[0001]技术领域
[0002]本发明属于流体机械设计及制造领域，尤其涉及一种控制水力机械空化的导引结构，水力机械包括泵、阀、水翼等。
[0003]背景技术
[0004]空化是存在于液体中的液-气间的相变现象，指流体的局部压力下降至当地饱和蒸气压以下时，流体会发生相变生成气泡的一种物理现象。也是泵、水轮机、螺旋桨等水力机械较为常见的一种物理现象，往往伴随着振动、噪声等负面效果，严重危害水力机械的正常运转。翼型是水力机械叶片截面的基础形状，当流体绕过叶片流动时，叶片吸力面会产生局部低压区，它与叶片压力面间的压差产生升力，将机械能转化为流体的能量，使得水力机械实现输送流体的目的。然而，现有的水力机械运行时，叶片高速旋转，其叶片吸力面出现的局部低压区压力远小于当地流体的饱和蒸气压，这时会出现大范围的片空化现象，并伴随着空泡的周期性脱落，进而产生云空化，这是诱发水力机械振动、噪音增大的根本原因，且这种空化现象始终存在，无法消除，严重影响水力机械的安全稳定运行。
[0005]现有的空化控制策略无论是充气、冲水的方法，还是改变叶片结构（增设障碍物，涂层等）方式，均需要消耗大量能量为代价，虽然在一定程度上降低了空化对水力机械的破坏，但会使水力机械的性能大大降低。具有进一步改进的必要。
[0006]发明内容
[0007]本发明实施例的第一目的在于提供一种控制水力机械空化的导引结构，在叶片翼型靠前位置设置导引结构，当流体绕过叶片翼型时，增加了低压区内流体的能量，使原低压区的压力高于当地流体的饱和蒸气压，这样即可控制空化，从源头上解决水力机械空化现象，以期解决上述背景技术提到的至少一个缺点。
[0008]本发明实施例是这样实现的，一种控制水力机械空化的导引结构，所述水力机械包含有叶片翼型，该叶片翼型包括叶片前缘、吸力面、叶片尾缘和压力面，该导引结构设置在所述吸力面靠近所述叶片前缘的上方；
[0009]所述导引结构与所述吸力面之间留有间隙，该间隙记为d，所述叶片翼型的弦线长记为C，d与C的无量纲比值满足： ；
[0010]其中，所述导引结构的截面投影中至少包含有前缘圆弧线、上骨线和下骨线，所述前缘圆弧线的一端与所述上骨线连接，所述前缘圆弧线的另一端和所述下骨线连接，所述上骨线和下骨线的末端接合。
[0011]本发明实施例的第二目的在于提供一种水力机械，该水力机械包括：
[0012]叶片翼型，该叶片翼型包括叶片前缘、吸力面、叶片尾缘和压力面；
[0013]以及如上所述的导引结构，该导引结构设置在所述吸力面靠近所述叶片前缘的上方。
[0014]这样，对于有导引结构的水力器械，在叶片翼型靠前位置设置导引结构，当流体绕过叶片翼型时，增加了低压区内流体的能量，使原低压区的压力高于当地流体的饱和蒸气压，这样即可控制空化，从源头上解决水力机械空化现象。
[0015]本发明实施例的第三目的在于提供一种导引结构的模拟方法，所述模拟方法包括：
[0016]确定水力机械的叶片翼型；
[0017]根据叶片翼型的几何参数建立仿真数据；
[0018]拟合导引结构，并将拟合出的导引结构加载到叶片翼型的仿真数据中；
[0019]设定边界条件，进行流体流动的仿真模拟，并根据模拟结果优化所述导引结构。
[0020]其中，所述拟合导引结构，并将拟合出的导引结构加载到叶片翼型的仿真数据中的步骤，包括：
[0021]根据所述叶片翼型的几何参数，确定导引结构的前缘圆弧线、上骨线和下骨线；
[0022]其中，所述上骨线为二元四次方程曲线，满足：
[0023]；
[0024]所述下骨线为二元二次方程曲线，满足：
[0025]；
[0026]所述前缘圆弧线记为R，R满足：
[0027]；
[0028]根据确定的前缘圆弧线、上骨线和下骨线，仿真出导引结构；
[0029]选定导引结构与叶片翼型的第一配合关系；
[0030]根据该第一配合关系，将导引结构加载到叶片翼型的仿真数据中。
[0031]本发明实施例提供的一种控制水力机械空化的导引结构，在叶片翼型（或叶片）出现空化的位置稍前设置导引结构，当流体绕过叶片翼型（或叶片）时，增加低压区内流体的能量，使原低压区的压力高于当地流体的饱和蒸气压，这样即可控制空化，从源头上解决水力机械空化现象，不会额外消耗能源，且不会影响水力机械的性能。
[0032]附图说明
[0033]图1为本发明实施例提供的一种叶片翼型的正视图；
[0034]图2为本发明实施例提供的一种控制水力机械空化的导引结构的正视图；
[0035]图3为一个实施例中无导引结构的叶片翼型升力曲线图；
[0036]图4为一个实施例中有导引结构的叶片翼型升力曲线图；
[0037]图5为一个实施例中无导引结构的叶片翼型阻力曲线图；
[0038]图6为一个实施例中有导引结构的叶片翼型阻力曲线图；
[0039]图7为一个实施例中无导引结构的叶片翼型单个周期内空化体积分数分布；
[0040]图8为一个实施例中有导引结构的叶片翼型单个周期内空化体积分数分布；
[0041]图9为一个实施例中拟合出的导引结构；
[0042]图10为本发明实施例提供的一种导引结构的模拟方法的流程示意图。
[0043]图中：1-导引结构；110-上骨线；120-下骨线；130-前缘圆弧线；2-叶片翼型；210-吸力面；220-压力面；101-间隙。
[0044]具体实施方式
[0045]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046]可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
[0047]在一个实施例中，如图1、图2所示，本发明实施例提供的一种控制水力机械空化的导引结构，所述水力机械包含有叶片翼型2，该叶片翼型2包括叶片前缘、吸力面210、叶片尾缘和压力面220，该导引结构1设置在所述吸力面210靠近所述叶片前缘的上方；
[0048]所述导引结构1与所述吸力面210之间留有间隙101，该间隙记为d，所述叶片翼型2的弦长记为C，d与C的无量纲比值满足：
[0049]（1）；
[0050]其中，所述导引结构1的截面投影中至少包含有前缘圆弧线130、上骨线110和下骨线120，所述前缘圆弧线130的一端与所述上骨线110连接，所述前缘圆弧线130的另一端和所述下骨线120连接，所述上骨线110和下骨线120的末端接合。
[0051]本实施例中的导引结构1，设置在所述吸力面210靠近所述叶片前缘的上方，导引结构1与所述吸力面210之间留有间隙101，即在叶片翼型2（或叶片）出现空化的位置稍前设置导引结构1，当流体绕过叶片时，流体可以通过间隙101到达叶片的吸力面210，实现对低压区域内流体能量的提升，增加低压区内流体的能量，使原低压区的压力高于当地流体的饱和蒸气压，这样即可控制空化，从源头上解决水力机械空化现象，不会额外消耗能源，且不会影响水力机械的性能。
[0052]在本实施例的一个示例中，如若叶片翼型2的弦长C取值70mm，则d的数值的范围在（0.35mm，2.1mm），可以理解的是d的取值可以根据设计需求灵活选择。
[0053]在本实施例的一个示例中，导引结构1可以通过杆、柱或板连接在所述叶片翼型2或叶片翼型2的外围结构上，外围结构如叶片翼型的传动盘或轴等。
[0054]在本实施例的一个示例中，所述导引结构1的所处位置如图1所示，其形状类似纺锤形，具有可由下面关键参数决定：前缘圆弧线130、上骨线110、下骨线120。所述上骨线110为二元四次方程曲线，满足：
[0055]（2）；
[0056]其中，x、y为二维坐标系（x，y）中的两个坐标系数；
[0057]所述下骨线120为二元二次方程曲线，满足：
[0058]（3）；
[0059]所述前缘圆弧线130记为R，R满足：
[0060]（4）。
[0061]在本实施例的一个示例中，当原始的叶片翼型2确定后，即所述叶片翼型2的弦长C=70mm，前缘圆弧线130的圆弧R=1mm，满足 ；再在二维坐标系中进行方程式（2）、式（3）的取值，得到设计的导引结构1，如图9所示。
[0062]如图1所示，在本实施例的一个示例中，所述导引结构1的前缘与叶片前缘的距离为l 1 ，l 1 与C之间满足：
[0063]（5）。
[0064]在本实施例的一个示例中，所述导引结构1的前缘越过叶片翼型2的弦线一定距离；所述上骨线110和下骨线120的末端在叶片翼型2的流体流动分离点A之前接合。
[0065]所述导引结构1的前缘与叶片翼型的弦线之间的距离为l 3 ，l 3 与C之间满足：
[0066]（6）；
[0067]所述上骨线110和下骨线120的末端的接合点与叶片翼型2的流体流动分离点A之间的距离为l 2 ，l 2 与C满足：
[0068]（7）；
[0069]本示例中，导引结构1与叶片翼型2间的配合关系可以是：
[0070]，当然，本示例并不局限于此。
[0071]在一个实施例中，所述导引结构1内设有空腔，所述空腔内设置有至少一个肋结构，所述肋结构为规则排列的隔断组、蜂窝网组，或隔断组与蜂窝网组的结合。
[0072]设置空腔是为了保证导引结构强度的前提下，减轻其重量，进而进一步避免对叶片翼型的性能影响。
[0073]例如：规则排列的隔断组，可以是沿着所述导引结构长度方向设置的第一行隔断、第二行隔断，至第N行隔断，和宽度方向设置的第一列隔断、第二列隔断，至第M列隔断，N、M均大于三；或者，行隔断或列隔断其中之一。
[0074]又如：肋结构为多边形的蜂窝网构成蜂窝网组，并且，蜂窝网组的厚度变化适应于所述上骨线和下骨线的变化，能够对空腔的上下面进行支撑和均匀传力，避免导引结构在流动的流体的高压作用下变形或震动。
[0075]在一个实施例中，对导引结构1进行仿真设计和优化，确定叶片翼型为Clark-y翼型，采用上述设计的导引结构1，按照上述参数确定的位置放置在Clark-y翼型上部，如图1所示，其中弦长C为70mm，攻角为8度。边界条件：速度进口，进口速度为10m/s，出口为压力出口，空化数为0.8。对导引结构1进行了空化性能预算，为了说明导引结构1的加载效果。
[0076]在本实施例的一个示例中，进行的导引结构1的空化性能预算；具体的，采用CFD技术（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）对有导引结构1和无导引结构1的叶片翼型2进行了空化性能数值模拟；以验证本实施例的有效性。图3和图4分别是流体绕过无导引结构和有导引结构的叶片翼型升力变化曲线；图5和图6分别是流体绕过无导引结构和有导引结构的叶片翼型阻力变化曲线；图7为无导引结构的叶片翼型在单个周期不同时刻的瞬时空化体积分数分布图；图8为有导引结构的叶片翼型在单个周期不同时刻的瞬时空化体积分数分布图。
[0077]从图3和图4中可以看出，无导引结构的叶片翼型升力曲线中，通过计算得出其平均升力为69.2N，有导引结构的叶片翼型升力曲线中，通过计算得出其平均升力为70.4N，由此可见，增加导引结构后并没有影响翼型的升力，反而会略增大升力。从图5和图6的阻力曲线来看，无导引结构的阻力约为8.74N，增加导引结构后阻力约为14.02N，增加导引结构后会增大叶片翼型的阻力。
[0078]如图7所示，从单个周期内的瞬时空化积分数分布来看，无导引结构的空化体积分数相对较大，空化从叶片前缘到叶片尾缘附近均有空化分布，空化现象相对较为严重，通过计算得知，其空化体积分数约为6.08×10 -6 m³。从图8来看，增加导引结构后，空化体积分数明显降低，空化主要出现在翼型尾缘附近，在导引结构上方存在少量空泡，通过计算得到其空化体积分数约为9.82×10 -7 m³。比较二者值的大小可以看出，增加导引结构后能够大幅度减少空化现象。
[0079]如图1所示，在另一个实施例中，一种水力机械，该水力机械包括：
[0080]叶片翼型2，该叶片翼型2包括叶片前缘、吸力面210、叶片尾缘和压力面220；
[0081]以及如上所述的导引结构1，该导引结构1设置在所述吸力面210靠近所述叶片前缘的上方。
[0082]这样，对于有导引结构1的水力器械，在叶片翼型2靠前位置设置导引结构1，当流体绕过叶片翼型2时，增加了低压区内流体的能量，使原低压区的压力高于当地流体的饱和蒸气压，这样即可控制空化，从源头上解决水力机械空化现象；并且无需额外消耗能源，环保、简单和耐用。
[0083]如图10所示，在另一个实施例中，一种导引结构的模拟方法，所述模拟方法包括：
[0084]步骤S100、确定水力机械的叶片翼型2；
[0085]其中的叶片翼型2可以在已建立好的叶片模型库中进行选型，在此不再详述。
[0086]步骤S200、根据叶片翼型2的几何参数建立仿真数据；
[0087]该叶片翼型2的几何参数包括：叶片前缘、吸力面210、叶片尾缘和压力面220的几何数据，例如叶片前缘的圆弧半径，吸力面210的曲面约束方程，可参考式（2）；压力面220的的曲面约束方程，叶片翼型2的弦长C，间隙d；等等。
[0088]步骤S300、拟合导引结构1，并将拟合出的导引结构1加载到叶片翼型2的仿真数据中；
[0089]其中，所述上骨线110为二元四次方程曲线，满足上式（2）；
[0090]所述下骨线120为二元二次方程曲线，满足上式（3）；
[0091]所述前缘圆弧线130记为R，R满足上式（4）；
[0092]例如：前缘圆弧线的R=1mm，叶片翼型的弦长C=70mm，满足R/C约等于0.014；得到的导引结构如图9所示。
[0093]步骤S400、设定边界条件，进行流体流动的仿真模拟，并根据模拟结果优化所述导引结构。
[0094]一个示例中，边界条件：速度进口，进口速度为10m/s，出口为压力出口，空化数为0.8；以便进行空化性能预算。
[0095]在步骤S300中，所述拟合导引结构，并将拟合出的导引结构加载到叶片翼型的仿真数据中的步骤，包括：
[0096]根据所述叶片翼型的几何参数，确定导引结构的前缘圆弧线、上骨线和下骨线；
[0097]根据确定的前缘圆弧线、上骨线和下骨线，仿真出导引结构；
[0098]选定导引结构与叶片翼型的第一配合关系；
[0099]根据该第一配合关系，将导引结构加载到叶片翼型的仿真数据中。
[0100]而将拟合出的导引结构1加载到叶片翼型2的仿真数据中，导引结构1与叶片翼型2间的第一配合关系可以是：
[0101]所述导引结构1的前缘与叶片前缘的距离为l 1 ， ；所述导引结构1的前缘与叶片翼型2的弦线之间的距离为l 3 ， ；所述上骨线110和下骨线120的末端的接合点与叶片翼型2的流体流动分离点A之间的距离为l 2 ， ；间隙d与叶片翼型2的弦长C的无量纲比值满足 ；如果确定了C，则导引结构1的关键参数也就确定，进而可确定导引结构1在叶片翼型2的相对位置，实现模拟或装配。
[0102]本发明实施例提供的一种控制水力机械空化的导引结构，并基于该导引结构提供了一种水力机械，及一种导引结构的模拟方法，有助于导引结构的设计、量产和工业化、转化应用；该导引结构1作用时，在叶片翼型2出现空化的位置稍前设置导引结构1，当流体绕过叶片翼型2时，增加低压区内流体的能量，使原低压区的压力高于当地流体的饱和蒸气压，这样即可控制空化，从源头上解决水力机械空化现象，不会额外消耗能源，且不会影响水力机械的性能。
[0103]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
[0104]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
