CN108223023A - 基于凹槽射流的流动控制方法及装置 - Google Patents

基于凹槽射流的流动控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于凹槽射流的流动控制方法及装置，在叶片顶部且距叶片边缘预设距离的叶弦位置开贯通凹槽，以形成开槽射流，其中，方法包括以下步骤：根据叶片厚度得到基于二次函数的第一控制方程曲线；根据凹槽的宽度和叶片厚度得到基于二次函数的第二控制方程曲线；根据第一控制方程曲线和第二控制方程曲线分别控制凹槽的两边型线，以控制凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，减弱泄漏涡。该方法可以在保证叶片能量特性的同时，显著衰弱叶顶间隙泄漏涡，从而优化了流道内流动形态，并且开槽结构简单，易实现，可以更好的保证采用叶片的各类叶轮的高效稳定运行。

Description

基于凹槽射流的流动控制方法及装置
技术领域
本发明涉及叶轮叶片技术领域，特别涉及一种基于凹槽射流的流动控制方法及装置。
背景技术
能源是人类生存和发展的根本，如何利用和转换能源成为人类关注的热点问题之一。叶轮叶片作为能源的核心转换设备，其性能优劣对能量转换效率具有关键性影响。其中，叶顶间隙是叶片顶部与壳体内壁之间的间隙，其尺寸通常较小，但其引起的泄漏流动和旋涡运动等现象对叶轮内部流动形态具有重要影响，并进而影响叶轮的运行效率和稳定性。
目前，针对叶顶间隙流动的机理已经展开了较为深入的研究，但对于叶轮内叶顶间隙流动控制的方法还很少见。为优化叶轮内流动形态，降低间隙泄漏涡对其性能的影响，迫切需要流动控制的新方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于凹槽射流的流动控制方法，可以更好的保证采用叶片的各类叶轮的高效稳定运行。
本发明的另一个目的在于提出一种基于凹槽射流的流动控制装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于凹槽射流的流动控制方法，在叶片顶部且距叶片边缘预设距离的叶弦位置开贯通凹槽，以形成开槽射流，其中，所述方法包括以下步骤：根据叶片厚度得到基于二次函数的第一控制方程曲线；根据所述凹槽的宽度和所述叶片厚度得到基于二次函数的第二控制方程曲线；根据所述第一控制方程曲线和所述第二控制方程曲线分别控制所述凹槽的两边型线，以控制所述凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得所述开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，减弱泄漏涡。
本发明实施例的基于凹槽射流的流动控制方法，可以根据第一控制方程曲线和第二控制方程曲线分别控制凹槽的两边型线，以控制凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，在保证叶片能量特性的同时，显著衰弱了叶顶间隙泄漏涡，从而优化了流道内流动形态，更好的保证采用叶片的各类叶轮的高效稳定运行。
另外，根据本发明上述实施例的基于凹槽射流的流动控制方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一控制方程曲线为
其中，t3为所述第一曲线对应的所述叶片的厚度，b为二次函数系数，z为笛卡尔坐标系中z轴方向坐标。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二控制方程曲线为：
其中，t4为所述第二曲线所对应的所述叶片的厚度,w为凹槽宽度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：调整所述凹槽的深度，以根据所述二次函数系数、所述凹槽的宽度、所述凹槽的深度、所述旋转角度保证所述开槽射流与所述主泄漏涡的作用效果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述凹槽的深度为所取叶顶间隙值的20％-50％，且所述预设距离的叶弦位置为距叶片前缘10％-30％叶弦的位置。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于凹槽射流的流动控制装置，在叶片顶部且距叶片边缘预设距离的叶弦位置开贯通凹槽，以形成开槽射流，其中，所述装置包括：第一获取模块，用于根据叶片厚度得到基于二次函数的第一控制方程曲线；第二获取模块，用于根据所述凹槽的宽度和所述叶片厚度得到基于二次函数的第二控制方程曲线；控制模块，用于根据所述第一控制方程曲线和所述第二控制方程曲线分别控制所述凹槽的两边型线，以控制所述凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得所述开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，减弱泄漏涡。
本发明实施例的基于凹槽射流的流动控制装置，可以根据第一控制方程曲线和第二控制方程曲线分别控制凹槽的两边型线，以控制凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，在保证叶片能量特性的同时，显著衰弱了叶顶间隙泄漏涡，从而优化了流道内流动形态，更好的保证采用叶片的各类叶轮的高效稳定运行。
另外，根据本发明上述实施例的基于凹槽射流的流动控制装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一控制方程曲线为
其中，t3为所述第一曲线对应的所述叶片的厚度，b为二次函数系数，z为笛卡尔坐标系中z轴方向坐标。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二控制方程曲线为：
其中，t4为所述第二曲线所对应的所述叶片的厚度,w为凹槽宽度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：调整模块，用于调整所述凹槽的深度，以根据所述二次函数系数、所述凹槽的宽度、所述凹槽的深度、所述旋转角度保证所述开槽射流与所述主泄漏涡的作用效果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述凹槽的深度为所取叶顶间隙值的20％-50％，且所述预设距离的叶弦位置为距叶片前缘10％-30％叶弦的位置。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于凹槽射流的流动控制方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的凹槽两边型线的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的叶片三维形状和凹槽结构的示意图；
图4为根据本发明一个实施例的基于凹槽射流的流动控制方法的仿真计算结果示意图；
图5为根据本发明实施例的基于凹槽射流的流动控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于凹槽射流的流动控制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于凹槽射流的流动控制方法。
图1是本发明实施例的基于凹槽射流的流动控制方法的流程图。
如图1所示，该基于凹槽射流的流动控制包括以下步骤：
在步骤S101中，根据叶片厚度得到基于二次函数的第一控制方程曲线。
其中，在本发明的一个实施例中，第一控制方程曲线为
其中，t3为第一曲线对应的叶片的厚度，b为二次函数系数，z为笛卡尔坐标系中z轴方向坐标，即沿叶片厚度方向坐标。
可以理解的是，如图2所示，本发明实施例为了控制射流速度和射流方向，凹槽的两边型线可以由两条基于二次函数的曲线控制，使得凹槽宽度w从叶片正面到背面逐渐减小。
其中，边线3控制方程，即第一控制方程曲线为t3为边线3所对应的叶片厚度，本发明实施例可以通过改变b的取值可实现不同的边线形式,其中
在步骤S102中，根据凹槽的宽度和叶片厚度得到基于二次函数的第二控制方程曲线。
其中，在本发明的一个实施例中，第二控制方程曲线为：
其中，t4为第二曲线所对应的叶片的厚度，w为凹槽宽度。
可以理解的是，如图2所示，在凹槽结构中，边线4控制方程，即第二控制方程曲线是由曲线绕A点旋转角度α得到，t4为边线4所对应的叶片厚度，b取值与第一控制方程曲线中一致，
在步骤S103中，根据第一控制方程曲线和第二控制方程曲线分别控制凹槽的两边型线，以控制凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，减弱泄漏涡。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：调整凹槽的深度，以根据二次函数系数、凹槽的宽度、凹槽的深度、旋转角度保证开槽射流与主泄漏涡的作用效果。
可以理解的是，如图2所示，随着工况的变化，本发明实施例可以通过改变凹槽的两边型线的二次函数系数b、凹槽宽度w、旋转角度α、凹槽深度h来改变开槽射流与主泄漏涡的作用效果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，凹槽的深度为所取叶顶间隙值的20％-50％，且预设距离的叶弦位置为距叶片前缘10％-30％叶弦的位置。
可以理解的是，本发明实施例可以在叶片顶部，距叶片前缘10％-30％叶弦的位置开贯通凹槽，形成开槽射流，该射流与主泄漏涡形成近直角冲击，使泄漏涡显著减弱，凹槽深度h可调节，凹槽深度h为所取叶顶间隙值δ的20％-50％。
另外，如图3所示，x为叶片展向，y为叶片弦长方向，z为叶片厚度方向，本发明实施例可以在叶片1顶部，距叶片前缘10％-30％叶弦的位置开贯通凹槽2，形成开槽射流，该射流与主泄漏涡形成近直角冲击，使泄漏涡显著减弱，在本发明的一个具体实施例中，本发明实施例的基于凹槽射流的流动控制方法的步骤如下：
结合图2和图3所示，本发明实施例为控制射流速度和射流方向，凹槽的两边型线由两条基于二次函数的曲线控制，使得凹槽宽度w从叶片正面到背面逐渐减小。其中第一控制方程为t3为第一控制方程所对应的叶片厚度；通过改变b的取值可实现不同的边线形式，其中第二控制方程可以由曲线绕A点旋转角度α得到，t4为第二控制方程所对应的叶片厚度，其中，b取值与第一控制方程中一致，
如图4所示，图4显示的是本发明实施例在流道中的泄漏涡三维结构(由Q准则定义，取值为3×107s-2)。其中，图4(a)为未开槽示意图，图4(b)为本发明实施例的开槽示意图，从图4中可以看到，凹槽2造成的开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击(图4(b)中虚线框中所示)，通过计算发现增加凹槽2后流道中涡的量减少近20％，从而使得主泄漏涡明显衰减。
另外，凹槽2深度h可调节，凹槽2深度h为所取叶顶间隙值δ的20％-50％；随着工况的变化，可通过改变凹槽的两边型线的二次函数系数b、凹槽宽度w、旋转角度α、凹槽深度h来改变开槽射流与主泄漏涡的作用效果。
根据本发明实施例提出的基于凹槽射流的流动控制方法，可以根据第一控制方程曲线和第二控制方程曲线分别控制凹槽的两边型线，以控制凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，在保证叶片能量特性的同时，显著衰弱了叶顶间隙泄漏涡，从而优化了流道内流动形态，更好的保证采用叶片的各类叶轮的高效稳定运行，并且凹槽结构简单，对叶片结构影响很小，易加工制造，且适用范围广，可用于各类叶轮中的叶片。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于凹槽射流的流动控制装置。
图5是本发明实施例的基于凹槽射流的流动控制装置的结构示意图。
如图5所示，该基于凹槽射流的流动控制装置10包括：第一获取模块100、第二获取模块200和控制模块300。
其中，第一获取模块100用于根据叶片厚度得到基于二次函数的第一控制方程曲线。第二获取模块200用于根据凹槽的宽度和叶片厚度得到基于二次函数的第二控制方程曲线。控制模块300用于根据第一控制方程曲线和第二控制方程曲线分别控制凹槽的两边型线，以控制凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，减弱泄漏涡。本发明实施例的装置10可以在保证叶片能量特性的同时，显著衰弱叶顶间隙泄漏涡，从而优化了流道内流动形态，并且开槽结构简单，易实现，可以更好的保证采用叶片的各类叶轮的高效稳定运行。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一控制方程曲线为
其中，t3为第一曲线对应的叶片的厚度，b为二次函数系数，z为笛卡尔坐标系中z轴方向坐标，即沿叶片厚度方向坐标。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第二控制方程曲线为：
其中，t4为第二曲线所对应的叶片的厚度,w为凹槽宽度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：调整模块。其中，调整模块用于调整凹槽的深度，以根据二次函数系数、凹槽的宽度、凹槽的深度、旋转角度保证开槽射流与主泄漏涡的作用效果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，凹槽的深度为所取叶顶间隙值的20％-50％，且预设距离的叶弦位置为距叶片前缘10％-30％叶弦的位置。
需要说明的是，前述对基于凹槽射流的流动控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于凹槽射流的流动控制装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于凹槽射流的流动控制装置，可以根据第一控制方程曲线和第二控制方程曲线分别控制凹槽的两边型线，以控制凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，在保证叶片能量特性的同时，显著衰弱了叶顶间隙泄漏涡，从而优化了流道内流动形态，更好的保证采用叶片的各类叶轮的高效稳定运行，并且凹槽结构简单，对叶片结构影响很小，易加工制造，且适用范围广，可用于各类叶轮中的叶片。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于凹槽射流的流动控制方法，其特征在于，在叶片顶部且距叶片边缘预设距离的叶弦位置开贯通凹槽，以形成开槽射流，其中，所述方法包括以下步骤：
根据叶片厚度得到基于二次函数的第一控制方程曲线；
根据所述凹槽的宽度和所述叶片厚度得到基于二次函数的第二控制方程曲线；以及
根据所述第一控制方程曲线和所述第二控制方程曲线分别控制所述凹槽的两边型线，以控制所述凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得所述开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，减弱泄漏涡。
2.根据权利要求1所述的基于凹槽射流的流动控制方法，其特征在于，所述第一控制方程曲线为
其中，t3为所述第一曲线对应的所述叶片的厚度，b为二次函数系数，z为笛卡尔坐标系中z轴方向坐标。
3.根据权利要求2所述的基于凹槽射流的流动控制方法，其特征在于，所述第二控制方程曲线为：
其中，t4为所述第二曲线所对应的所述叶片的厚度，w为凹槽宽度。
4.根据权利要求3所述的基于凹槽射流的流动控制方法，其特征在于，还包括：
调整所述凹槽的深度，以根据所述二次函数系数、所述凹槽的宽度、所述凹槽的深度、所述旋转角度保证所述开槽射流与所述主泄漏涡的作用效果。
5.根据权利要求4所述的基于凹槽射流的流动控制方法，其特征在于，所述凹槽的深度为所取叶顶间隙值的20％-50％，且所述预设距离的叶弦位置为距叶片前缘10％-30％叶弦的位置。
6.一种基于凹槽射流的流动控制装置，其特征在于，在叶片顶部且距叶片边缘预设距离的叶弦位置开贯通凹槽，以形成开槽射流，其中，所述装置包括：
第一获取模块，用于根据叶片厚度得到基于二次函数的第一控制方程曲线；
第二获取模块，用于根据所述凹槽的宽度和所述叶片厚度得到基于二次函数的第二控制方程曲线；以及
控制模块，用于根据所述第一控制方程曲线和所述第二控制方程曲线分别控制所述凹槽的两边型线，以控制所述凹槽的宽度从叶片正面到叶片背面逐渐减小，使得所述开槽射流与主泄漏涡形成近直角冲击，减弱泄漏涡。
7.根据权利要求6所述的基于凹槽射流的流动控制装置，其特征在于，所述第一控制方程曲线为
其中，t3为所述第一曲线对应的所述叶片的厚度，b为二次函数系数，z为笛卡尔坐标系中z轴方向坐标。
8.根据权利要求7所述的基于凹槽射流的流动控制装置，其特征在于，所述第二控制方程曲线为：
其中，t4为所述第二曲线所对应的所述叶片的厚度，w为凹槽宽度。
9.根据权利要求8所述的基于凹槽射流的流动控制装置，其特征在于，还包括：
调整模块，用于调整所述凹槽的深度，以根据所述二次函数系数、所述凹槽的宽度、所述凹槽的深度、所述旋转角度保证所述开槽射流与所述主泄漏涡的作用效果。
10.根据权利要求9所述的基于凹槽射流的流动控制装置，其特征在于，所述凹槽的深度为所取叶顶间隙值的20％-50％，且所述预设距离的叶弦位置为距叶片前缘10％-30％叶弦的位置。
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