一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水力機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，包含一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空化是指在工質(zhì)中或者固體表面上發(fā)生的液相與氣相之間的相互轉(zhuǎn)化，并且常常伴隨有振動(dòng)和噪聲的一種現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會造成固體表面的破壞?？栈瘯?dǎo)致水力機(jī)械性能明顯降低。
[0003]栗是水力機(jī)械的一種主要形式，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、農(nóng)業(yè)和國防等領(lǐng)域。根據(jù)用途和工作條件的不同，有不同的性能特點(diǎn)和工藝要求，其制造水平的高低直接反映了國家的工業(yè)水平。以核主栗為主要代表的高端水栗，其與空化相關(guān)的性能十分重要。核主栗承擔(dān)核反應(yīng)堆芯冷卻任務(wù)，是核電站的核心設(shè)備，其設(shè)計(jì)性能的好壞直接影響到核電站運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。在目前先進(jìn)的核裝置設(shè)計(jì)中，明確提出核主栗要滿足極端環(huán)境下超長高效使役60年的要求，明確提出在任何常規(guī)運(yùn)行工況下完全杜絕空化發(fā)生的苛刻條件。
[0004]考慮空化的栗的設(shè)計(jì)，主要是對栗進(jìn)行改進(jìn)以使空化對栗性能的不利影響降到最低，或者在空化依然存在的情況下通過其他方法提高栗的性能。目前研究的方向主要都是以降低空化帶來的影響為主，傳統(tǒng)的應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中抑制空化的常用方法可分為兩種，一種是在離心栗或者斜流栗葉輪進(jìn)口上游安裝誘導(dǎo)輪，另一種是采用超空化轉(zhuǎn)槳式葉片，主要應(yīng)用于螺旋槳的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。目前，對空化存在的條件下，使用特殊葉片結(jié)構(gòu)對栗運(yùn)行和性能影響方面尚未有充足的認(rèn)識，相關(guān)的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)方法還屬于空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明可以應(yīng)用于水力機(jī)械的開發(fā)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域，針對空化帶來的負(fù)面作用，提出了一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過在葉片表面布置射流水孔，基于水翼表面流體微流動(dòng)控制形式，對固體邊界附近產(chǎn)生的反向射流進(jìn)行控制和抵消，從而達(dá)到抑制空化的目的。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)，包括軸系、葉片、葉片表面水孔、葉片內(nèi)部空腔、軸系內(nèi)部空腔和連接空腔；
[0008]軸系是整體或套裝的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其是水力機(jī)械中傳遞動(dòng)力的部件，其內(nèi)部設(shè)有軸系內(nèi)部空腔；
[0009]葉片附著于軸系上，其內(nèi)部設(shè)有葉片內(nèi)部空腔，葉片內(nèi)部空腔和軸系內(nèi)部空腔由連接空腔連接;葉片吸力面上設(shè)有葉片表面水孔；
[0010]流體依次通過軸系內(nèi)部空腔葉、連接空腔和葉片內(nèi)部空腔，進(jìn)入葉片內(nèi)部，再由葉片表面水孔噴出；沿流體流動(dòng)方向，葉片內(nèi)部空腔的起始位置位于葉片前端和葉片中弧線最高點(diǎn)之間，徑向方向葉片內(nèi)部空腔的長度接近葉片頂端；
[0011]葉片表面水孔分布于葉片的吸力面上，將通過葉片內(nèi)部空腔輸送來的流體噴入流場，根據(jù)空化流場特性分析結(jié)果，葉片表面水孔設(shè)置在葉片弦長的20%-85%之間；葉片表面水孔的寬度或直徑為弦長的2%_8%;葉片表面水孔的排列方式可以是單排或多排;形式可以是長條形的槽道、規(guī)律排列的圓孔或其他形式;流體噴出方向與水力機(jī)械內(nèi)流體主流方向的夾角為35° -90° ;流體從水孔中噴出的速度為主流速度的5%-200%。
[0012]包括以下步驟:
[0013]步驟1、根據(jù)對水力機(jī)械的具體需求，使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法確定無射流水孔條件下水力機(jī)械結(jié)構(gòu)和葉片外形；
[0014]步驟2、對步驟I設(shè)計(jì)得到葉片建立三維模型，使用計(jì)算流體力學(xué)方法對三維模型模擬分析，取得空化發(fā)生發(fā)展的具體狀態(tài)、邊界層和回射流的流動(dòng)特征。
[0015]步驟3、對步驟2得到空化發(fā)生發(fā)展的具體狀態(tài)、邊界層和回射流的流動(dòng)特征進(jìn)行分析，得到的空化流場特性;根據(jù)空化流場特性，設(shè)計(jì)葉片內(nèi)部空腔和葉片表面水孔;葉片表面水孔設(shè)置在葉片弦長的20%_85%之間；葉片表面水孔的排列方式可以是單排或多排；形式可以是長條形的槽道、規(guī)律排列的圓孔或其他形式;葉片表面水孔的寬度或直徑為弦長的2%-8% ;流體噴出方向與水力機(jī)械內(nèi)流體主流方向的夾角為35°-90° ;流體從水孔中噴出的速度為主流速度的5 %-200 %。根據(jù)葉片表面水孔噴出流體的流量，軸系內(nèi)部設(shè)有軸系內(nèi)部空腔。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017](I)延遲空化發(fā)生。由于空化是由局部壓力小于當(dāng)前溫度下飽和壓力造成的，從空隙噴出壓力較高的流體可以改變局部壓力，延緩空化的發(fā)生。
[0018](2)抑制回射流。由于工作狀態(tài)的需求，在空化不可避免的發(fā)生時(shí)，隨著空化程度的不斷加深，回射流的存在會促進(jìn)空泡的脫落，從孔隙內(nèi)噴入的流體可以阻擋回射流對空化區(qū)域穩(wěn)定性的影響，阻止空泡脫離的發(fā)生。
【附圖說明】
[0019]附圖是一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:丨軸系;2葉片;3葉片表面水孔;4葉片內(nèi)部空腔;5連接空腔;6軸系內(nèi)部空腔。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0022]如圖所示，本發(fā)明包含一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)，由軸系1、葉片2、葉片表面水孔3、葉片內(nèi)部空腔4、連接空腔5、軸系內(nèi)部空腔6組成:
[0023](I)根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，選擇的原始葉片2結(jié)構(gòu)為NACA66(M0D)翼型，葉片迎流角為4°，來流速度為11.83m/s，來流壓力101.325kPa，溫度為25°C，工質(zhì)為水，此時(shí)的空化數(shù)為0.91ο
[0024](2)針對設(shè)計(jì)中未布置葉片表面水孔3的NACA66(M0D)翼型，通過物理和數(shù)學(xué)建模，開展空化流場的數(shù)值分析，取得空化發(fā)生發(fā)展的具體狀態(tài)，以及邊界層、回射流的流動(dòng)特征。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)由回射流造成空泡脫離，極大地影響流場的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，需要設(shè)置葉片表面水孔3。
[0025](3)根據(jù)上述空化流場特性分析結(jié)果，基于水翼表面流體微流動(dòng)控制形式，設(shè)計(jì)葉片內(nèi)部空腔4的位置，空腔起始于15%弦長，末端位于85%弦長、結(jié)構(gòu)為無加強(qiáng)筋的空腔結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)壁到葉片2表面的垂直距離基本相等；葉片表面水孔3的位置、水孔的形狀、流體從葉片表面水孔噴出角度和速度等參數(shù)。葉片表面水孔3設(shè)置在葉片弦長的35 %處，形式為長條形的槽道，槽道寬度為弦長的5%;流體經(jīng)由軸系I中的軸系內(nèi)部空腔6，進(jìn)入連接空腔5，再進(jìn)入葉片內(nèi)部空腔4，并從葉片表面水孔3中噴出，流體垂直于葉片表面噴出，與主流流體的速度夾角為90°，流體噴出的速度為主流速度的30%。
[0026](4)建立水翼表面的微流動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型，并考察該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對于減少空化發(fā)生和發(fā)展的顯著效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉片2表面的空泡區(qū)與未設(shè)置葉片表面水孔3相比有了明顯的縮小，空泡體長度縮短約50%，空泡體的脫離受到了明顯的抑制。表明這種改進(jìn)對空化的發(fā)生和發(fā)展有良好的抑制作用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，該特殊葉片結(jié)構(gòu)包括軸系、葉片、葉片表面水孔、葉片內(nèi)部空腔、軸系內(nèi)部空腔和連接空腔； 軸系是整體或套裝的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，是水力機(jī)械中傳遞動(dòng)力的部件，其內(nèi)部設(shè)有軸系內(nèi)部空腔； 葉片附著于軸系上，其內(nèi)部設(shè)有葉片內(nèi)部空腔，葉片內(nèi)部空腔和軸系內(nèi)部空腔由連接空腔連接;葉片吸力面上設(shè)有葉片表面水孔； 流體依次通過軸系內(nèi)部空腔葉、連接空腔和葉片內(nèi)部空腔，進(jìn)入葉片內(nèi)部，再由葉片表面水孔噴出；沿流體流動(dòng)方向，葉片內(nèi)部空腔的起始位置位于葉片前端和葉片中弧線最高點(diǎn)之間，徑向方向葉片內(nèi)部空腔的長度接近葉片頂端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的葉片表面水孔設(shè)置在葉片弦長的20%-85%之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的葉片表面水孔為長條形的槽道或圓孔，葉片表面水孔的寬度或直徑為弦長的2%-8%。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，流體從葉片表面水孔噴出方向與水力機(jī)械內(nèi)流體主流方向的夾角為35° -90° ;流體從葉片表面水孔中噴出的速度為主流速度的5%-200 %。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，流體從葉片表面水孔噴出方向與水力機(jī)械內(nèi)流體主流方向的夾角為35°-90° ;流體從葉片表面水孔中噴出的速度為主流速度的 5%-200 %。6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的葉片表面水孔的排列方式是單排或多排。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的葉片表面水孔的排列方式是單排或多排。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的葉片表面水孔的排列方式是單排或多排。9.權(quán)利要求1、2或5所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟如下: 步驟1、根據(jù)對水力機(jī)械的具體需求，使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法確定無射流水孔條件下水力機(jī)械結(jié)構(gòu)和葉片外形； 步驟2、對步驟I設(shè)計(jì)得到葉片建立三維模型，使用計(jì)算流體力學(xué)方法對三維模型模擬分析，取得空化發(fā)生發(fā)展的具體狀態(tài)、邊界層和回射流的流動(dòng)特征； 步驟3、對步驟2得到空化發(fā)生發(fā)展的具體狀態(tài)、邊界層和回射流的流動(dòng)特征進(jìn)行分析，得到的空化流場特性;根據(jù)空化流場特性，設(shè)計(jì)葉片內(nèi)部空腔和葉片表面水孔;葉片表面水孔設(shè)置在葉片弦長的20%-85%之間；葉片表面水孔的排列方式可以是單排或多排;形式可以是長條形的槽道、規(guī)律排列的圓孔或其他形式；葉片表面水孔的寬度或直徑為弦長的2%~8%；流體噴出方向與水力機(jī)械內(nèi)流體主流方向的夾角為35° -90° ;流體從水孔中噴出的速度為主流速度的5%-200% ;根據(jù)葉片表面水孔噴出流體的流量，軸系內(nèi)部設(shè)有軸系內(nèi)部空腔。10.權(quán)利要求3所述的特殊葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟如下: 步驟1、根據(jù)對水力機(jī)械的具體需求，使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法確定無射流水孔條件下水力機(jī)械結(jié)構(gòu)和葉片外形； 步驟2、對步驟I設(shè)計(jì)得到葉片建立三維模型，使用計(jì)算流體力學(xué)方法對三維模型模擬分析，取得空化發(fā)生發(fā)展的具體狀態(tài)、邊界層和回射流的流動(dòng)特征； 步驟3、對步驟2得到空化發(fā)生發(fā)展的具體狀態(tài)、邊界層和回射流的流動(dòng)特征進(jìn)行分析，得到的空化流場特性;根據(jù)空化流場特性，設(shè)計(jì)葉片內(nèi)部空腔和葉片表面水孔;葉片表面水孔設(shè)置在葉片弦長的20%-85%之間；葉片表面水孔的排列方式可以是單排或多排;形式可以是長條形的槽道、規(guī)律排列的圓孔或其他形式；葉片表面水孔的寬度或直徑為弦長的2%~8%；流體噴出方向與水力機(jī)械內(nèi)流體主流方向的夾角為35° -90° ;流體從水孔中噴出的速度為主流速度的5%-200% ;根據(jù)葉片表面水孔噴出流體的流量，軸系內(nèi)部設(shè)有軸系內(nèi)部空腔。
【專利摘要】本發(fā)明一種抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，屬于水力機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。該抑制空化的特殊葉片結(jié)構(gòu)由軸系、葉片、葉片表面水孔、葉片內(nèi)部空腔、軸系內(nèi)部空腔和連接空腔組成；軸系內(nèi)部設(shè)有軸系內(nèi)部空腔；葉片附著于軸系上，其內(nèi)部設(shè)有葉片內(nèi)部空腔，葉片內(nèi)部空腔和軸系內(nèi)部空腔由連接空腔連接；葉片吸力面上設(shè)有葉片表面水孔；流體依次通過軸系內(nèi)部空腔葉、連接空腔和葉片內(nèi)部空腔，進(jìn)入葉片內(nèi)部，再由葉片表面水孔噴出；沿流體流動(dòng)方向，葉片內(nèi)部空腔的起始位置位于葉片前端和葉片中弧線最高點(diǎn)之間，徑向方向葉片內(nèi)部空腔的長度接近葉片頂端。本發(fā)明能夠達(dá)到延遲空化發(fā)生和抑制回射流，達(dá)到減小空化對水力機(jī)械性能影響的效果。
【IPC分類】F04D29/24, F04D29/66
【公開號】CN105715582
【申請?zhí)枴緾N201610056459
【發(fā)明人】王巍, 王曉放, 謝蓉, 徐瑞鐸, 羿琦, 王亞云
【申請人】大連理工大學(xué)