向心透平的叶片造型设计.pdf
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1、向心透平的叶片造型设计 黄 飞, 章东骏 (无锡市117信箱,江苏 无锡214151) 摘 要: 介绍向心透平叶片的造型设计及探讨一些设计技巧。 关键词: 向心透平; 叶片造型设计; 设计技巧 中图分类号:TK262 文献标识码:A Blade Design of Centripetal Tubrine HUANG Fei , ZHANG Dong2jun (Wuxi P. O.Box 117 , Wuxi Jiangu 214151) Abstract : The blade design of centripetal turbine is introduced in this paper
2、,and some design skills are also discussed. Key words : centripetal turbine; blade design; desigh skills 向心透平是径流透平的一种,其工质流 向与离心式压气机相反,常设计成罐式结构, 适用于高压透平。由于具有效率高、 结构紧 凑、 制造简便、 工作可靠等优点,在航空和导 弹辅助动力系统、 柴油机增压器废气涡轮、 制 冷、 天然气液化等动力系统中早有应用。 径流叶片造型设计是向心式透平系统设 计中的一个重要环节,它是边计算获取数据, 边画图进行校核,两者结合、 相辅相成的过 程。叶片造型设计的
3、目的是为了得到气动、 强度、 振动合格、 工艺制造许可的一系列型值 点数据,并以表格形式表示。经过气动计算, 叶片数Z、 计算流量G、 叶轮的大致形状已定 (见图1、 图2,进口轮径D1、 进口轮宽b1、 出 口轮径D2、 出口处轮毂直径d0、 叶轮宽度 B、 出口气流角cp等已定)。 再辅以热力计 算所得的数据(进口气流径向速度C1r、 进口 气流密度1、 出口气流轴向速度C2a、 出口气 流密度2)即可进行下述的叶片造型设计。 图1 收稿日期: 1999 - 08 - 20 作者简介:黄飞(1969 - )男,1991年毕业于上海交通大学,现为七O三研究所无锡分部工程师。主要从事热工产品、
4、 热力机 械方面的设计工作,在相关领域发表学术论文30余篇。 43 上海汽轮机 2000年第3期 由于叶片沿圆周方向均布,故设计时只要针 对单个叶片进行。 图2 1 内、 外子午线的确定 为了工艺加工、 量具及模具设计的方便, 内、 外子午线常设计为圆孤段或圆弧段加直 线段 ,( 圆弧可由圆心、 半径不同的一段、 两段 或更多段组成)设计时尽量使圆弧与圆弧、 圆 弧与直线段平滑过渡,以保证气体流场的连 续性。设计过程中,先确定内子午线,求出流 道法向宽度。再定外子午线,最后对外子午 线进行圆弧拟合及光滑处理。 对内子午线,设计时可有意识地将其进、 出口端处理成斜线段,进气段与铅垂线的夹 角在0
5、 - 60范围内,出气段与水平线的夹角 范围为0 - 40。两斜线段长度由设计者选 定,中间段一般由圆弧构成。 流道中心线上法向宽度由连续性方程定 出: b z ( i) = G/ D z ( i) z ( i) C z ( i) z ( i) (1) 式中rzCzz处理为沿气流方向线性变化, 为考虑叶片厚度影响的堵塞系数, 1可取 0.95左右, 2可取0.80左右。 见图3,通过选 取一系列的Dz ,可得相应的bz: b z ( i) =G( D1-D2cp )/ D z ( i) ( 1C1r 1 - 2C2a 2 ) D z + ( 2C2a 2D1-1C1r1D2cp ) (2) 图
6、3 在子午面图上,以b z ( i) 为半径,在半径 R = D z ( i) /2上寻找圆心作圆,使其与内子午 线内切。 再作这一系列流道截面圆的外包络 线,即得外子午线。 通常外子午线常被拟合成 圆弧段,且出口端为平直段。 当然,内外子午 线上的这些直线段从量上讲都很短,仅 310毫米,但通过这样的处理,可改善叶 片自身的振动特性,并使加工更为方便。 至 此,子午面叶型中面轮廓就已确定。 2 直径D1圆柱展开面上叶型中 线的确定 本文建议叶型中线采用进口具有后弯 倾角的二次曲线,这种二次曲线可增加叶片 弯曲刚度,提高叶片固有频率。 如图4,取s 为叶片圆周转向的反方向,二次曲线型式为: X
7、( i) 2 + A1X( i) s( i) + A2 s( i) 2 + A3X( i) + A4 s( i) + A5=0(3) 式中A1、A2、A3、A4、A5可由以下五个 条件决定: (1)通过点0(0,0) (2)通过点M ( c , - a) 53No. 3 ,2000 SHANGHAI QILUNJI 图4 (3)曲线在M点斜率为0,即d s/ dx =0 (4)通过点N ( B , s) (5)曲线在N点与X轴所成角s应同出 口气流角cp互余,其中c、a、 s由设计者取 定,一般: s = K2s K2为7280% , Z值大, K2也取大值 ( a + s) / s=8510
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