(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111611316.0 (22)申请日 2021.12.27 (71)申请人 新疆天富能源售电有限公司 地址 832000 新疆维吾尔自治区石河子市 城区5小区西一路47号 申请人 浙江理工大 学 (72)发明人 孔伟　王润生　李奇隽　朱锐　 杨强　黎劲松　摆玉芬　黄超　 宿向辉　李颂东　殷辉　杨志国　 彭波　曲欣　侯高乐　孙陟　马伟　 刘海兵　李丹　 (74)专利代理 机构 杭州天勤知识产权代理有限 公司 33224 专利代理师 高燕(51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/11(2006.01) F04D 29/24(2006.01) F04D 29/22(2006.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 一种液力透平的叶轮及其 正向设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种液力透平的叶轮及其正 向设计方法， 包括： (1)从叶轮进口到出口的延伸 方向上， 将叶轮叶片分为前端和后端； 前端在安 放时所形成的角度为进口安放角度， 即为进口扭 转角度； 后端在安放时所形成的角度为出口安放 角度， 即为出口扭转角度； (2)以液力透平的性能 为优化目标， 根据蜗壳的形状及出流的流动规 律， 计算与蜗壳出流相匹配的叶轮进口扭转角度 和出口扭转角度； (3)根据液力透平的工作工况， 检验并修正进口扭转角度和出口扭转角度； (4) 再根据正反问题迭代原理确定叶轮叶片流线方 向与垂直流线的过流界面方向上的扭转角度变 化规律。 本发 明通过优化叶轮叶片的进口扭转角 度， 来提高透平能量特性， 提高现有压力能利用 率。 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 CN 114547841 A 2022.05.27 CN 114547841 A 1.一种液力透平的叶轮正向设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)从叶轮进口到出口的延伸方向上， 将叶轮叶片分为前端和后端； 前端在安放时所形 成的角度为进口安放角度， 即为进口扭转角度； 后端在安放时所形成的角度为出 口安放角 度， 即为出口扭转角度； (2)以液力 透平的性能为优化目标， 根据蜗壳的形状及出流的流动规律， 计算与蜗壳出 流相匹配的叶轮进口扭转角度和出口扭转角度； (3)根据液力透平的工作工况， 检验并修 正进口扭转角度和出口扭转角度； (4)再根据正反问题迭代原 理确定叶轮叶片流线方向与垂直流线的过流界面方向上的 扭转角度变化 规律。 2.根据权利要求1所述的液力透平的叶轮正向设计方法， 其特 征在于， 步骤(2)包括： (2‑1)假设在设计工况时， 液力透平的叶轮为无撞击进口， 则叶片的进口扭转角度βb1与 进口相对水流角β1相等， 即βb1＝β1； 通过叶片进口的速度三角形计算所述 的进口扭转角度 βb1： 式中： 为进口绝对速度的轴 面分速度， m/s； Ψ1为叶片进口排挤系数， 可由公式 确定， 式中： δ1为叶片进口边圆周厚度， m； R1c为叶片进口边母线 重心位置半径， m； Z为叶轮的叶片数； u1为叶轮进口圆周速度， m/s； vu1为进口绝对速度的圆 周分量， m/s； Qr为设计计 算流量， m3/s； D1为叶轮进口直径； k1为蜗壳结构系数； b1为叶片进口 宽度； n为叶轮转速， r/mi n； (2‑2)设流体出口相对流线方向与叶片出口骨线方向一致， 则出口扭转角度βb2与出口 相对水流角 β2相等， 即βb2＝β2； 设液体流出 液力透平叶轮时绝对速度为法向出口， 则： 式中： 为出口绝对速度的轴面分速度， m/s； u2为出口圆周速度， m/s； A2为叶轮 出口实际轴面液流过 水断面面积， m2。 3.根据权利要求2所述的液力透平的叶轮正向设计方法， 其特 征在于， 步骤(2 ‑1)包括： 假设在设计工况时， 液力透平的叶轮为无撞击进口， 则叶片的进口扭转角度βb1与进口 相对水流角 β1相等， 即βb1＝β1； (2‑1a)测量蜗壳螺 旋进口非圆形断面 面积， 计算蜗壳螺 旋进口断面的当量圆半径ρ0： 式中： F为蜗壳螺 旋进口非圆形断面 面积， m； (2‑1b)计算蜗壳常数k：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114547841 A 2式中： Qr为设计计算流量， m3/s； a0为蜗壳螺旋进口断面中心距叶轮轴心线的距离， m； ρ0 为蜗壳螺 旋进口断面的当量圆半径， m； 为蜗壳包角， °； (2‑1c)令蜗壳结构系数 则k＝k1Qr； (2‑1d)叶轮进口圆周速度为 式中： D1为叶轮进口直径， m； n为叶轮转速， r/ min； (2‑1e)假设蜗壳与叶轮 间无能量转换， 得叶轮进口速度矩vu1r1＝k； 当叶轮进口直径为 D1时， 叶轮进口圆周分速度为 (2‑1f)由步骤(2 ‑1c)‑(2‑1e)得： 再通过叶片进口 的速度三角形计算所述的进口扭转角度βb1： 4.根据权利要求1所述的液力透平的叶轮正向设计方法， 其特征在于， 步骤(3)中， 根据 叶轮出口实际轴面液流过 水断面面积A2对叶轮的出口扭转角度进行修 正， 包括： (3‑1)根据威 斯奈公式计算 流动滑移量Δvu2： 式中： u2为出口圆周速度， m/s； Z为叶轮的叶片数； β2为出口相对水流角， °； (3‑2)根据叶轮出口速度三角形 得： vm2＝(u2+Δvu2)cosα2； 此时， 过水断面面积为A2＝2 π R2b2vm2， 式中： R2为叶轮出口半径， m； b2为叶片进口宽度， m； 得到考虑了液体在出口处的流动滑 移量的过 水断面面积； 根据考虑了液体在出口处的流动滑移量的过水断面面积及出口相对水流角公式 得到修正后的出口扭转角度。 5.根据权利要求 4所述的液力透平的叶轮正向设计方法， 其特 征在于， Z等于1 1。 6.根据权利要求1所述的液力透平的叶轮正向设计方法， 其特征在于， 步骤(4)中， 基于 正反问题迭代原理， 并根据进口扭转角度和出 口扭转角度的计算公式得到： 沿着叶轮叶片 流线方向， 在垂直于流线的过流截面上， 液力透平的叶轮扭转角度从进口扭转角度βb1到出 口扭转角度βb2呈现单调减少的线性的分布规 律。 7.一种液力透平的叶轮， 其特征在于， 根据如权利要求1 ‑6任一项所述的液力 透平的叶 轮正向设计方法设计得到 。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114547841 A 3