一種徑、混流式圓柱面割線元素三元葉輪的設計方法
2023-09-10 07:28:45 1
專利名稱：一種徑、混流式圓柱面割線元素三元葉輪的設計方法
一、所屬領域本發明屬於機械設計與加工領域，涉及一種葉輪機械三元葉輪設計方法，特別涉及一種徑、混流式圓柱面割線元素三元葉輪的設計方法。
西安交通大學於上世紀80年代創立了徑、混流式三元葉輪「全可控渦」設計方法及其流型(1991年國家發明三等獎)，發明了空間任意扭曲的三元葉輪，其特點是可以控制葉輪內全部流體質點的運動狀態，並可以保證其葉片表面光滑可加工。但必須用五軸聯動數控銑床方可整體銑制(詳見「離心壓縮機三元流動理論及其方法」，西安交大出版社，1991年。或參見Development and Industrial Application of the「All---Over---Controlled Vortex Distribution Method」 forDesigning Radial and Mixed Flow Impellers， ASME，92-GT-262)。
世界各國廣泛採用的直線元素三元葉輪加工工藝性好，即用五軸聯動數控銑床可以做到側刃整體銑削，銑削效率高，但由於其只能控制葉頂及葉根二個流體質點的運動，當葉片高度增加或者葉輪軸向尺寸受限使葉輪子午面流線曲率增大時，均可能造成流動狀態惡化，從而限制了三元葉輪的應用。而西安交大的「全可控渦」三元葉輪正好與直線元素三元葉輪相反，葉輪內流動狀態更好，但銑削效率不如直線元素。
就直線元素三元葉輪而言，它有三類直線元素，其中徑向線元素、軸向線元素只能控制葉輪內一個流體質點的運動狀態，而任意空間直線元素三元葉輪可控制葉輪內二個流體質點的運動狀態，但由於任意空間直線元素在空間方位的任意性，須用五軸聯動數控銑床方可做到側刃整體銑。
三、發明的內容本發明的目的是提供一種徑、混流式圓柱面割線元素三元葉輪的設計方法，可以做到對葉輪內二個流體質點運動狀態進行控制，又能克服銑削效率低、工時成本過高的不足，用常規銑/鏜床(最好是數顯銑/鏜床)配上萬能迴轉工作檯即可實現葉輪的整體銑削加工。
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是徑、混流式圓柱面割線元素三元葉輪的設計造型方法，其特點是在保證與任意空間直線元素有同等氣動性能---可控制葉輪內二個流體質點運動狀態的前提下，實現葉片表面是由圓柱面割線元素構成，具體方法如下1)如
圖1所示，葉輪內的流動以子午流線m及準正交線q為記錄坐標線；m＝f(r，z)q＝f(r，z)則葉輪內子午分速度的分布為dWmdq=AWm+B+CW,]]>A=cos(-)rc]]>B=d(rC)dmddq-d(rC)dq(rCr)-r2r2Wm+dWmdmsin(-)]]>C=dhin*dq-d(rC)i ndq-TdSedq]]>w＝wm/cosβ其空間流線的方程式為=moutm[(rC-r2)r2Wm]dm+out]]>式中θ，r，z空間流線坐標rCθ氣體角動量q準正交線m子午流線α子午流線傾角Ψq與r軸夾角wm相對速度在子午面上的投影即子午分速度Cθ絕對切向分速度 進氣總焓Se狀態函數熵當給定rcθ沿葉頂及葉根流線m的分布後，則對上述公式進行數值求解，最終得到葉輪內速度分布w＝f(r，z)及葉頂、葉根空間流線θs＝f(r，z)，θh＝f(r，z)，葉頂及葉根以外的空間流線坐標由圓柱面與葉片表面交線為直線的約束條件給定。這樣最終得到所希望的沿葉頂及葉根兩條流線分布及整個圓柱面割線元素的葉片坐標；2)用圓柱面割線元素取代任意空間直線，所構成直線元素三元葉輪的母線是圓柱面與二個空間曲線的交點構成的直線；
3)圓柱面割線元素三元葉輪，其中θs＝f(R，Z)、θh＝f(R，Z)是由葉頂、葉根二個流體質點運動狀態控制所得到的二根空間曲線(考慮到葉片加厚)，進口邊θl＝f(R，Z)是θs＝f(R，Z)，δh＝f(R，Z)前端點的連線(或曲線連線---則另有假定條件)，用一系列以葉輪旋轉軸為軸線的同心圓柱面(半徑Ri)的每一個圓柱面與上述空間曲線相交得到二個交點，由這二個交點求得圓柱面割線的方位角αi，i=tan-1[Ri(hi-si)Zhi-Zsi](Ri>Rls)]]>，或i=tan-1[Ri(hi-li)Zhi-Zli](Rls>Ri>Rlh),]]>沿著輪蓋迴轉面上曲線θs＝f(R，Z)走刀，對應每一個Ri有一個θsi及αi，只要設法使鏜/銑床水平X軸始終過葉輪中心線，並能配上萬能迴轉工作檯，使其二個迴轉軸的迴轉與θsi及αi對應，無須多軸聯動，只須單軸進刀，通過數顯即可方便地利用擺銑(繞葉輪軸線旋轉)加工出葉片表面及整個流道；4)因此該直線元素三元葉輪可用銑刀側刃擺銑，即銑刀軸線固定，葉輪繞自身軸線旋轉形成擺銑，用常規銑/鏜床(最好是數顯銑/鏜床)配上萬能迴轉工作檯即可實現葉輪的整體銑削加工。
本發明與「全可控渦」三元葉輪相比，不能控制葉輪內全部流體質點的運動狀態；但在具備與任意空間直線元素三元葉輪相同的氣動性能時，即可同時控制葉頂、葉根兩個流體質點的運動狀態的條件下，卻創造了大幅度降低工時成本的可能。
依本發明的技術方案，為了保持任意空間直線元素三元葉輪可以控制葉輪內二個流體質點的運動狀態以及銑刀側刃整體銑削的優點，克服其必須用五軸聯動數控銑方可做到銑刀側刃整體銑削而導致工時成本過高的缺點(五軸聯動數控銑床的單價在100萬美元以上)。
參見圖2，圖2所示的直線元素是由二根空間曲線(對二個流體質點運動狀態控制而得到的)對應等參數(等相對長度比)點的直連線，必須用五軸聯動數控銑床加工。而本發明可以做到對葉輪內二個流體質點運動狀態進行控制，又能克服工時成本過高的不足，其關鍵在於該直線元素並非是由二根空間曲線(對二個流體質點運動狀態控制而得)對應的等參數(等相對長度比)點相連而成空間方位任意的空間直線組成。
本發明所構成直線元素三元葉輪的母線是圓柱面與二個空間曲線的交點形成的直線(銑刀側刃)，因此該直線元素三元葉輪有可能用銑刀側刃擺銑(銑刀軸線固定，葉輪繞自身軸線旋轉形成擺銑)，而並非五軸聯動，用常規銑/鏜床(最好是數顯銑/鏜床)配上萬能迴轉工作檯即可實現葉輪的整體銑削加工。
本發明在保證與任意空間直線元素三元葉輪有同樣的氣體動力學效果---可控制葉輪內二個流體質點的流動的同時，提供了大幅度降低工時成本的可能，以一實例說明
如圖3所示圓柱面割線元素三元葉輪，其中θs＝f(R，Z)，θh＝f(R，Z)是由葉頂、葉根二個流體質點運動狀態控制所得到的二根空間曲線(考慮到葉片加厚)，進口邊θl＝f(R，Z)是θs＝f(R，Z)，θh＝f(R，Z)前端點的直連線(或曲線連線---另有假定條件)，用一系列以葉輪旋轉軸為軸線的同心圓柱面(半徑Ri)的每一個圓柱面與上述空間曲線相交得到二個交點，由這二個交點求得圓柱面割線的方位角αi，i=tan-1[Ri(hi-si)Zhi-Zsi](Ri>Rls),]]>或i=tan-1[Ri(hi-li)Zhi-Zli](Rls>Ri>Rlh),]]>沿著輪盤迴轉面上曲線θs＝f(R，Z)走刀，對應每一個Ri有一個θsi及αi，只要使鏜/銑床水平X軸始終過葉輪中心線，並配上萬能迴轉工作檯，使其二個迴轉軸的迴轉與θsi及αi對應，無須多軸聯動，通過數顯即可方便地利用擺銑(繞葉輪軸線旋轉)加工出葉片表面及整個流道。
參見圖4，葉輪銑削加工時，先用擺銑粗銑流道，葉片表面的殘留高度h=d2(1-cos),]]>式中=sin-1(sd),]]>s為走刀步距，d為銑刀直徑。若銑刀直徑為30mm，走刀步距5mm，則殘留高度h＝0.21mm。
當進刀步距在1mm以下，葉片表面殘留高度在0.006mm以下，再經拋光工序即可得到光滑的葉片表面與葉輪流道。
權利要求
1.一種徑、混流式圓柱面割線元素三元葉輪的製造方法，其特徵在於，在保證與任意空間直線元素有同等氣動性能---可控制葉輪內二個流體質點運動狀態的前提下，採用以下方法進行1)葉輪內的流動以子午流線m及準正交線q為記錄坐標線，m＝f(r，z)q＝f(r，z)則葉輪內子午分速度的分布為dWmdq=AWm+B+CW,]]>A=cos(-)rc]]>B=d(rC)dmddq-d(rC)dq(rCr)-wr2r2Wm+dWmdmsin(-)]]>C=dhin*dq-d(rC)indq-TdSedq]]>其空間流線的方程式為=moutm[rC-r2r2Wm]dm+out]]>式中θ，r，z空間流線坐標rCθ氣體角動量q準正交線m子午流線α子午流線傾角Ψq與r軸夾角wm相對速度在子午面上的投影即子午分速度Cθ絕對切向分速度 進氣總焓Se狀態函數熵當給定rcθ沿葉頂及葉根流線m的分布後，則對上述公式進行數值求解，最終得到葉輪內速度分布w＝f(r，z)及空間流線θs＝f(r，z)，θh＝f(r，z)，葉頂及葉根以外的空間流線坐標由圓柱面與葉輪交線為直線的約束條件給定；這樣最終得到所希望的沿葉頂及葉根兩條流線分布及整個圓柱面割線元素的葉片坐標；2)用圓柱面割線元素取代任意空間直線，所構成直線元素三元葉輪的母線是圓柱面與二個空間曲線的交點形成的直線；3)圓柱面弦線元素三元葉輪，其中θs＝f(R，Z)，θh＝f(R，Z)是由葉頂、葉根二個流體質點運動狀態控制所得到的二根空間曲線(考慮到葉片加厚)，進口邊θl＝f(R，Z)是θs＝f(R，Z)，θh＝f(R，Z)前端點的直連線，或曲線連線---有假定條件，用一系列以葉輪旋轉軸為軸線的同心圓柱面(半徑Ri)的每一個圓柱面與上述空間曲線相交得到二個交點，由這二個交點求得圓柱面割線的方位角αi，i=tan-1[Ri(hi-si)Zhi-Zsi](Ri>Rls),]]>或i=tan-1[Ri(hi-si)Zhi-Zls](Rls>Ri>Rlh),]]>沿著輪盤迴轉面上曲線θs＝f(R，Z)走刀，對應每一個Ri有一個θsi及αi，使鏜/銑床水平X軸始終過葉輪中心線，並能配上萬能迴轉工作檯，使其二個迴轉軸的迴轉與θsi及αi對應，無須多軸聯動，通過數顯即可方便地利用擺銑，即繞葉輪軸線旋轉，加工出葉片表面及整個流道；4)該直線元素三元葉輪可用銑刀側刃擺線，即銑刀軸線固定，葉輪繞自身軸線旋轉形成擺銑；採用常規銑/鏜床，最好是數顯銑/鏜床配上萬能迴轉工作檯即可實現葉輪的整體銑削加工。
全文摘要
本發明公開了一種徑、混流式圓柱面割線元素三元葉輪的設計造型方法，對於徑、混流式三元葉輪，在保證與國外廣泛使用的任意空間直線元素有同等氣動性能－可控制葉輪內二個流體質點運動狀態的前提下，用圓柱面割線元素取代任意空間直線，可使葉輪的整體銑制大幅度降低工時成本，即可用常規銑/鏜床(最好是數顯銑床)配數顯萬能迴轉工作檯，只要縮短半徑方向進刀步距，可使殘留高度在0.01mm以下，最後採用拋光工序即可加工出合乎圖紙要求的三元葉輪。
文檔編號B23C3/18GK1400379SQ0213938
公開日2003年3月5日 申請日期2002年8月23日 優先權日2002年8月23日
發明者王尚錦 申請人:西安交通大學