涡轮叶片、涡轮、涡轮叶片设计方法及设备

技术领域

本发明涉及涡轮气流控制技术领域，特别涉及一种涡轮设计方法。本发明还涉及一种涡轮叶片设计设备。本发明又涉及一种通过该方法加工的涡轮叶片及涡轮。

背景技术

涡轮设计时为了保证叶轮有较高的机械性能，会对涡轮中叶轮靠近出口段的部分包角角度作一个控制。

如下图1所示，叶片出口段沿轴向在同一个周向坐标下包角是相同的，从而导致叶片角度的控制受到限制，无法根据流场的需求对每一层的叶片角度进行优化控制，只能保证叶片某一层下面的流场是控制到最优的，从而无法保证性能最优。

因此，如何保证涡轮叶片的性能以及与强度的平衡，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡轮叶片设计方法。本发明的另一目的是提供一种涡轮叶片、涡轮、涡轮叶片设计设备。

为实现上述目的，本发明提供一种涡轮叶片设计方法，包括叶片出口段沿轴向包角设计步骤，所述叶片出口段沿轴向包角设计步骤包括：

所述叶片出口段沿当前轴向，得到多个目标点，并获取各个所述目标点对应的包角最优值；

将其中一个所述目标点作为初始目标点，所述初始目标点对应的包角最优值作为包角设计值；

沿与所述初始目标点的距离，依次确定其他目标点的包角设计值，当前目标点的包角最优值大于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与所述预设值的和；当前目标点的包角最优值小于或等于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与所述预设值的差；当前目标点的包角最优值与前一目标点的包角设计值的差值小于所述预设值时，当前目标点的包角设计值为所述当前目标点的包角最优值。

可选地，在上述涡轮叶片设计方法中，包括依次计算多个所述叶片出口段沿轴向包角。

可选地，在上述涡轮叶片设计方法中，相邻两个所述目标点的间距相等。

可选地，在上述涡轮叶片设计方法中，计算包角最优值包括步骤：

获取涡轮叶片目标点上的叶轮速度U；

获取涡轮叶片目标点上气流在子午面方向的速度C；

计算涡轮叶片目标点上相对速度流动角β，β=arctan（U/C）；

计算包角最优值α，θ= arctan (R*dα/dm)，其中:其中θ为目标点上的叶片角，R为叶轮半径，d表示微分，m为涡轮叶片预设位置在子午面上投影的长度，β=θ。

可选地，在上述涡轮叶片设计方法中，同一个所述叶片出口段上相邻两个目标轴线的间距相等。

可选地，在上述涡轮叶片设计方法中，所述初始目标点为叶片出口段靠近轮盖位置的第一个目标点。

可选地，在上述涡轮叶片设计方法中，所述预设值为8°-12°。

一种涡轮叶片设计设备，包括：

数据获取模块，用于获取各个目标点对应的包角最优值；

包角取值模块，用于将其中一个所述目标点作为初始目标点，所述初始目标点对应的包角最优值作为包角设计值；沿与所述初始目标点的距离，依次确定其他目标点的包角设计值，当前目标点的包角最优值大于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与所述预设值的和；当前目标点的包角最优值小于或等于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与所述预设值的差；当前目标点的包角最优值与前一目标点的包角设计值的差值小于所述预设值时，当前目标点的包角设计值为所述当前目标点的包角最优值。

可选地，在上述涡轮叶片设计设备中，还包括包角计算模块，所述包角计算模块用于计算包角最优值，包角计算模块获取涡轮叶片目标点上的叶轮速度U；获取涡轮叶片目标点上气流在子午面方向的速度C；计算涡轮叶片目标点上相对速度流动角β，β=arctan（U/C）；计算包角最优值α，θ= arctan (R*dα/dm)，其中:其中θ为目标点上的叶片角，R为叶轮半径，d表示微分，m为涡轮叶片预设位置在子午面上投影的长度，β=θ。

一种涡轮叶片，所述涡轮叶片由上述任一项所述的涡轮叶片设计方法获取。

一种涡轮，所述涡轮的涡轮叶片由上述任一项所述的涡轮叶片设计方法获取。

在上述技术方案中，本发明提供的涡轮叶片设计方法包括叶片出口段沿轴向包角设计步骤，叶片出口段沿轴向包角设计步骤包括：叶片出口段沿当前轴向，得到多个目标点，并获取各个目标点对应的包角最优值。将其中一个目标点作为初始目标点，初始目标点对应的包角最优值作为包角设计值。沿与初始目标点的距离，依次确定其他目标点的包角设计值，当前目标点的包角最优值大于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与预设值的和；当前目标点的包角最优值小于或等于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与预设值的差；当前目标点的包角最优值与前一目标点的包角设计值的差值小于预设值时，当前目标点的包角设计值为当前目标点的包角最优值。

通过上述描述可知，在本申请提供的涡轮叶片设计方法中，在叶片出口段根据流场的需求进行每一个轴向上的包角优化控制，同时在超过包角变化差值超过预设位置时，则以与相邻包角差值为预设值作为该叶片对应层上的包角值，避免度变化太大导致一个比较大的应力，从而影响可靠性的情况，因此，本申请提供的涡轮叶片设计方法能够保证涡轮叶片的性能以及与强度的平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为传统涡轮叶片包角分布图；

图2为本发明实施例所提供的涡轮叶片包角的结构示意图；

图3为传统涡轮叶片内部相对速度分布图；

图4为本发明实施例所提供的涡轮叶片内部相对速度分布图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种涡轮叶片设计方法。本发明的另一目的是提供一种涡轮叶片、涡轮、涡轮叶片设计设备。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

为了便于理解方案，对包角进行解释说明，将轮毂中心线前缘点与圆心的连线为0度线，叶片上其余点与圆心的连线与0度线的夹角定义为包角，其中如果与叶轮旋转方向相同则包角为正数，如果与叶轮旋转方向相反则包角为负数。

在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的涡轮叶片设计方法包括叶片出口段沿轴向包角设计步骤，叶片出口段沿轴向包角设计步骤包括：

叶片出口段沿当前轴向，得到多个目标点，并获取各个目标点对应的包角最优值。其中包角最优值的计算根据传统方法或者，在一种具体计算方法中：计算包角最优值包括步骤：

获取涡轮叶片目标点上的叶轮速度U；

获取涡轮叶片目标点上的气流绝对速度C；

计算涡轮叶片目标点上相对速度流动角β，β=arctan（U/C）；

计算包角最优值α，θ=arctan(R*dα/dm)，其中: 其中θ为目标点上的叶片角，R为叶轮半径，m为叶片预设位置在子午面上投影的长度。其中，R*dα代表是一个圆弧长度，可以近似为直线。其中d表示微分。

在计算时，认为β=θ，即目标点上的叶片角度等于相对速度流动角流动角度。

如图3和图4所示，当气流绝对速度C最小时出口动能损失最小，其中图中箭头表示速度方向。

将其中一个目标点作为初始目标点，初始目标点对应的包角最优值作为包角设计值。具体的，初始目标点可以为当先轴线方向任一目标点，考虑到叶片出口段靠近轮盖位置对气流影响较大，优选，初始目标点为叶片出口段靠近轮盖位置的第一个目标点。

沿与初始目标点的距离，依次确定其他目标点的包角设计值，当前目标点的包角最优值大于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与预设值的和；当前目标点的包角最优值小于或等于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与预设值的差；当前目标点的包角最优值与前一目标点的包角设计值的差值小于预设值时，当前目标点的包角设计值为当前目标点的包角最优值。

具体的，预设值为8°-12°。优选，预设值为10°。当然，在具体设计时，预设值也可以小于8°，或者大于12°。

优选，相邻两个目标点的间距相等。

通过上述描述可知，在本申请具体实施例所提供的涡轮叶片设计方法中。由图1可以看出叶片出口段在轴向上的包角为同一个数值，图2中，本申请叶片出口段在轴向上的包角数值为变化设置，具体的，叶片出口段根据流场的需求进行每一个轴向上的包角优化控制，同时在超过包角变化差值超过预设位置时，则以与相邻包角差值为预设值作为该叶片对应层上的包角值，避免度变化太大导致一个比较大的应力，从而影响可靠性的情况，因此，本申请提供的涡轮叶片设计方法能够保证涡轮叶片的性能以及与强度的平衡。

涡轮叶片设计方法包括依次计算叶片出口段多个轴线方向包角，优选，同一个叶片出口段上相邻两个目标轴线的间距相等。

每个涡轮叶片结构相同，且沿圆周方向均匀分布。

包角沿着子午流道坐标系同一个轴向上沿径向呈线性分布。

在另一种实施方式中，包角沿着子午流道坐标系同一个轴向上沿径向呈二次曲线分布。

本申请提供的一种涡轮叶片设计设备，包括数据获取模块和包角取值模块。

数据获取模块用于获取各个目标点对应的包角最优值。

包角取值模块用于将其中一个目标点作为初始目标点，初始目标点对应的包角最优值作为包角设计值，具体的，初始目标点可以为当先轴线方向任一目标点，考虑到，叶片出口段靠近轮盖位置对气流影响较大，优选，初始目标点为叶片出口段靠近轮盖位置的第一个目标点。

具体的，沿与初始目标点的距离，依次确定其他目标点的包角设计值，当前目标点的包角最优值大于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与预设值的和；当前目标点的包角最优值小于或等于前一目标点的包角设计值，且超过预设值时，则当前目标点的包角设计值为前一目标点的包角设计值与预设值的差；当前目标点的包角最优值与前一目标点的包角设计值的差值小于预设值时，当前目标点的包角设计值为当前目标点的包角最优值。具体的，预设值为8°-12°。优选，预设值为10°。当然，在具体设计时，预设值也可以小于8°，或者大于12°。

涡轮叶片设计设备还包括包角计算模块，其中，包角计算模块用于计算包角最优值，包角计算模块获取涡轮叶片目标点上的叶轮速度U；获取涡轮叶片目标点上气流在子午面方向的速度C；计算涡轮叶片目标点上相对速度流动角β，β=arctan（U/C）；计算包角最优值α，θ=arctan(R*dα/dm)，其中: 其中θ为目标点上的叶片角，R为叶轮半径，m为叶片预设位置在子午面上投影的长度。其中，R*dα代表是一个圆弧长度，可以近似为直线。其中d表示微分。

在计算时，认为β=θ，即目标点上的叶片角度等于相对速度流动角流动角度。

每个涡轮叶片结构相同，且沿圆周方向均匀分布。

包角沿着子午流道坐标系同一个轴向上沿径向呈线性分布。在另一种实施方式中，包角沿着子午流道坐标系同一个轴向上沿径向呈二次曲线分布。

本申请提供的一种涡轮叶片，其中涡轮叶片由上述任一种涡轮叶片设计方法获取。

本申请提供的一种涡轮，其中涡轮的涡轮叶片由上述任一种涡轮叶片设计方法获取。优选，涡轮上每个涡轮叶片的结构相同。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。