CN116717499B - 一种基于被动射流的水翼叶顶泄漏流消涡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于被动射流的水翼叶顶泄漏流消涡装置，沿着水翼弦长方向在水翼工作压力面和端面之间设计个引流孔，基于Tesla阀门的工作原理，引流孔引入叶顶间隙的被动射流可在叶顶间隙区域内引起旋涡并阻碍泄漏流，进而对叶顶泄漏流造成巨大的流动损失，有效抑制水翼叶顶分离涡与叶顶泄漏涡的产生。本发明可有效抑制水翼叶顶泄漏流，从而减少能量损失，抑制叶顶空蚀破坏，提高水翼装置的效率与性能。

Description

一种基于被动射流的水翼叶顶泄漏流消涡装置
技术领域
本发明涉及流体机械技术领域，尤其涉及一种基于被动射流的水翼叶顶泄漏流消涡装置。
背景技术
在轴流式流体机械中如轴流泵、水力推进器等，在动叶叶顶与端壁之间为避免摩擦存有尺度较小的间隙。在叶顶间隙处，由于叶片吸力面与压力面存在压差，该处的流体在静压的作用下流动，形成从压力面一侧流向吸力面一侧的间隙流动。间隙流动主要分为两部分，远离叶顶端面处的流体(占叶顶间隙流中的大部分)顺利通过了间隙，并在压差的作用下加速，通过间隙后与主流掺混，形成叶顶泄漏涡。而其中贴近叶顶端面处流体在边界层作用下流速降低至零后形成流动分离并反向流动，产生叶顶分离涡。当在涡心处的压力低于饱和蒸汽压时，会发生间隙流空化。根据空化位置和成因的不同，分为分离涡空化和泄漏涡空化。间隙空化会造成水力机械性能变化，诱导振动和噪声等现象，造成叶片叶顶端部及叶片外缘发生空蚀等现象。
发明内容
本发明的目的在于通过在水翼叶顶消涡设计，抑制或消除水翼叶顶泄漏流引起的叶顶间隙泄漏涡和分离涡，抑制叶顶空蚀破坏，延长水翼装置的使用寿命，提高水翼装置运行效率与稳定性。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种基于Tesla阀门工作原理的水翼叶顶设计方法，该方法包括在所述水翼叶顶位置开设多个个从水翼压力面到叶顶端面的引流孔。引流孔进口中心点距离叶顶端面距离是叶顶间隙的2倍，前缘第一个引流孔距离前缘距离为1％弦长。出口中心点位于水翼端面中弧线上。引流孔轴线所在平面与弦长方向呈30-60°。引流孔沿弦长方向分布于水翼前半段，个数为3-5个。引流孔间距由水翼前缘向下游逐渐稀疏，间距按照1.05指数增长。
上述方案中，引流孔内部流道的表面粗糙度Ra不大于0.01。
上述方案中，引流孔进口段轴线与叶顶端面夹角在0-20°范围内；引流孔出口段轴线与叶顶端面夹角在70-90°范围内。
本专利的有益效果：本发明在水翼叶顶位置开设一组引流孔。当水翼叶顶泄漏流流经水翼叶顶位置时，由于叶顶间隙流道狭窄，其流速较快而压力较小，位于水翼叶顶压力面位置处的高压流体通过引流管流向压力较低的叶顶间隙，并呈一定角度冲击叶顶间隙内的泄漏流。基于Tesla阀门的工作原理，本引流孔引入叶顶间隙的射流流体可对叶顶泄漏流造成巨大的流动损失，能有效抑制水翼叶顶分离涡与叶顶泄漏涡的产生。进而抑制或消除水翼叶顶泄漏流引起的叶顶间隙泄漏涡和分离涡，抑制叶顶空蚀破坏，延长水翼的使用寿命，提高水翼运行效率与稳定性。
附图说明
图1为本发明水翼叶顶消涡设计示意图。
图2为本发明水翼叶顶消涡设计局部剖面示意图。
图3为Tesla阀门工作原理示意图。
图4为水翼叶顶消涡原理示意图。
图5为原始水翼和进行消涡设计后的水翼叶顶流动结构图。
以上附图的附图标记：1、引流孔；2、水翼；3、压力面；4、叶顶端面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但不应该以此限制本发明的保护范围，如叶顶引流孔的个数、截面几何形状与尺寸，开孔的位置尺寸与角度以及引流孔的分布方式等。
如图1所示，水翼叶顶消涡设计主要对水翼2的叶顶区域进行设计，加工由水翼2的压力面3到叶顶端面4的引流孔1。引流孔1轴线所在平面与弦长方向呈30-60°。引流孔进口中心点距离叶顶端面距离是叶顶间隙的2倍，前缘第一个引流孔距离前缘距离为1％弦长。出口中心点位于水翼端面中弧线上。引流孔轴线所在平面与弦长方向呈30-60°。引流孔沿弦长方向分布于水翼前半段，个数为3-5个。引流孔间距由水翼前缘向下游逐渐稀疏，间距按照1.05指数增长。
如图2所示，在水翼2叶顶消涡设计中，引流孔1的设计加工不改变水翼2的原有外形及尺寸，加工时采用3D打印与精磨方式。
如图3所示，为Tesla阀门工作原理示意图。Tesla阀门工作时分正向流动和反向流动。正向流动时，流体流动平稳，基本不会受到较大阻力。反向流动时，主流中的部分流体会经引流流道分离主流，且在主流下游位置处又被引回主流，且流动方向与主流流向呈钝角。当引流流体与主流流体相交时，流道中会产生旋涡并阻碍流动，进而使反向流动时流体阻力增大。在经过多个引流流道后，主流流动在层层阻力耗散的作用下逐渐被抑制。
本实施例的技术方案如图4所示，在水翼2叶顶位置布置一系列引流孔1。当水翼2叶顶泄漏流流经水翼叶顶位置时，由于叶顶间隙流道狭窄，其流速较快而压力较小，位于水翼叶顶压力面位置处的高压流体通过引流管流向压力较低的叶顶间隙，并呈一定角度冲击叶顶间隙内的泄漏流。基于Tesla阀门的工作原理，本引流孔1引入叶顶间隙的被动射流可在叶顶间隙区域内引起旋涡并阻碍泄漏流，进而对叶顶泄漏流造成巨大的流动损失，从而可以有效抑制水翼2叶顶分离涡与叶顶泄漏涡的产生。本发明基于本被动射流可有效抑制或消除水翼叶顶泄漏流引起的叶顶间隙泄漏涡和分离涡，抑制叶顶空蚀破坏，延长水翼的使用寿命，提高水翼运行效率与稳定性。
如图5所示，为本发明基于被动射流的水翼叶顶泄漏流消涡装置和同型号原始水翼在相同工况下的数值模拟计算结果。图示结果(1)为Q＝7×106s-2的涡等值面，(2)为P＝3574Pa(饱和蒸汽压)的压力等值面(代表空泡轮廓)。对比可知，水翼叶顶开设不同数量的射流孔对TLV的抑制效果有一定影响，但与原始水翼相比，本发明装置对水翼叶顶间隙泄漏涡(TLV)的抑制效果非常明显。

Claims (2)

1.一种水翼叶顶消涡设计方法，包括水翼、引流孔，所述水翼叶顶位置开设一组从水翼压力侧表面到叶顶端面的引流孔；引流孔沿弦长方向分布于水翼前半段，个数为3-5个；引流孔间距由水翼前缘向下游逐渐稀疏，间距按照1.05指数增长；引流孔进口中心点距离叶顶端面距离是叶顶间隙的2倍，前缘第一个引流孔距离前缘距离为1％弦长；出口中心点位于水翼端面中弧线上；引流孔轴线所在平面与弦长方向的夹角30-60°；引流孔进口段轴线与叶顶端面夹角在0-20°范围内；出口段轴线与叶顶端面夹角在70-90°范围内。
2.根据权利要求1所述的一种水翼叶顶消涡设计方法，其特征在于，所有引流孔内部流道的表面粗糙度Ra不大于0.01。
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