一種抑制空化的特殊葉片結構及其設計方法
2023-09-19 14:22:55
一種抑制空化的特殊葉片結構及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於水力機械的設計與製造領域，包含一種抑制空化的特殊葉片結構及其設計方法。
【背景技術】
[0002]空化是指在工質中或者固體表面上發生的液相與氣相之間的相互轉化，並且常常伴隨有振動和噪聲的一種現象，嚴重時會造成固體表面的破壞。空化會導致水力機械性能明顯降低。
[0003]慄是水力機械的一種主要形式，廣泛應用於電力、冶金、農業和國防等領域。根據用途和工作條件的不同，有不同的性能特點和工藝要求，其製造水平的高低直接反映了國家的工業水平。以核主慄為主要代表的高端水慄，其與空化相關的性能十分重要。核主慄承擔核反應堆芯冷卻任務，是核電站的核心設備，其設計性能的好壞直接影響到核電站運行的安全和穩定。在目前先進的核裝置設計中，明確提出核主慄要滿足極端環境下超長高效使役60年的要求，明確提出在任何常規運行工況下完全杜絕空化發生的苛刻條件。
[0004]考慮空化的慄的設計，主要是對慄進行改進以使空化對慄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慄的性能。目前研究的方向主要都是以降低空化帶來的影響為主，傳統的應用於旋轉機械中抑制空化的常用方法可分為兩種，一種是在離心慄或者斜流慄葉輪進口上遊安裝誘導輪，另一種是採用超空化轉槳式葉片，主要應用於螺旋槳的設計領域。目前，對空化存在的條件下，使用特殊葉片結構對慄運行和性能影響方面尚未有充足的認識，相關的產品和設計方法還屬於空白。
【發明內容】
[0005]本發明可以應用於水力機械的開發和設計領域，針對空化帶來的負面作用，提出了一種抑制空化的特殊葉片結構及其設計方法。本發明的技術方案是通過在葉片表面布置射流水孔，基於水翼表面流體微流動控制形式，對固體邊界附近產生的反向射流進行控制和抵消，從而達到抑制空化的目的。
[0006]本發明的技術方案:
[0007]一種抑制空化的特殊葉片結構，包括軸系、葉片、葉片表面水孔、葉片內部空腔、軸系內部空腔和連接空腔；
[0008]軸系是整體或套裝的轉子結構，其是水力機械中傳遞動力的部件，其內部設有軸系內部空腔；
[0009]葉片附著於軸繫上，其內部設有葉片內部空腔，葉片內部空腔和軸系內部空腔由連接空腔連接;葉片吸力面上設有葉片表面水孔；
[0010]流體依次通過軸系內部空腔葉、連接空腔和葉片內部空腔，進入葉片內部，再由葉片表面水孔噴出；沿流體流動方向，葉片內部空腔的起始位置位於葉片前端和葉片中弧線最高點之間，徑向方向葉片內部空腔的長度接近葉片頂端；
[0011]葉片表面水孔分布於葉片的吸力面上，將通過葉片內部空腔輸送來的流體噴入流場，根據空化流場特性分析結果，葉片表面水孔設置在葉片弦長的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、規律排列的圓孔或其他形式;流體噴出方向與水力機械內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、根據對水力機械的具體需求，使用傳統設計方法確定無射流水孔條件下水力機械結構和葉片外形；
[0014]步驟2、對步驟I設計得到葉片建立三維模型，使用計算流體力學方法對三維模型模擬分析，取得空化發生發展的具體狀態、邊界層和回射流的流動特徵。
[0015]步驟3、對步驟2得到空化發生發展的具體狀態、邊界層和回射流的流動特徵進行分析，得到的空化流場特性;根據空化流場特性，設計葉片內部空腔和葉片表面水孔;葉片表面水孔設置在葉片弦長的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械內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 %。根據葉片表面水孔噴出流體的流量，軸系內部設有軸系內部空腔。
[0016]本發明的有益效果:
[0017](I)延遲空化發生。由於空化是由局部壓力小於當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，延緩空化的發生。
[0018](2)抑制回射流。由於工作狀態的需求，在空化不可避免的發生時，隨著空化程度的不斷加深，回射流的存在會促進空泡的脫落，從孔隙內噴入的流體可以阻擋回射流對空化區域穩定性的影響，阻止空泡脫離的發生。
【附圖說明】
[0019]附圖是一種抑制空化的特殊葉片結構示意圖。
[0020]圖中:丨軸系;2葉片;3葉片表面水孔;4葉片內部空腔;5連接空腔;6軸系內部空腔。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0022]如圖所示，本發明包含一種抑制空化的特殊葉片結構，由軸系1、葉片2、葉片表面水孔3、葉片內部空腔4、連接空腔5、軸系內部空腔6組成:
[0023](I)根據設計的需要，選擇的原始葉片2結構為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，工質為水，此時的空化數為0.91ο
[0024](2)針對設計中未布置葉片表面水孔3的NACA66(M0D)翼型，通過物理和數學建模，開展空化流場的數值分析，取得空化發生發展的具體狀態，以及邊界層、回射流的流動特徵。模擬結果發現由回射流造成空泡脫離，極大地影響流場的穩定流動狀態，需要設置葉片表面水孔3。
[0025](3)根據上述空化流場特性分析結果，基於水翼表面流體微流動控制形式，設計葉片內部空腔4的位置，空腔起始於15%弦長，末端位於85%弦長、結構為無加強筋的空腔結構，空腔內壁到葉片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。葉片表面水孔3設置在葉片弦長的35 %處，形式為長條形的槽道，槽道寬度為弦長的5%;流體經由軸系I中的軸系內部空腔6，進入連接空腔5，再進入葉片內部空腔4，並從葉片表面水孔3中噴出，流體垂直於葉片表面噴出，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設計結構模型，並考察該設計結構對於減少空化發生和發展的顯著效果。結果發現葉片2表面的空泡區與未設置葉片表面水孔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。表明這種改進對空化的發生和發展有良好的抑制作用。
【主權項】
1.一種抑制空化的特殊葉片結構，其特徵在於，該特殊葉片結構包括軸系、葉片、葉片表面水孔、葉片內部空腔、軸系內部空腔和連接空腔； 軸系是整體或套裝的轉子結構，是水力機械中傳遞動力的部件，其內部設有軸系內部空腔； 葉片附著於軸繫上，其內部設有葉片內部空腔，葉片內部空腔和軸系內部空腔由連接空腔連接;葉片吸力面上設有葉片表面水孔； 流體依次通過軸系內部空腔葉、連接空腔和葉片內部空腔，進入葉片內部，再由葉片表面水孔噴出；沿流體流動方向，葉片內部空腔的起始位置位於葉片前端和葉片中弧線最高點之間，徑向方向葉片內部空腔的長度接近葉片頂端。2.根據權利要求1所述的特殊葉片結構，其特徵在於，所述的葉片表面水孔設置在葉片弦長的20%-85%之間。3.根據權利要求1或2所述的特殊葉片結構，其特徵在於，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.根據權利要求1或2所述的特殊葉片結構，其特徵在於，流體從葉片表面水孔噴出方向與水力機械內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.根據權利要求3所述的特殊葉片結構，其特徵在於，流體從葉片表面水孔噴出方向與水力機械內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.根據權利要求1、2或5所述的特殊葉片結構，其特徵在於，所述的葉片表面水孔的排列方式是單排或多排。7.根據權利要求3所述的特殊葉片結構，其特徵在於，所述的葉片表面水孔的排列方式是單排或多排。8.根據權利要求4所述的特殊葉片結構，其特徵在於，所述的葉片表面水孔的排列方式是單排或多排。9.權利要求1、2或5所述的特殊葉片結構的設計方法，其特徵在於，步驟如下: 步驟1、根據對水力機械的具體需求，使用傳統設計方法確定無射流水孔條件下水力機械結構和葉片外形； 步驟2、對步驟I設計得到葉片建立三維模型，使用計算流體力學方法對三維模型模擬分析，取得空化發生發展的具體狀態、邊界層和回射流的流動特徵； 步驟3、對步驟2得到空化發生發展的具體狀態、邊界層和回射流的流動特徵進行分析，得到的空化流場特性;根據空化流場特性，設計葉片內部空腔和葉片表面水孔;葉片表面水孔設置在葉片弦長的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械內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% ;根據葉片表面水孔噴出流體的流量，軸系內部設有軸系內部空腔。10.權利要求3所述的特殊葉片結構的設計方法，其特徵在於，步驟如下: 步驟1、根據對水力機械的具體需求，使用傳統設計方法確定無射流水孔條件下水力機械結構和葉片外形； 步驟2、對步驟I設計得到葉片建立三維模型，使用計算流體力學方法對三維模型模擬分析，取得空化發生發展的具體狀態、邊界層和回射流的流動特徵； 步驟3、對步驟2得到空化發生發展的具體狀態、邊界層和回射流的流動特徵進行分析，得到的空化流場特性;根據空化流場特性，設計葉片內部空腔和葉片表面水孔;葉片表面水孔設置在葉片弦長的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械內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% ;根據葉片表面水孔噴出流體的流量，軸系內部設有軸系內部空腔。
【專利摘要】本發明一種抑制空化的特殊葉片結構及其設計方法，屬於水力機械的設計與製造領域。該抑制空化的特殊葉片結構由軸系、葉片、葉片表面水孔、葉片內部空腔、軸系內部空腔和連接空腔組成；軸系內部設有軸系內部空腔；葉片附著於軸繫上，其內部設有葉片內部空腔，葉片內部空腔和軸系內部空腔由連接空腔連接；葉片吸力面上設有葉片表面水孔；流體依次通過軸系內部空腔葉、連接空腔和葉片內部空腔，進入葉片內部，再由葉片表面水孔噴出；沿流體流動方向，葉片內部空腔的起始位置位於葉片前端和葉片中弧線最高點之間，徑向方向葉片內部空腔的長度接近葉片頂端。本發明能夠達到延遲空化發生和抑制回射流，達到減小空化對水力機械性能影響的效果。
【IPC分類】F04D29/24, F04D29/66
【公開號】CN105715582
【申請號】CN201610056459
【發明人】王巍, 王曉放, 謝蓉, 徐瑞鐸, 羿琦, 王亞雲
【申請人】大連理工大學