一种径、混流式圆柱面割线元素三元叶轮的设计方法

摘要

本发明公开了一种径、混流式圆柱面割线元素三元叶轮的设计造型方法，对于径、混流式三元叶轮，在保证与国外广泛使用的任意空间直线元素有同等气动性能－可控制叶轮内二个流体质点运动状态的前提下，用圆柱面割线元素取代任意空间直线，可使叶轮的整体铣制大幅度降低工时成本，即可用常规铣/镗床(最好是数显铣床)配数显万能回转工作台，只要缩短半径方向进刀步距，可使残留高度在0.01mm以下，最后采用抛光工序即可加工出合乎图纸要求的三元叶轮。

主权项

1.一种径、混流式圆柱面割线元素三元叶轮的制造方法，其特征在于，在保证与任意空间直线元素有同等气动性能---可控制叶轮内二个流体质点运动状态的前提下，采用以下方法进行：1)叶轮内的流动以子午流线m及准正交线q为记录坐标线，  m＝f(r，z)q＝f(r，z)则叶轮内子午分速度的分布为： $\frac{{\mathrm{dW}}_m}{\mathrm{dq}}=A{W}_m+B+\frac{C}{W},$ $A=\frac{\cos (\alpha -\psi )}{r_c}$ $B=\frac{d\left(r{C}_{\theta }\right)}{\mathrm{dm}}·\frac{\mathrm{d\theta }}{\mathrm{dq}}-\frac{d\left({\mathrm{rC}}_{\theta }\right)}{\mathrm{dq}}·\frac{\left(r{C}_{\mathrm{\theta r}}\right)-{\mathrm{wr}}^2}{r^2{W}_m}+\frac{{\mathrm{dW}}_m}{\mathrm{dm}}\sin (\alpha -\psi )$ $C=\frac{{\mathrm{dh}}_{\mathrm{in}}^{*}}{\mathrm{dq}}-\omega \frac{d{\left(r{C}_{\theta }\right)}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{dq}}-T\frac{{\mathrm{dS}}_e}{\mathrm{dq}}$其空间流线的方程式为： $\theta ={\int }_{m_{\mathrm{out}}}^m\left[\frac{{\mathrm{rC}}_{\theta }-{\mathrm{\omega r}}^2}{r^2{W}_m}\right]\mathrm{dm}+{\theta }_{\mathrm{out}}$式中：θ，r，z：空间流线坐标rC_θ：气体角动量q：准正交线m：子午流线α：子午流线倾角Ψ：q与r轴夹角w_m：相对速度在子午面上的投影即子午分速度C_θ：绝对切向分速度：进气总焓S_e：状态函数熵当给定rc_θ沿叶顶及叶根流线m的分布后，则对上述公式进行数值求解，最终得到叶轮内速度分布w＝f(r，z)及空间流线θ_s＝f(r，z)，θ_h＝f(r，z)，叶顶及叶根以外的空间流线坐标由圆柱面与叶轮交线为直线的约束条件给定；这样最终得到所希望的沿叶顶及叶根两条流线分布及整个圆柱面割线元素的叶片坐标；2)用圆柱面割线元素取代任意空间直线，所构成直线元素三元叶轮的母线是圆柱面与二个空间曲线的交点形成的直线；3)圆柱面弦线元素三元叶轮，其中θ_s＝f(R，Z)，θ_h＝f(R，Z)是由叶顶、叶根二个流体质点运动状态控制所得到的二根空间曲线(考虑到叶片加厚)，进口边θ_l＝f(R，Z)是θ_s＝f(R，Z)，θ_h＝f(R，Z)前端点的直连线，或曲线连线---有假定条件，用一系列以叶轮旋转轴为轴线的同心圆柱面(半径R_i)的每一个圆柱面与上述空间曲线相交得到二个交点，由这二个交点求得圆柱面割线的方位角α_i， ${\alpha }_i={\tan }^{-1}\left[\frac{R_i({\theta }_{\mathrm{hi}}-{\theta }_{\mathrm{si}})}{Z_{\mathrm{hi}}-Z_{\mathrm{si}}}\right](R_i>R_{\mathrm{ls}}),$或 ${\alpha }_i={\tan }^{-1}\left[\frac{R_i({\theta }_{\mathrm{hi}}-{\theta }_{\mathrm{si}})}{Z_{\mathrm{hi}}-Z_{\mathrm{ls}}}\right](R_{\mathrm{ls}}>R_i>R_{\mathrm{lh}}),$沿着轮盘回转面上曲线θ_s＝f(R，Z)走刀，对应每一个R_i有一个θ_si及α_i，使镗/铣床水平X轴始终过叶轮中心线，并能配上万能回转工作台，使其二个回转轴的回转与θ_si及α_i对应，无须多轴联动，通过数显即可方便地利用摆铣，即绕叶轮轴线旋转，加工出叶片表面及整个流道；4)该直线元素三元叶轮可用铣刀侧刃摆线，即铣刀轴线固定，叶轮绕自身轴线旋转形成摆铣；采用常规铣/镗床，最好是数显铣/镗床配上万能回转工作台即可实现叶轮的整体铣削加工。