圖6示出證實數(shù)據(jù)點的位置，該圖中的縱軸表示標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的最小值ΔCp*m與標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的在與從上述最小值ΔCp*m所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCp*m-0.4之差D*，橫軸表示比速Ns，此外還示出由比速界定的邊界線，從而把上述差D*表示成比速Ns的函數(shù)；圖7(A)為一示出從各證實例的特征圖中讀取的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率和輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率和算出的作為二次流參數(shù)的MSF-角的表，圖7(B)同圖7(A)，但示出根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*得出的差D*；圖8-22為示出壓力系數(shù)Cp沿葉片的無量綱子午距離m的分布的特征圖，圖8示出證實例“A”，圖9示出證實例“B”，圖10示出證實例“C”，圖11示出證實例“D”，圖12示出證實例“E”，圖13示出證實例“F”，圖14示出證實例“G”，圖15示出證實例“H”，圖16示出證實例“I”，圖17示出證實例“J”，圖18示出證實例“K”，圖19示出證實例“L”，圖20示出證實例“M”，圖21示出證實例“N”，圖22示出證實例“O”；圖23為示出證實例“O”中的氣流分離狀態(tài)的流向量圖；圖24-29為示出馬赫數(shù)沿葉片的無量綱子午距離m的分布的特征圖，圖24示出證實例“P”，圖25示出證實例“Q”，圖26示出證實例“R”，圖27示出證實例“S”，圖28示出證實例“T”，圖29示出證實例“U”；圖30為示出證實例“U”中的氣流分離狀態(tài)的流向量圖。
本發(fā)明的最佳實施方式下面說明按照本發(fā)明第一方面的一實施例。
粘性對葉輪流道中的相對流的一次流的影響可忽略，因此液流泵之類中的不可壓縮流體近似滿足下式P0*＝p*+0.5ρW2＝常數(shù)其中，P0*為葉輪上游的旋轉(zhuǎn)滯止壓力。
然后由下式確定作為葉片表面上的折合靜態(tài)壓力p*的無量綱值的壓力系數(shù)CpCp＝(P0*-p*)/(0.5ρUt2)＝(W/Ut)2其中，Ut為葉輪出口處的平均圓周速度。
從上式顯然可看出，在折合靜態(tài)壓力p*小的圍帶處壓力系數(shù)Cp大，而在折合靜態(tài)壓力p*大的輪轂處壓力系數(shù)Cp小。如上所述，由于葉片負(fù)壓面上的二次流的子午分量從折合靜態(tài)壓力p*大的輪轂側(cè)指向折合靜態(tài)壓力p*小的圍帶側(cè)，因此減小它們之間的壓力差ΔCp就可減小二次流的子午分量。順便說一句，對于不可壓縮流體來說，壓力系數(shù)為(W/Ut)2，其中，W為相對速度。對于比方說壓縮機(jī)中的可壓縮流體，與二次流的行為有關(guān)的物理變量為相對馬赫數(shù)。為簡化說明起見，下面只說明壓力系數(shù)Cp的分布。不可壓縮流體中的壓力系數(shù)Cp的分布對二次流的子午分量的影響相當(dāng)于壓縮流體中的相對馬赫數(shù)M的分布對二次流的子午分量的影響。這里，靜態(tài)壓力p或相對馬赫數(shù)M通過三維穩(wěn)態(tài)無粘性流計算而得。
由于沿葉輪中的流道的壁展開的葉片表面上的邊界層的厚度從葉輪進(jìn)口向葉輪出口漸增，因此本發(fā)明主要考慮葉輪后半部中的壓力系數(shù)Cp的分布而提出減小葉片負(fù)壓面上的二次流的子午分量。即，葉型設(shè)計成其壓力分布使得負(fù)壓面上圍帶側(cè)與輪轂側(cè)之間的壓力差ΔCp沿?zé)o量綱子午距離m向葉輪出口呈顯然減小趨勢。
圖8為示出按照本發(fā)明第一方面的最佳方式由三維穩(wěn)態(tài)無粘性流計算而得的壓力系數(shù)Cp從而一泵的折合靜態(tài)壓力差ΔCp的特征圖。在圖8中，縱軸為壓力系數(shù)Cp，橫軸為無量綱子午距離m＝0(葉輪進(jìn)口)與無量綱子午距離m＝1(葉輪出口)之間的位置。在圖8中，該圖上部的實線曲線示出葉片的負(fù)壓面在圍帶側(cè)沿?zé)o量綱子午距離m的位置上的壓力系數(shù)值，大致沿上述實線伸展的點劃線示出圍帶面上平均節(jié)距處的壓力系數(shù)值。
另一方面，該圖下部的實線曲線示出葉片的負(fù)壓面在輪轂側(cè)沿?zé)o量綱子午距離m的位置上的壓力系數(shù)值，大致沿上述實線伸展的點劃線示出輪轂面上平均節(jié)距處的壓力系數(shù)值。
兩虛線曲線表示葉片的壓力面分別在圍帶側(cè)和輪轂側(cè)的壓力系數(shù)。這兩曲線與本發(fā)明不直接有關(guān)，只作參考。
在圖8中，兩實線曲線之間在縱軸上的距離即在無量綱子午距離m的同一位置上圍帶側(cè)的壓力系數(shù)曲線上的值與輪轂側(cè)的壓力系數(shù)曲線上的值之間的差等于折合靜態(tài)壓力差ΔCp。在橫軸上定出折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm(若為負(fù)值則取絕對值)所在的無量綱子午距離的位置mm以及比無量綱子午距離mm靠近葉輪進(jìn)口(m＝0)無量綱子午距離0.4的位置即從上述最小值ΔCpm所在無量綱子午距離mm減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4的位置。
這里，連接無量綱子午距離mm-0.4處圍帶面上壓力系數(shù)曲線上的值Cps，m-0.4與無量綱子午距離mm處圍帶面上壓力系數(shù)曲線上的值Cps，m的斜線的斜率即(Cps，m-Cps，m-0.4)/0.4定義為圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s。在圖8的例子中，圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s為負(fù)值。同樣，連接無量綱子午距離mm-0.4處輪轂面上壓力系數(shù)曲線上的值Cph，m-0.4與無量綱子午距離mm處輪轂面上壓力系數(shù)曲線上的值Cph，m的斜線的斜率即(Cph，m-Cph，m-0.4)/0.4定義為輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h。在圖8的例子中，輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h為正值。
從本發(fā)明的發(fā)明人的許多證實例中可知，無量綱子午距離mm-0.4處圍帶側(cè)壓力系數(shù)曲線上的值與無量綱子午距離mm-0.4處輪轂側(cè)壓力系數(shù)曲線上的值之間的差即無量綱子午距離mm-0.4處折合靜態(tài)壓力差ΔCpm-0.4與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm之間的差D是決定渦輪機(jī)械的葉輪中的二次流的減小的基本因素。這里，差D由圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s和輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h共同造成，從而圖4平面上標(biāo)出主要證實例中的無量綱子午距離mm-0.4處折合靜態(tài)壓力差ΔCpm-0.4與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm之間的差D，其中，縱軸和橫軸分別為上述斜率。在圖4中，橫軸為輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h，縱軸為圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s。在圖4中，Δ表示比速Ns＝280的泵的證實例，表示比速Ns＝400的泵的證實例，O表示比速Ns＝560的泵的證實例。此外，空心符號(Δ、 、O)表示可用于對二次流是否減小進(jìn)行判斷的定量標(biāo)準(zhǔn)(下文交代)，實心符號(▲、

、●)表示無法用于上述標(biāo)準(zhǔn)。
圖7(A)為示出主要證實例的數(shù)據(jù)的一表。圖7(A)包括比速Ns＝280的泵的六個證實例A、B、C、D、1和2。關(guān)于四個例子A、B、C和D，從次序為A、B、C和D的圖8-11所示證實例的壓力系數(shù)曲線中讀取圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s和輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h的四對數(shù)據(jù)值并在該平面上的兩軸之間標(biāo)出四個Δ符號。關(guān)于兩個例子1和2，未示出證實例中的壓力系數(shù)曲線，但作為大量其他證實例的一部分示出所得數(shù)據(jù)用作參考。
比速Ns＝400的泵的四個證實例E、F、G和H的情況與上面相同。從次序為E、F、G和H的圖12-15所示證實例的壓力系數(shù)曲線中讀取關(guān)圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s和輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h的四對數(shù)據(jù)值并在圖4中標(biāo)出四個符號。此外，比速Ns＝560的泵的六個證實例I、J、K、L、M和N的情況與上面相同。從次序為I、J、K、L、M和N的圖16-21所示證實例的壓力系數(shù)曲線中讀取圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-s和輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h的六對數(shù)據(jù)值并在圖4中標(biāo)出六個符號O。證實例3、4、5、6和0所得數(shù)據(jù)用作參考。
在圖4所標(biāo)數(shù)據(jù)中，如上所述，空心和實心符號表示可或不可用于對二次流是否減小進(jìn)行判斷的定量標(biāo)準(zhǔn)。下面說明判斷的定量標(biāo)準(zhǔn)。
圖1(C)為用來進(jìn)行三維粘性流計算并示出葉片區(qū)內(nèi)部的計算網(wǎng)格與每一計算網(wǎng)格中所確定二次流角α之間的關(guān)系的說明圖。由于二次流定義為具有偏離計算網(wǎng)格的方向的速度分量的流，因此用作基礎(chǔ)的計算網(wǎng)格需要有一定規(guī)則性。即，網(wǎng)格在輪轂和圍帶表面上沿J方向在葉片進(jìn)口邊與出口邊之間規(guī)則地劃分(即網(wǎng)格劃分成相同的網(wǎng)格點數(shù)和相同的網(wǎng)格間距比)，并且在連接輪轂面和圍帶面對應(yīng)兩點的每一J位置上的葉高方向(K方向)的網(wǎng)格也規(guī)則地劃分，從而在整個葉片區(qū)形成計算網(wǎng)格。這類網(wǎng)格一般用在三維粘性計算中。
用作二次流減小的定量判斷標(biāo)準(zhǔn)的MSF-角由下式表達(dá)

其中，α為圖1(C)中葉片區(qū)中每一計算網(wǎng)格中沿流線方向網(wǎng)格(J方向)的切向與葉片負(fù)壓面旁位置上的子午速度矢量的方向之間的角度；Vm為子午速度；s為K方向上的無量綱子午葉高長度，在所有第J準(zhǔn)正交線(K方向的網(wǎng)格線)上s在輪轂面上為0，而在圍帶面上為1；m為在J方向上的無量綱子午距離，在所有第K流線表面上m在葉片進(jìn)口邊處為0，而在葉片出口邊處為1；〔 〕ss為離葉片的負(fù)壓面的第一網(wǎng)格的積分值。
即，MSF-角為在葉片的整個負(fù)壓面上流體偏離網(wǎng)格流線方向的角度的大小的平均值。
當(dāng)沖撞在葉輪進(jìn)口部的葉片上的流體在葉片四周流動時，一部分流體會偏離網(wǎng)格方向。由于該偏離角對由葉片表面上邊界層中的粘性作用造成的二次流毫無意義，因此為了消除上述偏離角的影響，積分不包括無量綱子午距離m＝0.0與m＝0.15之間邊界層薄的區(qū)域。
圖7(A)示出各證實例的由上式計算的MSF-角、圍帶側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-S和輪轂側(cè)的壓力系數(shù)斜率CPS-h的值。
另一方面，本發(fā)明的發(fā)明人還計算大量證實例的MSF-角的值并對在這些證實例中算出的MSF-角的值與由這些證實例中的二次流所造成的性能下降之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，作為二次流減小的定量判斷標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)格點數(shù)和比速相同的情況下，最好如下選擇MSF-角。
作為判斷標(biāo)準(zhǔn)的MSF-角在比速Ns＝280的泵中為18°。
作為判斷標(biāo)準(zhǔn)的MSF-角在比速Ns＝400的泵中為15°。
作為判斷標(biāo)準(zhǔn)的MSF-角在比速Ns＝560的泵中為25°。
作為判斷標(biāo)準(zhǔn)的MSF-角在比速Ns＝488的壓縮機(jī)中為15°。
把圖7(A)所示對各證實例的二次流作定量表示的MSF-角的值與每一組中作為判斷減小二次流的定量標(biāo)準(zhǔn)的MFS-角的值進(jìn)行比較，如證實例中的MSF-角的值等于或大于作為判斷標(biāo)準(zhǔn)的MFS-角的值，則意味不適用于上述判斷標(biāo)準(zhǔn)(減小二次流的作用不足)，如證實例中的MSF-角的值小于作為判斷標(biāo)準(zhǔn)的MFS-角的值，則意味適用于上述判斷標(biāo)準(zhǔn)(足以減小二次流)。圖4中用實心符號表示不適合的數(shù)據(jù)，用空心符號表示適合的數(shù)據(jù)。
如圖4所示，可根據(jù)圖4中為每一比速Ns標(biāo)出的數(shù)據(jù)在示出不適合于該標(biāo)準(zhǔn)的實心符號的數(shù)據(jù)區(qū)與適合于該標(biāo)準(zhǔn)的空心數(shù)據(jù)區(qū)之間畫出一邊界線。在圖4中，三根正斜率直線為分別與比速Ns＝280、Ns＝400和Ns＝560對應(yīng)的邊界線。在各比速Ns中，邊界線右下側(cè)的數(shù)據(jù)區(qū)為適合于該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)區(qū)。進(jìn)一步考察該邊界線可知，邊界線上的每一點滿足縱軸上的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s與橫軸上輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h的值之間的差為常數(shù)。即，比速Ns＝280的邊界線也就是(輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h的值)-(圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CSP-s的值)＝0.2/0.4＝0.5的斜線。因此，如圖8所示，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D280保持在0.20。因此，對比速Ns＝280的數(shù)據(jù)來說，其差D280不小于0.2的數(shù)據(jù)用位于比速Ns＝280的邊界線右下側(cè)的適合于該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)區(qū)中的空心符號標(biāo)出。因此，其差D280不小于0.2的葉輪可用來減小二次流。
比速Ns＝400的邊界線也就是(輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h的值)-(圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s的值)＝0.28/0.4＝0.7的斜線。這種情況下的趨勢與比速Ns＝280時相同。因此，其差D400不小于0.28的葉輪可用來減小二次流。
此外，比速Ns＝560的邊界線也就是(輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h的值)-(圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s的值)＝0.35/0.4＝0.87的斜線。這種情況下的趨勢也與比速Ns＝280時相同。因此，其差D560不小于0.35的葉輪可用來減小二次流。
從上述說明顯然可知，圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s與輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h之間的平面上的適合于減小二次流的空心符號的數(shù)據(jù)區(qū)意味著折合靜態(tài)壓力差ΔCp在無量綱子午距離mm-0.4處的ΔCpm-0.4與在無量綱子午距離mm處的最小值ΔCpm之間的差D不能小于某一決定于減小二次流的判斷標(biāo)準(zhǔn)的值。該差的值是邊界線縱軸上的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s的值和橫軸上的輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h的值共同作用的結(jié)果。兩斜率的作用份額有很大的變化范圍；這有三種情況，即第一種情況(1)主要取決于圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率的減小趨勢，第二種情況(2)主要取決于輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率的減小趨勢，和第三種情況(3)取決于兩斜率的減小趨勢和增加趨勢的適度合作。但是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如圖8所示，在從無量綱子午距離mm-0.4到葉輪出口(m＝1.0)的后半部中具有負(fù)值的下限的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率存在下限CPS-S，LM，當(dāng)差D的形成主要取決于圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-S的小于圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率的下限CPS-S，LM的值時，就會在從無量綱子午距離mm-0.4到葉輪出口(m＝1.0)的后半部中出現(xiàn)氣流分離，從而壓頭和斜率大大下降?？僧嫵鲆唤缍饬鞣蛛x發(fā)生數(shù)據(jù)區(qū)的水平直線，其下方有三個證實例5、6和0，從而確定圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率的下限CPS-S，LM為-1.3。作為舉例，圖23為示出證實例0中氣流分離狀態(tài)的流矢量圖。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CPS-s小于下限CPS-S，LM時在從無量綱子午距離mm-0.4到葉輪出口(m＝1.0)的后半部中會出現(xiàn)氣流分離，但在葉片的到葉輪進(jìn)口(m＝0)的前半部中還存在另一與從無量綱子午距離mm-0.4到葉輪出口(m＝1.0)的后半部中的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率的下限CPS-S，LM不同的下限。為了防止在向葉輪進(jìn)口(m＝0)的前半部中由陡削的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率造成的氣流分離，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm的位置最好選擇成在無量綱子午距離m＝0.8-1.0的范圍內(nèi)，即在向著葉輪出口(m＝1.0)的后半部中。
此外，在示出比速Ns＝488的壓縮機(jī)的圖7(A)的下部中，示出了P、9、Q、R、S、T、U和10八個例子的圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s的值、輪轂側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-h的值和MSF-角的值。與圖4一樣，這些證實例的數(shù)據(jù)標(biāo)出在圖5平面中。
如上所述，在處理可壓縮流體的壓縮機(jī)中，圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s和輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h分別相當(dāng)于圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s和輪轂側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-h。圖5中的平面由表示圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s的縱軸和表示輪轂側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-h的橫軸界定。
從包括標(biāo)出在圖5平面上的主要證實例的大量證實數(shù)據(jù)中，可畫出作為比速Ns＝488的壓縮機(jī)的邊界線的(輪轂側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-h的值)-(圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s的值)＝0.23/0.4＝0.575的斜線，該邊界層右下方的數(shù)據(jù)區(qū)即為不適合于減小二次流的判斷標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)區(qū)。
這就是說，在比速Ns＝488的壓縮機(jī)中，折合靜態(tài)壓力差ΔM的最小值ΔMm與折合靜態(tài)壓力差ΔM的在與從上述最小值Δm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔMm-0.4之差MD488保持在0.23。因此，從大量證實例中可得出，其差MD488不小于0.23而由空心符號所示數(shù)據(jù)區(qū)的葉輪可用來減小二次流。
但是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率存在下限MS-S，LM，當(dāng)圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s的值的小于圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率的下限MS-S，LM時，就會在從無量綱子午距離mm-0.4到葉輪出口(m＝1.0)的后半部中出現(xiàn)氣流分離，從而壓頭和斜率大大下降。
可畫出一界定氣流分離發(fā)生數(shù)據(jù)區(qū)的水平直線，其下方有兩個證實例U和10，從而確定在比速Ns＝488的壓縮機(jī)中圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率的下限MS-S，LM為-0.8。作為舉例，圖30為示出證實例U中氣流分離狀態(tài)的流矢量圖。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MS-s小于下限MS-S，LM時在從無量綱子午距離mm-0.4到葉輪出口(m＝1.0)的后半部中會出現(xiàn)氣流分離，但在葉片的到葉輪進(jìn)口(m＝0)的前半部中還存在另一與從無量綱子午距離mm-0.4到葉輪出口(m＝1.0)的后半部中的圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率的下限MS-S，LM不同的下限。為了防止在向葉輪進(jìn)口(m＝0)的前半部中由陡削的圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率造成的氣流分離，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm的位置最好選擇成在無量綱子午距離m＝0.8-1.0的范圍內(nèi)，即在向著葉輪出口(m＝1.0)的后半部中。
回到圖7(A)，在有關(guān)比速Ns＝488的壓縮機(jī)的圖7(A)的下部中，從次序為P、Q、R、S、T和U的圖24-29所示證實例的馬赫數(shù)曲線中如圖25所示那樣讀取圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s的值和輪轂側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-h的值。在每一證實例中，MSF-角的計算過程、由MSF-角確定的判斷標(biāo)準(zhǔn)和定量評價二次流減小的評價過程與結(jié)合圖4所述相同，因此不再贅述。
在本發(fā)明中，圖4中泵的證實例的比速范圍為Ns＝280-560。按照本發(fā)明原理，比速Ns的另一最佳范圍為小于280。但是，從圖4中的傾斜邊界線的趨勢可看出，D280的值小于D400和D560的值，而D400的值小于D560的值。因此，D的臨界值的趨勢是比速越低的葉輪該值越小，盡管與比速的定量關(guān)系在圖4中并不確切。(在下述本發(fā)明的第二方面中該定量關(guān)系確切)。因此，在比速Ns范圍小于280的情況下使用不大于D280＝0.2的D值可安全設(shè)計出可減小二次流的葉輪。同樣，在比速Ns范圍分別小于400和560的情況下使用不大于D400＝0.28和D560＝0.35的D值可安全設(shè)計出可減小二次流的葉輪。
在壓縮機(jī)中，圖5只示出比速Ns＝488的數(shù)據(jù)。但是，泵與壓縮機(jī)造成二次流減小的流動機(jī)制是相同的，因此，在比速Ns范圍小于488的情況下使用不大于DM488＝0.23的DM值可安全設(shè)計出可減小二次流的壓縮機(jī)葉輪。
下面說明本發(fā)明第二方面的一實施例。
按照本發(fā)明第一方面的實施例，對于渦輪機(jī)械的各種比速或流體種類(不可壓縮流體或可壓縮流體)來說，在圖4或圖5中傾斜的邊界線是根據(jù)散布的數(shù)據(jù)確定和畫出的，數(shù)據(jù)與比速之間的定量關(guān)系是不確切的。因此對于一定比速、處理某種流體的渦輪機(jī)械來說，在為了減小二次流而合適設(shè)計圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s和輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h或圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s和輪轂側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-h的作用份額，以使折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D或相對馬赫數(shù)差ΔM的最小值ΔMm與相對馬赫數(shù)差ΔM的在與從上述最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔMm -0.4之差DM等于或大于某一值時，在某些情況下無法直接使用圖4或圖5所示邊界線。
因此，按照本發(fā)明的第二個方面，不管使用何種流體，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的值ΔCpm-0.4之差D或相對馬赫數(shù)差ΔM的最小值ΔMm與相對馬赫數(shù)差的值ΔMm-0.4之差DM與比速之間的關(guān)系是確切的。即，關(guān)于差D或DM，引入并新定義由流道中心的壓力系數(shù)Cp，mid-mid標(biāo)準(zhǔn)化的壓力系數(shù)Cp*，從而按照本發(fā)明第一方面的邊界線可表為比速Ns的函數(shù)。
圖6示出根據(jù)各證實例中標(biāo)準(zhǔn)化的壓力差Cp*標(biāo)出的上述差的數(shù)據(jù)。在圖6中，縱軸表示無量綱子午距離mm-0.4處標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*m-0.4與無量綱子午距離mm處標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的最小值ΔCp*m之差D*，橫軸表示渦輪機(jī)械的比速Ns。標(biāo)出在由縱軸和橫軸所界定的平面上的數(shù)據(jù)與標(biāo)出在圖4和圖5平面上的數(shù)據(jù)相同?？僧嫵鲆怀守?fù)斜率直線的邊界線，從而適合于減小二次流的判斷標(biāo)準(zhǔn)的空心符號所示數(shù)據(jù)位于該圖的右上方，不適合于減小二次流的判斷標(biāo)準(zhǔn)的實心符號所示數(shù)據(jù)位于該圖的左下方。
通過讀取邊界線的斜率和邊界線與縱軸的交點，作為比速Ns的函數(shù)而示出標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差之差D*，即可確定下列方程的合適性。
D*＝ΔCp*m-0.4-ΔCp*m＝-0.004Ns+3.62其中，標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)定義成下列方程。
Cp*＝Cp/Cp，mid-mid其中，Cp，mid-mid為圖1(D)所示流道中心處的壓力系數(shù)。
在處理壓縮流體的壓縮機(jī)中，相對馬赫數(shù)差M由下式與壓力系數(shù)建立關(guān)系，從而標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*可用于任何種流體。Cp=2[1-(1-0.5W2/H0*)γ/(γ-1)]/γM0*2]]>M0*＝Ut/(γP0*/ρ0*)0.5
其中，Ut為葉輪的圓周速度，W為相對速度，H0*為轉(zhuǎn)焓，γ為比熱比，P0*為旋轉(zhuǎn)滯止壓力，ρo*為與P0*對應(yīng)的密度。
圖7(B)的表示出各證實例用來在圖6平面上標(biāo)出數(shù)據(jù)值的折合靜態(tài)壓力差的差(D*＝ΔCp*m-0.4-ΔCp*m)。
順便說一句，證實例7和8與比速Ns＝377的泵有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)，上述證實例的數(shù)據(jù)由圖6平面上的邊界線確定而位于不適合于減小二次流的數(shù)據(jù)區(qū)中。順便說一句，由三維粘性計算可知，在從無量綱子午距離m-0.4到葉輪進(jìn)口(m＝0)的前半部中出現(xiàn)為負(fù)值且較之圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率的下限CPS-S，LIM極小(極陡)的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率值，因此在葉輪的前半部發(fā)生氣流分離。因此，無法確定證實例7和8數(shù)據(jù)中二次流發(fā)展的信息。
下面說明本發(fā)明第三和第四方面的一實施例。按照本發(fā)明的第三方面在設(shè)計和制造其葉輪的三維形狀按本發(fā)明的第一方面的特征從而折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM沿?zé)o量綱子午距離m向著葉輪出口呈顯著減小趨勢的渦輪機(jī)械以及在設(shè)計和制造其葉輪的三維形狀按本發(fā)明的第二方面的特征從而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*的折合靜態(tài)壓力差ΔCp呈顯著減小趨勢的渦輪機(jī)械時，葉輪的三維形狀使用下述設(shè)計方法。該設(shè)計方法包括確定子午形狀的第一步、確定葉片負(fù)荷分布的第二步、確定葉型的第三步、判斷最佳折合靜態(tài)壓力差ΔCp之類的第四步和評價流場的第五步。
在這些方面，在根據(jù)壓力系數(shù)Cp與角動量rVθ之間的已知緊密關(guān)系用試錯法正確選擇葉片負(fù)荷分布的同時增加或減小壓力系數(shù)Cp。此外，使用下述把葉片負(fù)荷分布用作輸入數(shù)據(jù)的三維反向設(shè)計方法，確定實現(xiàn)具有本發(fā)明第一和第二方面的特征的特征分布的葉輪的三維形狀。
此時，設(shè)計方法按照圖3(B)所示流程圖進(jìn)行。
在第一步(確定子午形狀)中，根據(jù)與從設(shè)計規(guī)格算出的比速Ns的相關(guān)關(guān)系的現(xiàn)有知識確定輪轂和圍帶的子午形狀以及葉片的進(jìn)口邊和出口邊的位置并選擇葉輪的葉片數(shù)。數(shù)值計算所需網(wǎng)格沿輪轂和圍帶表面等間隔或不等間隔劃分。該網(wǎng)格伸展到葉片進(jìn)口邊的上游和葉片的出口邊的下游。該網(wǎng)格與圖1(c)的用于粘性流計算的網(wǎng)格相同。連接輪轂和圍帶上的對應(yīng)點而畫出準(zhǔn)正交線(Q-O線)。然后確定子午流道中的許多回轉(zhuǎn)面和堆積條件f0(各回轉(zhuǎn)面上中弧線在一點上的切向坐標(biāo))。第一步的過程與圖3(A)所示現(xiàn)有設(shè)計方法的第一步的過程大致相同。
在第二步(確定特定負(fù)荷分布)中，選擇葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的外形而使葉片負(fù)荷分布在無量綱子午距離m的第一半部位置中在圍帶面上有一峰值并在無量綱子午距離m的后半部位置中在輪轂面上有一峰值。然后，沿?zé)o量綱子午距離m對輪轂和圍帶上的(rVθ)/m的分布進(jìn)行積分而確定rVθ分布。調(diào)節(jié)由沿?zé)o量綱子午距離m積分葉片負(fù)荷分布所得的值以滿足出口速度三角形(即與現(xiàn)有方法同樣地根據(jù)葉輪的設(shè)計壓頭確定葉輪出口處輪轂和圍帶上的Vθ值)并沿由第一步確定的Q-O線進(jìn)行線性插值而確定輪轂與圍帶之間的rVθ分布。
在第三步(確定葉型)中，使用沿葉片的速度位于葉片中弧線、即葉片中弧線沒有流體的條件確定中弧線。
設(shè)中弧線的位置為由下式確定的αα＝θ-f(r，z)＝0，n2π/B，(n＝1，2，3，…B)其中，f為中弧線(或包角)的切向坐標(biāo)，θ為極坐標(biāo)中的切向坐標(biāo)，B為葉片數(shù)(見圖1(E))。
上述條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下W+·(α)＝0，W-·(α)＝0其中，W+和W-分別為葉片的壓力面和負(fù)壓面的相對速度，為矢量計算算子。
聯(lián)立上述兩方程得如下方程Wbl·(α)＝0 其中，Wbl＝(W++W-)/2上述方程可分解成其分量而表為下式{(Vz+vzbl)f/z}+{(Vr+vrbl)f/r}＝{(rVθ)/r2}+{(vθbl)/r}-ω上述方程為一階雙曲偏微分方程。把沿葉片中任一Q-O線的f0的值作為初始值(堆積條件)，沿?zé)o量綱子午距離m對上述方程進(jìn)行積分可確定無量綱子午距離m位置上葉片中弧線的切向坐標(biāo)f。然后在所確定的葉片中弧線上加上使葉片具有所需機(jī)械強(qiáng)度所需厚度而確定葉輪的三維形狀。比方說可把葉片出口邊沿Q-O線的f0的值設(shè)定為0或把葉片出口邊沿Q-O線的f0的值設(shè)定為適度分布而指定堆積條件。
上述方程中的相對速度的計算如下進(jìn)行。
把速度場分裂成切向平均分量和切向周期分量。為確定切向平均流，用流函數(shù)表達(dá)徑向和軸向速度(Vr和Vz)以滿足流體力學(xué)的連續(xù)性(或質(zhì)量守恒)方程。然后使用由葉片的作用產(chǎn)生的旋渦場的合適方程獲得支配流函數(shù)的泊松型偏微分方程，而該旋渦場又與葉片環(huán)流2πrVθ有關(guān)。然后該方程可在上游和下游邊界處的速度均勻條件以及輪轂和圍帶壁上無流體(或不變流函數(shù))條件下用合適的數(shù)值方法進(jìn)行積分。對該方程進(jìn)行積分可得到從中得到Vr和Vz的流函數(shù)的值。
解切向周期流可得速度項vrbl、vzbl和vθbl。為解周期流須使用速度場的Clebsch公式。在該公式中速度場分裂成一未知無旋部分(用一速度位函數(shù)表示)和一與葉片環(huán)流2πrVθ有關(guān)的已知旋流部分。然后使用周期流的連續(xù)性方程中的速度場的Clebsch公式求出未知位函數(shù)的支配方程。這樣可得到一三維泊松方程，然后在上游和下游邊界處周期切向速度和葉高速度為零而輪轂和圍帶表面上無流體的條件下用合適的數(shù)值方法對該泊松方程進(jìn)行積分。
按照上述方法，可用下述方程得到葉輪的速度場和葉片負(fù)荷即在葉片的壓力面上的壓力p(+)與負(fù)壓面上的壓力p(-)之間的壓力差p(+)-p(-)。
{p(+)-p(-)}/ρ＝2π(Wbl·rVθ)/B其中，Wbl為葉片表面上的位置處的相對速度。
這樣就可得到葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM。
此外，不依賴于葉輪的比速和類型即同時適合于處理可壓縮流體的壓縮機(jī)或處理不可壓縮流體的泵的值，標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*由下式確定。
Cp*＝Cp/Cp，mid-mid其中，Cp，mid-mid為無量綱子午距離m的位置上流道中心處的壓力系數(shù)?？蓧嚎s流體的壓力系數(shù)Cp由下式確定。Cp*=2[1-(1-0.5W2/H0*)γ/(γ-1)]/γM0*2]]>M0*2=Ut/(γP0*/ρ0*)0.5]]>其中，Ut為葉輪的圓周速度，W為相對速度，H0*為轉(zhuǎn)焓，γ為比熱比，P0*為旋轉(zhuǎn)滯止壓力，ρo*為與P0*對應(yīng)的密度。
在第四步(評價最佳折合靜態(tài)壓力差等等)中，判斷在第三步中計算所得的沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM的分布是否適合于減小葉輪中的二次流。在確立可減小二次流的折合靜態(tài)壓力差ΔCp的分布時，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的減小趨勢決定于(a)對圍帶側(cè)變動的依賴程度，(b)對輪轂側(cè)變動的依賴程度，以及(c)對圍帶側(cè)和輪轂側(cè)變動的依賴程度。為了定量判斷合適的ΔCp分布，確定折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm所在位置與從最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4的位置之間的葉片負(fù)壓面上的圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s和葉片負(fù)壓面上的輪轂側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-h，然后判斷該值是否滿足在本發(fā)明第一方面中所定標(biāo)準(zhǔn)。在ΔCp的變動主要決定于圍帶側(cè)的變動的情況下，壓力分布變成壓力過度增加(或相對速度過度減速)，從而在壓頭降低、斜率降低和工作范圍減小的同一區(qū)域出現(xiàn)大量氣流分離。因此，應(yīng)根據(jù)本發(fā)明第一方面所定CPS-S，LM小心防止出現(xiàn)這一分布。
順便說一句，對于不可壓縮流體，壓力系數(shù)Cp等于(W/U)2，其中，W為相對速度。對于比方說壓縮機(jī)中的可壓縮流體，與二次流行為有關(guān)的物理變量為相對馬赫數(shù)。因此，對于可壓縮流體，對折合靜態(tài)壓力差ΔCp的判斷換成根據(jù)本發(fā)明第一方面所定標(biāo)準(zhǔn)的相對馬赫數(shù)差ΔM。
此外，使用同時作為泵和壓縮機(jī)的減小二次流的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*，可用標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的最小值ΔCp*m與標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的在與從上述最小值ΔCp*m所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCp*m-0.4之差進(jìn)行判斷。
這樣就可判斷是否獲得最佳折合靜態(tài)壓力差，若未獲得最佳折合靜態(tài)壓力差，回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行從第二步到上述步驟的各步驟直到獲得最佳折合靜態(tài)壓力差。完成這一步后，確定可獲得最佳折合壓力分布的葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m。從而，在設(shè)計具有類似設(shè)計規(guī)格的葉輪時，可應(yīng)用上述最佳葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m，從而大大加快新設(shè)計的最佳過程。
在第五步(評價流場)中，評價由于由第三步確定的葉輪中的迅速減速或壓力迅速增加而造成的氣流分離是否會降低性能。若判斷出葉輪中的壓力分布不合適，回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行從第二步到第五步的各步驟直到獲得預(yù)期結(jié)果。
在本發(fā)明第三和第四方面的第二步中，流場的特性即與流體力學(xué)直接有關(guān)的葉片負(fù)荷分布可用作確定葉型的第三步的輸入數(shù)據(jù)，因此較之用試錯法修正葉片角分布的現(xiàn)有制造方法可迅速設(shè)計減小二次流的葉型并方便地制造具有這種葉型的葉輪。
順便說一句，關(guān)于在第三步中根據(jù)在第二步中所確定的特定rVθ獲得葉型的方法，可使用另一種計及葉片有限厚度對速度場的影響的反向設(shè)計方法或比方說Soulis，J.V.的下述文章所述半反向方法，“使用有限體積法的薄渦輪機(jī)械葉片設(shè)計”，Intemational JoumalofN um ericalM ethods in Engmeering，Vol.21，p19，1985，該方法迭代應(yīng)用分析方法。但是，這些方法比本發(fā)明第三和第四方面的第三步所述方法的計算時間長并效率低。
工業(yè)應(yīng)用性按照本發(fā)明，提供了一種具有一葉輪的渦輪機(jī)械，其特征在于，該葉輪設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢。
(1)為了獲得上述顯著減小趨勢，使用把葉片負(fù)荷分布用作輸入數(shù)據(jù)的三維反向設(shè)計方法確定葉輪的葉型，從而折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D選擇成視渦輪機(jī)械的比速Ns而定的一特定值。此外，相對馬赫數(shù)差ΔM的最小值ΔMm與相對馬赫數(shù)差ΔM的在與上述無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔMm-0.4之差DM也選擇成視渦輪機(jī)械的比速NS而定的一特定值。
(2)不使用壓力系數(shù)Cp或馬赫數(shù)M從而折合靜態(tài)壓力差ΔCp或相對馬赫數(shù)差ΔM而使用對可壓縮流體和不可壓縮流體都適用的標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)Cp*，從而與上述差D或DM對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化壓力系數(shù)差D*可表達(dá)成比速的函數(shù)。然后使用把葉片負(fù)荷分布用作輸入數(shù)據(jù)的三維反向設(shè)計方法確定葉輪的葉型，從而與一定比速的渦輪機(jī)械對應(yīng)的上述差D*選擇成一與上述函數(shù)一致的特定值。
(3)使用把具有上述(1)和(2)的特征的方面作為輸入數(shù)據(jù)的三維反向方法設(shè)計和制造渦輪機(jī)械。
用大量證實數(shù)據(jù)核實上述方面(1)-(3)的合適性，因此本發(fā)明可有效地用于工業(yè)中。
按照上述各方面，由于可有效減小二次流的子午分量，因此可減小渦輪機(jī)械中或下游流道中的損失、防止出現(xiàn)正斜率特征曲線、提高運行穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明在工業(yè)中有很大的使用價值。
權(quán)利要求
1.葉輪的比速Ns不大于280、處理不可壓縮流體的一種渦輪機(jī)械，其特征在于，所述葉輪設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢布置成折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D280選擇成不小于0.20。
2.葉輪的比速Ns不大于400、處理不可壓縮流體的一種渦輪機(jī)械，其特征在于，所述葉輪設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢布置成折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D400選擇成不小于0.28。
3.葉輪的比速Ns不大于560、處理不可壓縮流體的一種渦輪機(jī)械，其特征在于，所述葉輪設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢布置成折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D560選擇成不小于0.35。
4.按上述任一權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)械，其特征在于，折合靜態(tài)壓力差ΔCp的所述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm選擇成在無量綱子午距離m＝0.8-1.0的范圍內(nèi)。
5.按上述任一權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)械，其特征在于，葉片負(fù)壓面上圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s選擇成不小于作為圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率下限CPS-S，LM的-1.3。
6.葉輪的比速Ns不大于488、處理可壓縮流體的一種渦輪機(jī)械，其特征在于，所述葉輪設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的相對馬赫數(shù)差ΔM沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢布置成相對馬赫數(shù)差ΔM的最小值ΔMm與相對馬赫數(shù)差ΔM的在與從上述最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔMm-0.4之差DM488選擇成不小于0.23。
7.按權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)械，其特征在于，葉片負(fù)壓面上圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s選擇成不小于作為圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率下限MS-S，LIM的-0.8。
8.按權(quán)利要求6或7所述的渦輪機(jī)械，其特征在于，相對馬赫數(shù)差ΔM的所述最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm選擇成在無量綱子午距離m＝0.8-1.0的范圍內(nèi)。
9.一種具有一葉輪的渦輪機(jī)械，其特征在于，所述葉輪設(shè)計成葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢布置成折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的最小值ΔCp*m與折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的在與從上述最小值ΔCp*m所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCp*m-0.4之差D*選擇成不小于D*＝-0.004Ns+3.62，其中，Ns為比速。
10.一種制造其葉輪的比速Ns不大于280、處理不可壓縮流體的渦輪機(jī)械的方法，包括第一步，把設(shè)計規(guī)格用作輸入數(shù)據(jù)選擇葉輪的子午外形和葉片數(shù)量，在子午流道中確定許多回轉(zhuǎn)表面并確定堆積條件f0；第二步，選擇葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的形狀而使葉片負(fù)荷分布在無量綱子午距離m的第一半部位置中在圍帶面上有一峰值并在無量綱子午距離m的后半部位置中在輪轂面上有一峰值，調(diào)節(jié)由沿?zé)o量綱子午距離m對葉片負(fù)荷分布進(jìn)行積分所得的值以滿足葉輪的設(shè)計壓頭，從而確定沿?zé)o量綱子午距離m的位置的葉片負(fù)荷rVθ的分布。第三步，把堆積條件f0作為初始值，沿?zé)o量綱子午距離m積分{(Vz+vzbl)f/z}+{(Vr+vrbl)f/r}＝{(rVθ)/r2}+{(vθbl)/r}-ω而確定沿?zé)o量綱子午距離m的葉片中弧線的切向坐標(biāo)f，然后在所確定的葉片中弧線上加上使葉片具有所需機(jī)械強(qiáng)度所需厚度而確定葉輪的三維形狀；第四步，判斷第三步所得沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp的分布是否適合于減小葉輪中的二次流；第五步，評價由第三步確定的至少是葉輪中的流體分離是否會降低性能，用二次流參數(shù)評價葉輪中的二次流，根據(jù)上述評價回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行上述步驟直到獲得預(yù)期結(jié)果；其中，葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢按照第四步進(jìn)行判斷，即折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D280是否不小于0.20。
11.一種制造其葉輪的比速Ns不大于400，處理不可壓縮流體的渦輪機(jī)械的方法，包括第一步，把設(shè)計規(guī)格用作輸入數(shù)據(jù)選擇葉輪的子午外形和葉片數(shù)量，在子午流道中確定許多回轉(zhuǎn)表面并確定堆積條件f0；第二步，選擇葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的形狀而使葉片負(fù)荷分布在無量綱子午距離m的第一半部位置中在圍帶面上有一峰值并在無量綱子午距離m的后半部位置中在輪轂面上有一峰值，調(diào)節(jié)由沿?zé)o量綱子午距離m對葉片負(fù)荷分布進(jìn)行積分所得的值以滿足葉輪的設(shè)計壓頭，從而確定沿?zé)o量綱子午距離m的位置的葉片負(fù)荷rVθ的分布。第三步，把堆積條件f0作為初始值，沿?zé)o量綱子午距離m積分{(Vz+vzbl)f/z}+{(Vr+vrbl)f/r}＝{(rVθ)/r2}+{(vθbl)/r}-ω而確定沿?zé)o量綱子午距離m的葉片中弧線的切向坐標(biāo)f，然后在所確定的葉片中弧線上加上使葉片具有所需機(jī)械強(qiáng)度所需厚度而確定葉輪的三維形狀；第四步，判斷第三步所得沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp的分布是否適合于減小葉輪中的二次流；第五步，評價由第三步確定的至少是葉輪中的流體分離是否會降低性能，用二次流參數(shù)評價葉輪中的二次流，根據(jù)上述評價回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行上述步驟直到獲得預(yù)期結(jié)果；其中，葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢按照第四步進(jìn)行判斷，即折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D400是否不小于0.28。
12.一種制造其葉輪的比速Ns不大于560、處理不可壓縮流體的渦輪機(jī)械的方法，包括第一步，把設(shè)計規(guī)格用作輸入數(shù)據(jù)選擇葉輪的子午外形和葉片數(shù)量，在子午流道中確定許多回轉(zhuǎn)表面并確定堆積條件f0；第二步，選擇葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的形狀而使葉片負(fù)荷分布在無量綱子午距離m的第一半部位置中在圍帶面上有一峰值并在無量綱子午距離m的后半部位置中在輪轂面上有一峰值，調(diào)節(jié)由沿?zé)o量綱子午距離m對葉片負(fù)荷分布進(jìn)行積分所得的值以滿足葉輪的設(shè)計壓頭，從而確定沿?zé)o量綱子午距離m的位置的葉片負(fù)荷rVθ的分布。第三步，把堆積條件f0作為初始值，沿?zé)o量綱子午距離m積分{(Vz+vzbl)f/z}+{(Vr+vzbl)f/r}＝{(rVθ)/r2}+{(vθbl)/r}-ω而確定沿?zé)o量綱子午距離m的葉片中弧線的切向坐標(biāo)f，然后在所確定的葉片中弧線上加上使葉片具有所需機(jī)械強(qiáng)度所需厚度而確定葉輪的三維形狀；第四步，判斷第三步所得沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp的分布是否適合于減小葉輪中的二次流；第五步，評價由第三步確定的至少是葉輪中的流體分離是否會降低性能，用二次流參數(shù)評價葉輪中的二次流，根據(jù)上述評價回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行上述步驟直到獲得預(yù)期結(jié)果；其中，葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的折合靜態(tài)壓力差ΔCp沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢按照第四步進(jìn)行判斷，即折合靜態(tài)壓力差ΔCp的最小值ΔCpm與折合靜態(tài)壓力差ΔCp的在與從上述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCpm-0.4之差D560是否不小于0.35。
13.按權(quán)利要求10-12中任一權(quán)利要求所述的制造渦輪機(jī)械的方法，其特征在于，判斷折合靜態(tài)壓力差ΔCp的所述最小值ΔCpm所在處的無量綱子午距離mm是否在無量綱子午距離m＝0.8-1.0的范圍內(nèi)。
14.按權(quán)利要求10-13中任一權(quán)利要求所述的制造渦輪機(jī)械的方法，其特征在于，判斷葉片負(fù)壓面上圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率CPS-s是否不小于作為圍帶側(cè)壓力系數(shù)斜率下限CPS-S，LM的-1.3。
15.一種制造其葉輪的比速Ns不大于488、處理可壓縮流體的渦輪機(jī)械的方法，包括第一步，把設(shè)計規(guī)格用作輸入數(shù)據(jù)選擇葉輪的子午外形和葉片數(shù)量，在子午流道中確定許多回轉(zhuǎn)表面并確定堆積條件f0；第二步，選擇葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的形狀而使葉片負(fù)荷分布在無量綱子午距離m的第一半部位置中在圍帶面上有一峰值并在無量綱子午距離m的后半部位置中在輪轂面上有一峰值，調(diào)節(jié)由沿?zé)o量綱子午距離m對葉片負(fù)荷分布進(jìn)行積分所得的值以滿足葉輪的設(shè)計壓頭，從而確定沿?zé)o量綱子午距離m的位置的葉片負(fù)荷rVθ的分布。第三步，把堆積條件f0作為初始值，沿?zé)o量綱子午距離m積分{(Vz+vzbl)f/z}+{(Vr+vrbl)f/r}＝{(rVθ)/r2}+{(vθbl)/r}-ω而確定沿?zé)o量綱子午距離m的葉片中弧線的切向坐標(biāo)f，然后在所確定的葉片中弧線上加上使葉片具有所需機(jī)械強(qiáng)度所需厚度而確定葉輪的三維形狀；第四步，判斷第三步所得沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp的分布是否適合于減小葉輪中的二次流；第五步，評價由第三步確定的至少是葉輪中的流體分離是否會降低性能，用二次流參數(shù)評價葉輪中的二次流，根據(jù)上述評價回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行上述步驟直到獲得預(yù)期結(jié)果；其中，葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的相對馬赫數(shù)差ΔM沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢按照第四步進(jìn)行判斷，即相對馬赫數(shù)差ΔM的最小值ΔMm與相對馬赫數(shù)差ΔM的在與從上述最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔMm-0.4之差DM488是否不小于0.23。
16.按權(quán)利要求15所述的制造渦輪機(jī)械的方法，其特征在于，判斷葉片負(fù)壓面上圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率MS-s是否不小于作為圍帶側(cè)馬赫數(shù)斜率下限MS-S，LM的-0.8。
17.按權(quán)利要求15或16所述的制造渦輪機(jī)械的方法，其特征在于，判斷相對馬赫數(shù)差ΔM的所述最小值ΔMm所在處的無量綱子午距離mm是否在無量綱子午距離m＝0.8-1.0的范圍內(nèi)。
18.一種制造其葉輪具有一定比速Ns的渦輪機(jī)械的方法，包括第一步，把設(shè)計規(guī)格用作輸入數(shù)據(jù)選擇葉輪的子午外形和葉片數(shù)量，在子午流道中確定許多回轉(zhuǎn)表面并確定堆積條件f0；第二步，選擇葉片負(fù)荷分布(rVθ)/m的形狀而使葉片負(fù)荷分布在無量綱子午距離m的第一半部位置中在圍帶面上有一峰值并在無量綱子午距離m的后半部位置中在輪轂面上有一峰值，調(diào)節(jié)由沿?zé)o量綱子午距離m對葉片負(fù)荷分布進(jìn)行積分所得的值以滿足葉輪的設(shè)計壓頭，從而確定沿?zé)o量綱子午距離m的位置的葉片負(fù)荷rVθ的分布。第三步，把堆積條件f0作為初始值，沿?zé)o量綱子午距離m積分{(Vz+vzbl)f/z}+{(Vr+vrbl)f/r}＝{(rVθ)/r2}+{(vθbl)/r}-ω而確定沿?zé)o量綱子午距離m的葉片中弧線的切向坐標(biāo)f，然后在所確定的葉片中弧線上加上使葉片具有所需機(jī)械強(qiáng)度所需厚度而確定葉輪的三維形狀；第四步，判斷第三步所得沿?zé)o量綱子午距離m的折合靜態(tài)壓力差ΔCp的分布是否適合于減小葉輪中的二次流；第五步，評價由第三步確定的至少是葉輪中的流體分離是否會降低性能，用二次流參數(shù)評價葉輪中的二次流，根據(jù)上述評價回到第二步修正葉片負(fù)荷分布，反復(fù)進(jìn)行上述步驟直到獲得預(yù)期結(jié)果；其中，葉片負(fù)壓面上輪轂與圍帶之間的標(biāo)準(zhǔn)化折合靜態(tài)壓力差ΔCp*沿?zé)o量綱子午距離m的位置向葉輪出口呈顯著減小趨勢，所述顯著減小趨勢按照第四步進(jìn)行判斷，即折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的最小值ΔCp*m與折合靜態(tài)壓力差ΔCp*的在與從上述最小值ΔCp*m所在處的無量綱子午距離mm中減去無量綱子午距離0.4所得無量綱子午距離mm-0.4對應(yīng)的位置上的值ΔCp*m-0.4之差D*是否不小于D*＝-0.004Ns+3.62，其中，Ns為比速。
全文摘要
一在一渦輪機(jī)械中的葉輪(6)上有若干葉片(3),這些葉片設(shè)計成葉片(3)上輪轂(2)和圍帶(4)之間的折合靜態(tài)壓力差△Cp在葉輪進(jìn)口(6a)與葉輪出口(6b)之間在接近葉輪出口(6b)處呈顯著減小趨勢。
文檔編號F04D29/28GK1186540SQ95197890
公開日1998年7月1日 申請日期1995年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月7日
發(fā)明者邁赫達(dá)德·贊根, 原田英臣, 后藤彰 申請人:株式會社荏原制作所, 株式會社荏原綜合研究所, 倫敦學(xué)院大學(xué)