[發明專利]一種蝸殼二維設計方法

有效

• 申請號: 202110578256.0
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113361028B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 李超;陳化;邢輝;魏一;劉育心
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F113/06
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 張海燕;謝冰

本發明公開了一種蝸殼二維設計方法，包括：確定質量流量、氣流角、總溫總壓，以及蝸殼出口尺寸等設計參數，并對設計參數進行無量綱化處理；根據無量綱化處理后的質量流量、氣流角以及蝸殼出口半徑、寬度求得蝸殼出口速度；根據設計參數創建蝸舌截面，并根據蝸殼出口速度求得蝸舌處的徑向和周向速度；通過二維求解方法在方位角0至2π范圍間創建n個蝸殼截面；輸出蝸舌截面和全部蝸殼截面的三維坐標點，并創建蝸殼幾何。通過本方法可以快速的完成蝸殼幾何設計工作，縮短蝸殼設計周期；使用流線方程確定蝸殼型線，使蝸殼結構更加合理；同時，彌補了一維方法的不足，可以更加準確的獲得A/r的變化規律。

技術領域

本發明涉及徑流式旋轉機械領域，尤其涉及一種蝸殼二維設計方法。

背景技術

徑流式旋轉機械被廣泛應用于社會生產和生活之中，如常見的離心壓氣機、離心泵、離心風機、向心渦輪以及部分水輪機等等。徑流式旋轉機械最主要的組成部分為轉子和蝸殼。蝸殼在離心式旋轉機械中起到周向收集流體和擴壓流體的作用,在向心式旋轉機械中起到周向分配流體和加速流體的作用。蝸殼的設計水平，會直接影響徑流式旋轉機械的工作效率、可靠性以及振動和噪聲水平等各項指標。

傳統的蝸殼設計方法為一維設計方法或經驗法，包括等環量法、平均速度法、阿基米德螺旋線方程法、等邊基元法和不等邊基元法等。但傳統設計方法只能近似得到蝸殼型線，不能直接得到蝸殼的截面形狀和三維幾何，最終設計依賴于設計者的經驗水平，需要反復的試驗調整，設計周期長，而且很難找到性能良好的幾何結構。以向心渦輪蝸殼的一維等環量法為例，在設計過程中只考慮沿蝸殼內部中心線的流動，如圖1中黑色箭頭實線所示，圖中A為蝸殼某處截面面積，r為某處截面形心半徑，r₁為蝸殼出口半徑，方位角θ取值范圍為0～2π。若忽略密度ρ_θ的變化，A/r與θ呈線性關系，設計者可以根據設計參數直接獲得蝸殼某處的A/r。但是一維設計方法的缺陷在于，不能同時分別確定A和r的周向分布，也不能確定蝸殼截面的形狀，因此在設計階段需要經過多次的嘗試，即分別調整A和r的周向分布和截面形狀，來獲得更好的性能。此外，對于工質為高速可壓氣體的向心渦輪，工質密度ρ在流動過程中會發生變化，A/r與θ不再呈線性關系，因此設計時將無法獲得準確的A/r沿周向的分布，這對蝸殼的設計又增加了難度。

發明內容

本發明提供一種蝸殼二維設計方法，以克服上述技術問題。

本發明一種蝸殼二維設計方法，包括：

確定設計參數，并對所述設計參數進行無量綱化處理；所述設計參數，包括質量流量、氣流角、總溫總壓、蝸殼出口尺寸以及蝸舌徑向位置和形狀；所述蝸殼出口尺寸，包括蝸殼出口半徑和寬度；

根據無量綱化處理后的質量流量、氣流角以及蝸殼出口半徑、寬度求得蝸殼出口速度；所述蝸殼出口速度，包括蝸殼徑向和周向速度；

根據所述設計參數創建蝸舌截面，并根據所述蝸殼出口速度求得蝸舌處的徑向和周向速度；

通過二維求解方法在方位角0至2π范圍間創建n個蝸殼截面；

輸出所述蝸舌截面和全部所述蝸殼截面的三維坐標點，并創建蝸殼幾何模型。

進一步地，通過公式(1)質量守恒方程，公式(2)能量方程，公式(3)流線方程和公式(4)自由渦方程來設計所述蝸殼幾何模型；

m_in＝m_out (1)

v_θ·r＝const(4)