本申请涉及流体机械装置领域，具体而言，涉及一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器。
背景技术：
轴流式水力机械是一种非常重要的水力机械，其在大型调水、排涝灌溉、船舶推进、梯级电站及海洋能开发等方面均得到了广泛应用，在国民生活中发挥着巨大作用。在轴流式水力机械的转子流道中，旋转的转子部件和外缘的固定部件(泵壳或转轮室)之间不可避免地存在间隙，从而在叶顶附近形成复杂的漩涡结构即为叶顶间隙泄漏流，由于涡心处压力通常较低，此类流动往往会在涡心处诱发空化现象，形成叶顶间隙泄露涡空化，这是引发水力机械叶顶附近流场振动、噪声的关键因素，会显著恶化水力机械性能，例如会使泵的扬程和效率下降、水轮机的能量输出降低、推进器的推力特性受限等，甚至会严重危害水力机械的安全运行。
为此，研究者们开展了大量的研究以期控制叶顶间隙泄露涡空化现象，并且初步提出了一些具备一定积极效果的思路和方法。大体而言，这些方法可以分为两大类：主动式控制和被动式控制。主动式控制方法主要依据流动情况对控制部件的运行参数进行调控，以达到泄露涡空化的抑制目的，如主动式涡流发生器(主动调整涡流发生器的攻角等)、主动式通气控制(主动调整通入空气的流量等)等。主动式控制方法一般可以在较大的工况范围内均能产生较为理想的效果，但其主要缺点在于此类方法往往结构复杂且需要精心维护，难以在条件恶劣的实际工程中得到广泛应用。被动式控制方法则恰恰相反，被动式控制方法通常结构较为简单，可在恶劣的情况下可靠运行，但是由于此类方法设计时往往针对特定工况进行设计定型，因而对于非设计工况难以产生理想的空化抑制效果。被动式泄露涡空化控制方法因其结构简单、运行可靠，是比较有潜力的控制方法。但是现有的被动式泄露涡空化控制方法仅能对小间隙下的工况产生较为显著的控制效果，无法满足不同间隙大小特别是大间隙情况下的控制需求。
因此，需要一种可以在较大间隙范围内均能产生显著积极效果的叶顶泄露涡控制方法和结构。
技术实现要素：
本申请的目的在于提供一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，能够在大间隙范围内产生显著的梢涡抑制效果，且能够适应叶片的平直端面或弯曲端面。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例提供一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，安装于叶片的端面，其包括间隔布置的多个条形的凸缘及分别与各个凸缘连接的连接肋片，相邻的两个凸缘和连接肋片之间分别形成沟槽，各个凸缘与叶片的端面弦长呈30-90度角布置，凸缘的宽度为叶片的端面弦长的0.005-0.2倍；各个凸缘的一端与叶片的压力面边缘平齐，另一端伸出叶片的吸力面边缘且端部横截面为半圆形，各个凸缘半圆形一端端部的包络线为叶片端面外轮廓的等距放大线，且包络线和叶片端面外轮廓的距离为叶片的端面弦长的0.005-0.1倍。
在一些可选的实施方案中，凸缘的宽度为0.5-20mm。
在一些可选的实施方案中，凸缘的端部半径为其宽度的0.5倍。
在一些可选的实施方案中，包络线和叶片端面外轮廓的距离为0.5-10mm。
在一些可选的实施方案中，沟槽的宽度是叶片弦长的0.005-0.2倍。
在一些可选的实施方案中，沟槽的宽度为0.5-20mm。
在一些可选的实施方案中，连接肋片和/或凸缘上开设有至少一个安装孔。
在一些可选的实施方案中，凸缘和连接肋片由尼龙、铝合金、钢材中的至少一种制成。
本申请的有益效果是：本实施例提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，安装于叶片的端面，其包括间隔布置的多个条形的凸缘及分别与各个凸缘连接的连接肋片，相邻的两个凸缘和连接肋片之间分别形成沟槽，各个凸缘与叶片的端面弦长呈30-90度角布置，凸缘的宽度为叶片的端面弦长的0.005-0.2倍；各个凸缘的一端与叶片的压力面边缘平齐，另一端伸出叶片的吸力面边缘且端部横截面为半圆形，各个凸缘半圆形一端端部的包络线为叶片端面外轮廓的等距放大线，且包络线和叶片端面外轮廓的距离为叶片的端面弦长的0.005-0.1倍。本实施例提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器能够在大间隙范围内产生显著的梢涡抑制效果，且能够适应叶片的平直端面或弯曲端面。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器安装于平直叶片端面的第一视角的结构示意图；
图2为本申请实施例1提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器安装于平直叶片端面的第二视角的结构示意图；
图3为未安装实施例1提供凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在2mm间隙下的间隙泄漏涡空化情况；
图4为安装实施例1提供凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在2mm间隙下的间隙泄漏涡空化情况；
图5为未安装实施例1提供凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在7mm间隙下的间隙泄漏涡空化情况；
图6为安装实施例1提供凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在7mm间隙下的间隙泄漏涡空化情况；
图7为未安装实施例1提供凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在20mm间隙下的间隙泄漏涡空化情况；
图8为安装实施例1提供凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在20mm间隙下的间隙泄漏涡空化情况；
图9为本申请实施例2提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器安装于弯曲叶片端面的结构示意图。
图中：100、凸缘；110、连接肋片；111、安装孔；120、沟槽；200、叶片。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以下结合实施例对本申请的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图1和图2所示，本申请实施例提供一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，安装于叶片200的端面，叶片200的端面的弦长c为100mm，其包括沿直线方向延伸的连接肋片110及间隔布置且分别与连接肋片110中部连接的16个条形的凸缘100，相邻的两个凸缘100和连接肋片110之间分别形成沟槽120，连接肋片110沿叶片200的端面弦长方向延伸，各个凸缘100与叶片200的端面弦长的夹角β均为45度角，各个凸缘100的一端与叶片200的压力面边缘平齐，各个凸缘100的另一端伸出叶片200的吸力面边缘且端部横截面为半圆形；其中，凸缘100的宽度w1为10mm(叶片200的端面弦长的0.1倍)，凸缘100的半圆形端部的半径r为5mm，各个凸缘100半圆形端部的包络线为叶片200端面外轮廓的等距放大线，包络线和叶片200端面外轮廓的距离h为5mm(叶片200弦长的0.05倍)，沟槽120的宽度w2为10mm(叶片200的端面弦长的0.1倍)，连接肋片110的两端分别开设有一个安装孔111，凸缘100和连接肋片110均由铝合金制成。
本实施例提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器由连接肋片110及沿长度方向间隔连接于连接肋片110的16个凸缘100组成，且使相邻的两个凸缘100和连接肋片110之间分别形成位于连接肋片110两侧的30个沟槽120，该凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器使用时通过连接肋片110上开设的安装孔111和螺钉配合安装在叶片200的端面，使各个凸缘100的一端与叶片200压力面的外轮廓边缘平齐，另一端具有的半圆形端部凸出叶片200吸力面的外轮廓，并使各个凸缘100半圆形端部的包络线为叶片200端面外轮廓的等距放大线，包络线和叶片200端面外轮廓的距离h为5mm，能够有效的阻碍叶片200端部泄露涡和分离涡的融合，进而抑制叶片200顶端间隙泄露涡空化的发生，从而可以在不同间隙情况下均显著增大节流损失，阻碍叶片200顶端泄流从压力面到吸力面的运动，削弱叶片200顶端间隙泄露涡空化的强度。
将上述凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器安装于叶片200前后分别在小间隙(2mm)、中间隙(7mm)和大间隙(20mm)下放入瑞士洛桑联邦理工学院的空化水洞中进行观测，结果如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，图3为未安装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在小间隙下的间隙泄漏涡空化情况；图4为安装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在小间隙下的间隙泄漏涡空化情况；图5为未安装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在中间隙下的间隙泄漏涡空化情况；图6为安装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在中间隙下的间隙泄漏涡空化情况；图7为未安装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在大间隙下的间隙泄漏涡空化情况；图8为安装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200在大间隙下的间隙泄漏涡空化情况；对比图3和图4、图5和图6、图7和图8可见，加装本实施例提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器的叶片200后，能够显著的降低大、中、小间隙工况下叶片200顶端间隙泄漏涡空化得到了显著地抑制。此外还测试了各工况下安装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器前后叶片200升阻力特性的变化，结果表明加装凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器对叶片200升阻力特性的影响十分有限，可见加装本实施例的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器可在不影响叶片200水力性能的前提下大幅改善其叶顶间隙空化的效果。
实施例2
如图9所示，本实施例提供了一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其与实施例1提供的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器结构大致相同，区别在于，本实施例中，连接肋片110为弧形，且连接肋片110连接的凸缘100的数量为18个。该凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器安装于弯曲叶片的端面上。
在一些可选的实施例中，连接肋片110连接的凸缘100的数量还可以为5-10个、10-15个、15-20个或20个以上。在一些可选的实施例中，还可以在凸缘100上开设1个、2个、3个或3个以上的安装孔111；或者同时在凸缘100和连接肋片110上开设1个、2个、3个或3个以上的安装孔111。在一些可选的实施例中，还可以不开设安装孔111，需要使用时利用胶水将连接肋片110和凸缘100粘结于叶片200的端面上；在一些可选的实施例中，凸缘100和连接肋片110还可以使用尼龙、铜、钢材等材料制成。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
1.一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，安装于叶片的端面，其特征在于，其包括间隔布置的多个条形的凸缘及分别与各个所述凸缘连接的连接肋片，相邻的两个凸缘和所述连接肋片之间分别形成沟槽，各个所述凸缘与所述叶片的端面弦长呈30-90度角布置，所述凸缘的宽度为所述叶片的端面弦长的0.005-0.2倍；各个所述凸缘的一端与所述叶片的压力面边缘平齐，另一端伸出所述叶片的吸力面边缘且端部横截面为半圆形，各个所述凸缘半圆形一端端部的包络线为所述叶片端面外轮廓的等距放大线，且所述包络线和所述叶片端面外轮廓的距离为所述叶片的端面弦长的0.005-0.1倍。
2.根据权利要求1所述的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其特征在于，所述凸缘的宽度为0.5-20mm。
3.根据权利要求2所述的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其特征在于，所述凸缘的端部半径为其宽度的0.5倍。
4.根据权利要求1所述的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其特征在于，所述包络线和所述叶片端面外轮廓的距离为0.5-10mm。
5.根据权利要求1所述的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其特征在于，所述沟槽的宽度是所述叶片弦长的0.005-0.2倍。
6.根据权利要求5所述的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其特征在于，所述沟槽的宽度为0.5-20mm。
7.根据权利要求1所述的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其特征在于，所述连接肋片和/或所述凸缘上开设有至少一个安装孔。
8.根据权利要求1所述的凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制器，其特征在于，所述凸缘和所述连接肋片的制作材料包括尼龙、铝合金、钢材中的至少一种。
技术总结