本發(fā)明涉及透平機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種具有可鑄造性的透平機(jī)械葉輪的三維設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

透平機(jī)械是一類通過旋轉(zhuǎn)葉輪和流過旋轉(zhuǎn)葉輪的流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的動(dòng)力設(shè)備，如各種離心式或斜流式泵、通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、蒸汽透平、燃?xì)馔钙降榷紝儆谕ǔＫQ的透平機(jī)械。透平機(jī)械又是一類高能耗的通用機(jī)械設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有工業(yè)設(shè)備的能耗中，泵類和風(fēng)機(jī)類設(shè)備所產(chǎn)生的能耗就占了總能耗的百分之二十到百分之二十五。比如一個(gè)典型的污水處理廠，泵與風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的能耗高達(dá)總能耗的百分之七十五。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的環(huán)境承載能力已達(dá)到極限，而作為耗能大戶的透平機(jī)械，其節(jié)能降耗與節(jié)能減排是繞不過的環(huán)保主題。

目前節(jié)能增效的主要方法是采用變頻技術(shù)和透平機(jī)械葉輪的三維設(shè)計(jì)。葉輪是透平機(jī)械實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換及輸出功的重要部件，其性能直接決定整機(jī)的性能。葉輪的葉片型線主要由子午面型線及導(dǎo)流段三維扭曲葉片計(jì)算方法決定的。常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，如申請(qǐng)?zhí)枮?01010107689.x的中國(guó)專利公開的一種離心泵葉輪設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法，又如申請(qǐng)?zhí)枮?01611213880.6的中國(guó)專利公開的一種混流泵葉輪的設(shè)計(jì)方法。

上述的設(shè)計(jì)方法，對(duì)葉輪具有一定的優(yōu)化效果，起到一定的節(jié)能減耗的作用。然而，由于葉輪的三維設(shè)計(jì)將產(chǎn)生高度扭曲的三維空間葉片，具有三維空間扭曲葉片的葉輪的加工將大大增加制造的難度與加工成本。比如說(shuō)，水泵葉輪的設(shè)計(jì)對(duì)水泵的水力性能，如流量、揚(yáng)程、效率及進(jìn)口汽蝕余量起著決定性的作用，而葉輪內(nèi)部的流場(chǎng)又十分復(fù)雜，葉輪中葉片型線的設(shè)計(jì)要盡量與葉輪內(nèi)流體的流動(dòng)趨勢(shì)一致，這樣才能得到高性能的葉輪。但是，為了控制水泵葉輪的成本與造價(jià)，目前絕大部分水泵的葉輪都是鑄造的。所以在設(shè)計(jì)葉輪葉片時(shí)，葉片的三維空間扭曲就必須考慮到它的可鑄造性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種具有可鑄造性的透平機(jī)械葉輪的三維設(shè)計(jì)方法，使得葉輪葉片的設(shè)計(jì)盡可能具有高效性，同時(shí)兼顧了透平機(jī)械三維葉輪的水力性能與制造成本。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種具有可鑄造性的透平機(jī)械葉輪的三維設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，確定葉輪的輪盤的子午面型線和輪蓋的子午面型線，所述輪盤的子午面型線和輪蓋的子午面型線構(gòu)成了葉輪的子午面；

2)在步驟1)得到的子午面上，構(gòu)造第一子午流線、第二子午流線和第三子午流線，用來(lái)控制葉輪的葉片的空間扭曲形狀，所述第一子午流線為輪蓋流線、與輪蓋的子午面型線重合，所述第三子午流線為輪盤流線、與輪盤的子午面型線重合；所述第二子午流線為中間流線、設(shè)置在第一子午流線和第三子午流線之間；

3)設(shè)計(jì)葉輪的葉片的型線，確定所述第一子午流線和第二子午流線上的葉片安裝角及葉片厚度的分布，所述第三子午流線上的葉片安裝角和葉片厚度的分布則是根據(jù)所形成的三維空間扭曲葉片的可鑄造性來(lái)確定：

3.1)首先給定一個(gè)初始的第三子午流線上的葉片安裝角和葉片厚度分布；

3.2)將三條子午流線所形成的葉片形狀畫出；

3.3)判斷步驟3.2)得到的葉片形狀的可鑄造性，如能鑄造，直接到步驟3.5)，如不能鑄造，則到步驟3.4)；

3.4)修改輪盤上的葉片安裝角及厚度分布，重新回到步驟3.2)；

3.5)最終形成三維空間扭曲的葉片；

4)形成具有可鑄造性的透平機(jī)械三維葉輪。

在步驟2)中，所述第二子午流線為第一子午流線與第三子午流線的幾何中分線。

所述第二子午流線為前移至靠近第一子午流線一側(cè)三分之一幾何位置的流線。

所述第一子午流線和第二子午流線上的葉片安裝角的分布采用naca系列翼型的分布或根據(jù)給定的渦旋量分布來(lái)確定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用本方法設(shè)計(jì)的透平機(jī)械葉輪既具有所需的三維空間扭曲特性又具有完全的可鑄造性，具有高效節(jié)能和成本低等特點(diǎn)，值得大力推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法中的輪盤和輪蓋的子午面型線示意圖；

圖2為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法中的三條子午流線示意圖；

圖3為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法中初步確定的葉片三維形狀(與輪盤、輪蓋結(jié)合)；

圖4為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法中繪圖軟件繪出的葉片形狀(與輪盤、輪蓋結(jié)合)；

圖5為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法中成型的葉片(與輪盤、輪蓋結(jié)合)；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法得到的葉輪。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

一種具有可鑄造性的透平機(jī)械葉輪的三維設(shè)計(jì)方法，適用于離心式或徑流式、混流式或斜流式透平機(jī)械葉輪的三維設(shè)計(jì)，葉輪可為閉式或半開式，流體介質(zhì)可為液體單相、氣(汽)液兩相、氣(汽)液固多相或氣體單相。

參見圖6，透平機(jī)械葉輪包括具有可鑄造性的葉輪本體，葉輪本體包括輪盤1、輪蓋2和至少兩個(gè)葉片3，每個(gè)葉片3均為相同的三維空間扭曲葉片。上述輪盤1、輪蓋2和葉片3可經(jīng)鑄造形成葉輪本體1中的葉輪進(jìn)口、葉輪出口和葉片3之間的三維空間扭曲葉輪流道。

葉輪的三維設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：

1)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，確定葉輪的輪盤1和輪蓋2各自的子午面型線l3、l1，輪盤1和輪蓋2各自的子午面型線構(gòu)成了葉輪的子午面，參見圖1，橫坐標(biāo)z為葉輪軸線方向，縱坐標(biāo)r為葉輪徑向；

2)在步驟1)得到的子午面上，構(gòu)造三條子午流線，第一子午流線l1、第二子午流線l2和第三子午流線l3，用來(lái)控制葉輪的葉片3的空間扭曲形狀，其中第一子午流線l1為輪蓋流線，與輪蓋3的子午面型線l1重合；第三子午流線l3為輪盤流線，與輪盤1的子午面型線l3重合；第二子午流線l2則為中間流線，設(shè)置在第一子午流線l1和第三子午流線l3之間，第二子午流線l2可以為第一子午流線l1與第三子午流線l3的幾何中分線，也可以為前移至靠近第一子午流線l1一側(cè)三分之一幾何位置的流線，其具體位置可根據(jù)葉片空間扭曲程度來(lái)定，參見圖2，同樣的，橫坐標(biāo)z為葉輪軸線方向，縱坐標(biāo)r為葉輪徑向；

3)設(shè)計(jì)葉片3的型線，將保證第一子午流線l1和第二子午流線l2上的葉片安裝角及葉片厚度的分布，借以控制葉片3上的速度和壓力的分布，參見圖3，第一子午流線l1與第二子午流線l2上的葉片安裝角的分布可以采用naca(美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì))系列翼型的分布或根據(jù)給定的渦旋量分布來(lái)確定；第三子午流線l3上的葉片安裝角和葉片厚度的分布則是根據(jù)所形成的三維空間扭曲葉片的可鑄造性來(lái)確定，具體的：

3.1)首先給定一個(gè)初始的第三子午流線l3上的葉片安裝角和葉片厚度分布；

3.2)用繪圖軟件將三條子午流線所形成的葉片形狀畫出，參見圖4；

3.3)判斷步驟3.2)得到的葉片形狀的可鑄造性，如能鑄造，直接到步驟3.5)，如不能鑄造，則到步驟3.4)，在此步驟中，由葉片的形狀即可判斷是否具有可鑄造性，如判斷鑄造后是否可脫模；

3.4)修改輪盤1上的葉片安裝角及厚度分布，重新回到步驟3.2)，修改這些參數(shù)后，重新繪制葉片再由新的形狀來(lái)判斷可鑄造性，經(jīng)過一次或多次修改，直至得到能鑄造的葉片形狀；

3.5)最終形成三維空間扭曲的葉片3，參見圖5。

4)形成具有可鑄造性的透平機(jī)械三維葉輪，參見圖6。

由此設(shè)計(jì)方法得到的透平機(jī)械葉輪既具有所需的三維空間扭曲特性，又具有完全的可鑄造性，具有高效節(jié)能和成本低等特點(diǎn)。