（流體機(jī)械及工程專業(yè)論文）軸流泵葉輪的改進(jìn)升力法設(shè)計及內(nèi)部流場計算.pdf

西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 軸流泵葉輪的改進(jìn)升力法設(shè)計及內(nèi)部流場計算 流體機(jī)械及工程專業(yè) 研究生張青指導(dǎo)教師宋文武 軸流泵廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域 提高軸流泵的研究和設(shè)計水平 對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及節(jié)約能源將產(chǎn)生重要的影響 要提高軸流泵效率 擴(kuò)大其工況范圍及提高其可靠性 必須對泵內(nèi)部流動進(jìn)行深入的研究 本文基于此 對傳統(tǒng)的軸流泵葉輪設(shè)計方法 升力法進(jìn)行進(jìn)一步研究 考慮流動邊界層以及葉輪輪緣間隙流動等的影響 對升力法模型進(jìn)行改 進(jìn) 提出改進(jìn)后的升力法模型 通過編程計算 用上述兩種方法分別對 z w x b 系列軸流泵葉輪進(jìn)行了水力計算與設(shè)計 并以z w x b l 2 0 0 軸流泵為 例采用c f d 技術(shù) 對設(shè)計完成的水力模型進(jìn)行了內(nèi)部流場分析與數(shù)值計 算 得到改進(jìn)升力法設(shè)計的水力模型的性能指標(biāo)較傳統(tǒng)升力法好 這充 分說明在考慮了葉片端部靠近外殼和輪轂等區(qū)域的實際流動 以及靜止 外殼壁面上的環(huán)狀邊界層流動 轉(zhuǎn)動葉片表面上的邊界層以及葉片端部 和外殼之間的間隙流動等的相互干涉等問題后 改進(jìn)的升力法設(shè)計的葉 輪葉片在葉端及葉根部分采用了加長前傾的扭曲形狀 從而有效地控制 外殼和輪轂表面上的環(huán)狀邊界層的發(fā)展及葉片負(fù)壓面上邊界層的分離 同時減少了葉片端部載荷 降低間隙流動的影響 使葉片的形狀更好地 與實際流動相符 改善了葉片之間的二次流動以及各種旋渦對流動的影 晌 從流動數(shù)值計算的結(jié)果來看 采用改進(jìn)升力法設(shè)計的軸流泵葉輪葉 片的效率要比傳統(tǒng)升力法設(shè)計的軸流泵效率 在各個工況下平均要高 1 5 左右 本文還對軸流泵葉輪葉片外緣間隙內(nèi)的流動進(jìn)行了計算 考查了間 隙分別為1 5 m m 和2 5 m m 時間隙中的流動情況 以及間隙的改變對葉輪 性能的影響 同時得到了各工況下葉片上的速度與壓力的分布規(guī)律 本文提出的改進(jìn)升力法設(shè)計軸流泵的模型是正確的 從而為軸流泵 設(shè)計提供了新的設(shè)計理念和方法 關(guān)鍵詞 軸流泵 改進(jìn)升力法 數(shù)值模擬 間隙流動 l 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 i m p r o v e dl i f t i n gd e s i g nm e t h o d a n di n t e r n a l f l o wf i e l dca l c u l a t i o no fa x i a lf l o wp u m p i m p e l l e r f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e z h a n gq i n g s u p e r v i s o r p r e f s o n gw e n w u a b s t r a c t a x i a lf l o wp u m ph a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d so ft h en a t i o n a l e c o n o m y i tw i l lh a v ea l li m p o r t a n te f f e c to nt h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a l e c o n o m ya n de n e r g ys a v i n gt oi m p r o v ei t sr e s e a r c ha n dd e s i g nl e v e l h 1o r d e r t oi m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ya n de n l a r g ei t sw o r k i n gc o n d i t i o nr a n g e t h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ei n t e m a lf l o wo ft h ea x i a lf l o wp u m pm u s tb ed o n e i n v i e wo ft h i s f u r t h e rs t u d yo nl i f t i n gd e s i g nm e t h o dw h i c hi st h et r a d i t i o n a l d e s i g nm e t h o do ft h ea x i a lf l o wp u m ph a sb e e nd o n e c o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo ft h eb o u n d a r y l a y e rf l o wa n dt h ew h e e lr i m c l e a r a n c ef l o w i m p r o v e dl i f t i n gd e s i g nm e t h o dh a sb e e np r o p o s e d h y d r a u l i cc a l c u l a t i o na n d d e s i g no ft h ez w x ba x i a lf l o wp u m pi m p e l l e rh a sb e e nd o n eb yp r o g r a m m i n g o ft h et w om e t h o d s t a k i n gz w x b12 0 0a x i a lf l o wp u m pf o rg r a n t e d w eh a v e d o n et h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h ed e s i g n e d h y d r a u l i cm o d e lw i t hc f d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h e h y d r a u l i cm o d e ld e s i g n e db yi m p r o v e df i r i n gd e s i g nm e t h o di s b e t t e rt h a n a n o t h e r a f t e rc o n s i d e r i n gt h em u t u a li n t e r f e r e n c ea m o n ga c t u a lf l o wo fb l a d e t i pn e a rt h ee n c l o s u r e w h e e lh u ba n da n n u l a rb o u n d a r yl a y e rf l o wo ft h es t a t i c e n c l o s u r ea n db o u n d a r yl a y e rf l o wo ft h er o t a t i n gb l a d es u r f a c ea n dc l e a r a n c e f l o wb e t w e e nb l a d et o pa n de n c l o s u r e l e n g t h e n i n ga n t ev e r s i o nt w i s ts h a p eo f t h ea x i a lf l o wp u m pi m p e l l e r b l a d et i pa n db l a d er o o td e s i g n e db yi m p r o v e d l i f t i n gd e s i g nm e t h o di sa d o p t e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ea n n u l a rb o u n d a r y t t 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 l a y e ro ft h ee n c l o s u r ea n dw h e e lh u bs u r f a c ea n dt h es e p a r a t i o no ft h eu p p e r b o u n d a r yl a y e ro fb l a d e sl o w e rp r e s s i n gh a v eb e e nc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y t h e l o a do ft h eb l a d et i pa n dt h ei n f l u e n c eo ft h ec l e a r a n c ef l o wh a v ea l s ob e e n d e c r e a s e d t h es h a p eo ft h eb l a d ei sc l o s e rt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n s e c o n d a r y f l o wb e t w e e nb l a d e sa n dt h ee f f e c to fv a r i o u sv o r t e x e so nt h ef l o wa r ea l s o i m p r o v e d t h er e s u l to ft h e f l o wn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h e e f f i c i e n c yo ft h ea x i a lf l o wp u m pi m p e l l e rb l a d ed e s i g n e db yi m p r o v e dl i f t i n g d e s i g nm e t h o di sh i g h e r1 5p e r c e n ta v e r a g e l yi ne a c hw o r k i n gc o n d i t i o nt h a n a n o t h e r c a l c u l a t i o no ft h ef l o wo ft h ea x i a lf l o wp u m pi m p e l l e rb l a d ew h e e l r i mc l e a r a n c eh a sa l s ob e e nd o n e t h e1 5i i l i na n d2 5m mc l e a r a n c eh a v eb e e n s e l e c t e d i t sf l o wa n dt h ee f f e c to ft h ec l e a r a n c e c h a n g e o ni m p e l l e r p e r f o r m a n c e h a v e b e e ns t u d i e d d i s t r i b u t i o nl a wo fv e l o c i t ya n dp r e s s u r eo ft h e i m p e l l e ri ne a c hw o r k i n gc o n d i t i o nh a sa l s ob e e no b t a i n e d i ts h o w st h a tt h em o d e lo fa x i a lf l o wp u m pd e s i g n e db yi m p r o v e d l i f t i n gd e s i g nm e t h o di sc o r r e c t i tp r o v i d e sn e wd e s i g nc o n c e p ta n dm e t h o do f a x i a lf l o wp u m p k e y w o r d s a x i a l f l o wp u m p i m p r o v el i f t i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c l e a r a n c e f l o w i i i 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 聲明 本人聲明 所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包括其他人已 經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得西華大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué) 位或證書而使用過的材料 與我同意工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說明并表示謝意 本學(xué)位論文成果是本人在西華大學(xué)攻讀碩士研究生期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下取 得的 論文成果歸西華大學(xué)所有 特此聲明 作者躲磬專川年歲月礦日 翩簽名私武沖朋仞日 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章概述 泵是使用最廣泛的通用機(jī)械之一 耗電量約占全國總電量的2 5 其中軸 流泵又占有相當(dāng)大的比例 在大中型水利工程及眾多的機(jī)電排灌站中 大部分 都使用了軸流泵機(jī)組 軸流泵的特點(diǎn)是流量大 揚(yáng)程低 主要用于農(nóng)田排灌 防洪排澇 城市給排水和跨流域調(diào)水工程 我國南方大部分地區(qū)江河縱橫 湖 泊遍布 汛期需要排水 遇旱需要灌溉 是使用軸流泵最多的地方 在農(nóng)田排 灌方面 小塊田地的灌溉采用可移動式小型軸流泵 防洪排澇則采用大中型軸 流泵 在水利建設(shè) 跨流域調(diào)水方面采用大型軸流泵 在電站建設(shè)中 電站冷 卻汽輪機(jī)冷凝用循環(huán)水采用軸流泵 其他如城市給水和排水 大型鋼鐵聯(lián)合企 業(yè)生產(chǎn)用水和船塢進(jìn)排水 淺水船舶的推進(jìn) 通常也采用軸流泵 設(shè)計一種高 質(zhì)量的軸流泵無疑是從節(jié)能上或是從效率的角度 都能給國家和社會帶來巨大 的經(jīng)濟(jì)效益 在全面改革的今天 圍繞價值 以最低的成本為目標(biāo) 設(shè)計出一 種經(jīng)濟(jì) 高效 安全 可靠 實用的泵 無疑是擺在泵業(yè)設(shè)計人員面前的一項 艱巨而有現(xiàn)實的任務(wù) 我國軸流泵葉輪水力模型的效率 從總體上比國外先進(jìn)水平低l 3 主 要原因是對軸流泵內(nèi)的真實流動現(xiàn)象研究不夠深入 設(shè)計方法不夠先進(jìn) 軸流 泵的葉輪葉片是軸流泵關(guān)鍵部件 他們對軸流泵葉輪葉片都是采用現(xiàn)有通常的 升力法或奇點(diǎn)分布法進(jìn)行設(shè)計 這些設(shè)計方法均未考慮到葉片端部靠近外殼和 輪轂等區(qū)域 靜止的外殼壁面上的環(huán)狀邊界層與轉(zhuǎn)動葉片表面上的邊界層以及 通過葉片端部和外殼之間的間隙流動相互干涉 以及葉片之間的二次流 形成 的包括分離在內(nèi)的復(fù)雜的非定常流動 產(chǎn)生的馬蹄形渦 泄露渦及尾渦等各種 旋渦 上述這些復(fù)雜流動因素 造成現(xiàn)有軸流泵水力模型效率偏低 水力損失 很大 本論文采用了改進(jìn)升力法設(shè)計軸流泵葉片 考慮了葉片輪轂區(qū)域的邊界 層流動和輪緣區(qū)域的間隙流動 提高了軸流泵的效率 1 1 課題來源及名稱 課題來源 自貢工業(yè)泵有限責(zé)任公司 課題名稱 z w x b 系列軸流泵的水力模型研究 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 2 課題研究的目的和意義 眾所周知 泵 鼓風(fēng)機(jī) 通風(fēng)機(jī)等葉輪機(jī)械是動力機(jī)械中非常重要的組 成部分 其中 軸流泵在國民經(jīng)濟(jì)各部門中占有非常重要的地位 特別是冶 金 石油化工 天然氣輸送 制冷 動力以及農(nóng)業(yè)灌溉等工農(nóng)業(yè)部門中獲得 了廣泛的應(yīng)用 因此 提高軸流泵葉輪效率以及提升軸流泵的設(shè)計水平 具 有重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益 而葉輪作為軸流泵的關(guān)鍵部件 其性能直接 影響著軸流泵的工作性能 因此軸流泵設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計出能保證各項 性能要求的高效率葉輪 在軸流泵輪緣區(qū) 間隙的存在導(dǎo)致葉輪頂端泄漏 形成間隙流動現(xiàn)象 i n o u e 8 1 對軸流式壓氣機(jī) 吳克啟 1 對斜流風(fēng)機(jī)葉輪出口流場 采用熱線風(fēng)速 儀進(jìn)行了深入的試驗研究 表明間隙流動對葉輪性能和出口流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很 大的影響 l a k s h m i n a r a y a n a 8 1 對軸流式壓氣機(jī)葉輪輪緣和輪轂區(qū)損失和葉 型損失進(jìn)行了研究 指出葉片頂部輪緣和輪轂區(qū)的損失既朝展向延伸 更朝 周向擴(kuò)展 以至影響整個通道 而由于間隙流場的測試工作相對困難 進(jìn)行 廣泛的試驗研究受到試驗條件限制 采用數(shù)值模擬方式準(zhǔn)確預(yù)測這些復(fù)雜流 動現(xiàn)象 逐漸成為新的研究途徑和手段 本論文為了考查軸流泵輪緣區(qū)域的 邊界層流動和輪轂區(qū)域的間隙流動現(xiàn)象 在不同頂端間隙條件下 基于n s 方程 采用標(biāo)準(zhǔn)k 一 湍流模型 及s i m p l e c 算法對軸流泵區(qū)域的邊界層流動和 輪轂區(qū)域的間隙流動特性進(jìn)行了數(shù)值研究 1 3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 我國軸流泵的發(fā)展走了一條由仿制到自主開發(fā)的道路 2 0 世紀(jì)6 0 年代初 我國開始生產(chǎn)軸流泵 當(dāng)時主要按蘇聯(lián)的水力模型進(jìn)行仿制 制造了葉輪直 徑為1 5 4 0 m m 的6 4 z l b 5 0 型泵 2 0 世紀(jì)7 0 年代末至8 0 年代初 我國研制了一 批優(yōu)秀的軸流泵模型 其水力性能己與當(dāng)時先進(jìn)國家軸流泵模型性能不相上 下 2 0 世紀(jì)9 0 年代以來 我國軸流泵產(chǎn)量逐年上升 至1 9 0 年代末基本上維持 在年產(chǎn)1 0 0 0 0 臺左右 生產(chǎn)的大中型軸流泵共計有4 0 多種型號 5 0 多種不同規(guī) 格 流量范圍q 0 0 2 5 6 0 m 3 s 揚(yáng)程范圍h 2 0 2 1 8 m 其中 屬于大型的 有1 0 多種型號 1 5 種規(guī)格 已經(jīng)能制造口徑d 4 5 0 0 m m 揚(yáng)程h 7 m 流量 q 5 7 5 m 3 s 的大型軸流泵 近年來 為滿足我國東部沿海地勢低洼地區(qū)排灌 2 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 業(yè)和 南水北調(diào) 東線工程的需要 國內(nèi)有關(guān)科研單位研制出了一系列比轉(zhuǎn) 速的軸流水力模型 同時進(jìn)行了大型低揚(yáng)程軸流泵裝置模型的開發(fā)研究 在 泵裝置的能量特性 空蝕特性方面取得了較大進(jìn)展 研制出了一批高比轉(zhuǎn)速 低揚(yáng)程軸流泵裝置新型式 如 軸伸式軸流泵 1 5 0 斜式軸流泵 4 5 0 斜式軸 流泵 豎井貫流泵等 其中 兩種斜伸式軸流泵均已在泵站投入運(yùn)行 情況 良好 1 0 1 0 泵的水力設(shè)計方法也取得了一些重大進(jìn)展 在國外 荷蘭 日本和 前蘇聯(lián)等國的大型軸流泵有很大發(fā)展 泵的設(shè)計制造技術(shù)水平較高 如荷蘭 大型軸流泵葉輪直徑d 3 6 m 設(shè)計揚(yáng)程h i 2 m 設(shè)計流量q 3 7 5m 3 s 配 套功率9 2 5 k w 齒輪變速傳動 1 0 1 在日本開發(fā)的最大口徑軸流泵中 電業(yè)社 研制的立式可調(diào)軸流泵 e l 徑3d 6 0 0 r n m q 3 5 4 5m 3 s 荏元制作所研制 的立式軸流泵 e l 徑d 4 6 0 0 m m q 5 0m 3 s 1 0 l 原蘇聯(lián)生產(chǎn)的軸流泵主要用于 調(diào)水工程 葉片不可調(diào)和可調(diào)型立式軸流泵 q 2 5 0 0 6 8 0 0 0m 3 f h 0 6 9 4 1 8 8 8 8 m 3 s h 4 2 2 2 m d 4 7 0 1 8 5 0 m m 1 0 1 美國g o u l d s 公司生產(chǎn)的臥式 軸流泵 口徑6 0 0 一1 4 0 0 m m q 2 9 0 3 5 0 0 0m 3 h 0 0 8 0 5 9 7m 3 s h 1 8 9 m 同時 臥式的貫流式軸流水泵也被開發(fā)出來1 1 0 1 2 0 世紀(jì)7 0 年代初 日本生 產(chǎn)了一種泵 電機(jī)功率1 3 0 0 k w 葉輪直徑d 4 2 m 流量q 4 0m 3 s 設(shè)計揚(yáng)程 h 2 6 m 原蘇聯(lián)和北歐也推廣這種泵 1 0 1 在二十世紀(jì)五六十年代 流體機(jī)械的設(shè)計基礎(chǔ)是由l o r e n t z 提出的通流 理論 即假定葉輪是由無數(shù)多 無限薄葉片組成 這樣就把葉輪內(nèi)的復(fù)雜三 維流動轉(zhuǎn)化為軸對稱流動 根據(jù)軸面流動規(guī)律的不同假設(shè)有一元理論和二元 理論以及三元理論的設(shè)計方法 其構(gòu)成流動理論的基礎(chǔ)是流動質(zhì)量守恒 動 量守恒 能量守恒 對于軸流式流體機(jī)械 基于圓柱層無關(guān)性假設(shè) 通常應(yīng) 用升力法 圓弧法 奇點(diǎn)分布法和保角變換法等平面葉柵設(shè)計方法進(jìn)行葉型 設(shè)計 升力法就是應(yīng)用機(jī)翼翼型的繞流特性并依據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正的 葉片設(shè)計法 這是最早用來設(shè)計軸流泵葉輪的設(shè)計方法 目前仍廣泛應(yīng)用 我國科技人員提出了軸流泵出口環(huán)量分布的設(shè)計方法 采用變環(huán)量設(shè)計是為 了適應(yīng)軸流泵內(nèi)實際流態(tài)的一種有效方法 其關(guān)鍵在于根據(jù)具體設(shè)計要求來 合理地選擇環(huán)量分布規(guī)律1 1 11 任意變環(huán)量設(shè)計 實質(zhì)上就是沿葉輪葉片徑向 的不等功設(shè)計 該種設(shè)計方法使用面還不廣 還需要進(jìn)一步積累和完善設(shè)計 經(jīng)驗 現(xiàn)階段我國工程設(shè)計中較多采用的仍是這些方法 而對于亞音速不可 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 壓縮流動的軸流式流體機(jī)械來說 葉輪的研究方法主要有 1 正問題 利用給定流體機(jī)械流場的幾何邊界條件 初值條件和適合流 場方程 求解流場分布 2 反問題 利用給定流場的流體參數(shù)分布 求解葉片的幾何參數(shù) 也就 是設(shè)計問題 3 雜交問題 利用給定部分幾何參數(shù)和部分物理參數(shù)分布 求解葉片另 一部分幾何參數(shù)和另一部分物理參數(shù) 4 最優(yōu)化問題 不給定幾何形狀 參數(shù)分布 而是給定一定的設(shè)計約束 達(dá)到最佳設(shè)計方案 z w x b 系列軸流泵系軸流式蒸發(fā)循環(huán)泵 廣泛運(yùn)用于大流量 低揚(yáng)程 的地方 如真空制鹽蒸發(fā)強(qiáng)制循環(huán)泵 芒硝蒸發(fā)強(qiáng)制循環(huán)泵 氧化鋁蒸發(fā)系 統(tǒng)強(qiáng)制循環(huán)泵等 還可用于大型輸水工程 其輸送介質(zhì)溫度在0 18 0 c 之 間 流量范圍q 5 6 0 1 2 2 0 0 0 m 3 h 揚(yáng)程范圍為h i 5 6 m 它與蝸殼軸流 泵相比 1 在結(jié)構(gòu)上具有自身的特點(diǎn) 例如采用懸臂彎管式結(jié)構(gòu) 懸掛式安 裝 無泵基礎(chǔ) 管線上無膨脹節(jié) 泵軸采用對焊或包覆工藝 滿足傳動強(qiáng)度 和耐磨蝕性能要求 零部件的安裝 拆卸均方便 泵運(yùn)行可靠 整機(jī)壽命高 振動小 噪音低等 而對z w x b 系列軸流泵葉輪的設(shè)計研究主要是采用升力 法來進(jìn)行的 沒有考慮葉片輪緣和輪毅對液流的影響 也沒有對輪緣處間隙 的大小對泵效率的影響進(jìn)行研究 1 4 本課題的主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 課題內(nèi)容 對傳統(tǒng)的軸流泵葉輪設(shè)計方法一升力法進(jìn)行進(jìn)一步研究 考慮流動邊界 層以及葉輪輪緣間隙流動等的影響 對升力法模型進(jìn)行改進(jìn) 提出改進(jìn)后的 升力法模型 對z w x b 系列軸流泵進(jìn)行葉輪水力模型的設(shè)計 再利用流動分 析軟件f l u e n t n u m e c a 進(jìn)行流動模擬 以驗證改進(jìn)的升力法模型的正確性 同時考查葉輪輪緣間隙的改變對軸流泵性能 流動以及壓力等的影響 途徑及技術(shù)路線 1 傳統(tǒng)升力法設(shè)計軸流泵葉輪的設(shè)計思想 4 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 2 研究邊界層及葉輪間隙處的流動情況以及它們對泵性能的影響 3 考慮流動邊界層以及葉輪輪緣間隙流動等的影響 對升力法模型進(jìn)行 改進(jìn) 提出改進(jìn)后的升力法模型 4 應(yīng)用升力法模型和改進(jìn)的升力法模型設(shè)計計算z w x b 系列軸流泵葉 輪的水力模型 5 具體以z w x b l 2 0 0 泵為例 利用g a m b i t 等軟件建立該泵的幾何模型 在n u m e c a 軟件的i g g o m 模塊中進(jìn)行幾何模型處理和采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng) 格進(jìn)行網(wǎng)格劃分 并在 m e c a 軟件的f i n e 模塊進(jìn)行流動模擬 最后運(yùn)用其后處理模塊c f v i e w t m 對計算結(jié)果進(jìn)行軸流泵性能 流動 以及壓力等的分析比較 驗證改進(jìn)升力法模型的正確性 同時考查葉 輪輪緣間隙的改變對軸流泵性能 流動以及壓力等的影響 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章軸流泵葉輪水力設(shè)計 實際工程中應(yīng)用的軸流泵葉片的設(shè)計理論都是二維流動理論 二維流動 理論的計算假定是 1 流體是不可壓的理想流體 運(yùn)動是定常的 2 流動是軸對稱的 3 液體的絕對運(yùn)動無旋 4 流體在不同的圓柱形流面上運(yùn)動 即絕對 相對速度的徑向分速度為 零 5 軸向 面 速度為常數(shù) 2 1 平面葉柵奇點(diǎn)法設(shè)計理論 在均勻流場中 可以用布置在無厚度的翼型骨線上強(qiáng)度連續(xù)變化的奇點(diǎn) 一點(diǎn)渦來代替平面直列葉柵 點(diǎn)渦強(qiáng)度沿骨線的分布規(guī)律可以選擇 其數(shù)學(xué) 表達(dá)式中的若干系數(shù)由已知的繞翼型的環(huán)量確定 目前根據(jù)假設(shè)的骨線形狀 的不同 有2 種奇點(diǎn)法 1 圓弧骨線法 2 任意曲線骨線法 1 圓弧骨線法 設(shè)計軸流泵葉輪的圓弧法是圓弧骨線奇點(diǎn)積分法的簡稱 這種方法是用 圓弧薄翼型葉柵 用無限薄的圓弧組成的葉柵 簡稱圓弧葉柵 代替葉輪的翼 型葉柵 借助于繞流圓弧薄翼型葉柵的積分方程式的解 設(shè)計軸流泵葉片 圓弧薄翼型葉柵的幾何參數(shù)主要有四個 翼型的弦長 柵距t 柵中翼 型安放角尾和翼型曲率角 表示圓弧曲率大小的角度 從圓弧的末端作圓 弧的切線 該切線與翼弦之間的夾角即為曲率角口 在圓弧骨線法中 研究者已經(jīng)根據(jù)葉柵流動解 做出了兩類曲線族供設(shè) 計者使用 一類是由葉柵稠度倒數(shù)t l 為橫坐標(biāo) 以翼型安放角履為參數(shù) 以r l 眈z 萬為縱坐標(biāo)表示的曲線族 其中r 1 為繞一個翼型的環(huán)量 萬為圓弧 7 骨線的曲率角 骨線的拱度與曲率角的關(guān)系為 廠 三 二 竺墮 2 1 2s i n 萬 該曲線族用于計算骨線拱度 另一類是以骨線曲率角艿為橫坐標(biāo) 以葉 柵稠度倒數(shù)t l 為參數(shù) 以沖角口為縱坐標(biāo)表示的曲線族 該曲線族主要用于 計算沖角口 得到?jīng)_角后重新計算翼型安放角盧 盧 口 交替運(yùn)用這兩族 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 曲線 直到翼型安放角尾變化很小為止 骨線確定后加厚骨線 就得到了葉 片剖面 2 任意曲線骨線法 在任意曲線骨線法中 先假設(shè)骨線為直線 在骨線上等距離選7 個計算點(diǎn) 或控制點(diǎn) 然后計算所有點(diǎn)渦在這計算點(diǎn)的誘導(dǎo)速度 計算點(diǎn)的速度等于虬 與誘導(dǎo)速度的矢量和 合成后的速度應(yīng)與骨線相切 根據(jù)該條件得到7 個關(guān)于 計算點(diǎn)流動角的線性方程 求解對應(yīng)的線性方程組 可以到7 個計算點(diǎn)的流動 角 從而得到新的葉片骨線 重復(fù)上述過程 直到骨線形狀變化很小為止 骨線形狀確定后 用一定的厚度分布規(guī)律加厚骨線 就得到了翼型剖面n 副 奇點(diǎn)法通過點(diǎn)渦強(qiáng)度分布規(guī)律來控制葉片表面流速和葉片形狀 但是可 選擇的點(diǎn)渦強(qiáng)度分布規(guī)律很少 不靈活 不容易控制葉片形狀 所以奇點(diǎn)法 的應(yīng)用范圍受到限制 2 2 升力法設(shè)計理論 升力法是最早用來設(shè)計軸流泵葉輪葉片的方法 目前仍然廣泛采用 升 力法設(shè)計葉片的假定是 葉輪葉片數(shù)很少 在葉輪葉片柵中的液體繞流接近 于繞單個機(jī)翼的繞流 因而葉輪柵中翼型相互作用對繞流特性影響不大 根據(jù)上述假定 可以把軸流式葉輪葉片柵中的每一個翼型看作是孤立的 并應(yīng)用在風(fēng)洞中進(jìn)行單個翼型的試驗結(jié)果來設(shè)計葉片 但是上述假定具有一 定的近似性 為此 在設(shè)計中 根據(jù)經(jīng)驗資料 對流體繞流柵中翼型與單獨(dú) 機(jī)翼的差別進(jìn)行修正 所以 這種方法在很大程度上依賴于實驗數(shù)據(jù) 是一 個半理論半經(jīng)驗的方法 可利用平板直列葉柵的修正系數(shù)d 1 進(jìn)行修正 從其中查得修正系數(shù)l 則 p l p 三 2 2 式中p y l 單獨(dú)機(jī)翼翼型的升力系數(shù) p y 柵中翼型的升力系數(shù) i 一修正系數(shù) 在采用升力法設(shè)計葉片的過程中 要用到一些翼型的基本概念和流體動 7 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 力特性 2 2 1 翼型及其特性 1 翼型幾何參數(shù) 骨線 翼型上下兩邊中點(diǎn)的連線 翼弦 通過翼型后端點(diǎn)d 和 翼型中線與前端交點(diǎn)c 的連線 z 稱為弦長 厚度 在垂直弦線方向翼 型上下邊間的距離 用萬表示 相對厚度 厚度和弦長之比 用占 表示 其中的萬通常指最大厚度 拱度 翼型骨線與弦線間的距離 用h 表示 相對拱度 拱度與弦長之比 用h 蘭表示 其中h 通常指 最大相對拱度 空氣動力沖角 繞流翼型不產(chǎn)生環(huán)量的來流方向與弦 間的夾角 用f 表示 沖角 無窮遠(yuǎn)來流 未受翼型擾動 方向與弦間 的夾角 用a a 表示 曲率角 翼型末端中線的切線與弦線間的夾角 用y 表示 f i g2 1p r o f i l eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s 圖2 1 翼型幾何參數(shù) f i g2 2p r o f i l ef o r c e 圖2 2 翼型受力 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 2 翼型動力特性 當(dāng)實際液體繞流單翼時 在翼型上產(chǎn)生作用力r 圖2 2 將該力分 解為兩個互相垂直的力 只 升力 垂直于來流方向 只 阻力 平行于來流方向 升力和阻力可分別用下式計算 2 0 c y l p i u o of 2 3 只 c x l p i j c of 2 4 二 式中 無窮遠(yuǎn)來流速度 未受翼型影響的速度 p 繞流翼型液體的密度 c 們 單翼的升力系數(shù) c 單翼的阻力系數(shù) e c 們的大小和翼型幾何參數(shù) 來流的沖角及雷諾數(shù)有關(guān) 對每一種 翼型 這些系數(shù)值均可通過風(fēng)洞試驗確定 并將試驗結(jié)果畫成e c 與 沖角的關(guān)系曲線 稱為翼型的動力特性曲線 因此每種翼型均帶有本身的特 性曲線 有時將c y f a a 和e f a a 曲線綜合為一條曲線 稱為翼型的極線 圖 曲線上的每一點(diǎn)注有對應(yīng)的沖角a a 每種翼型也均有本身的極線圖 升力系數(shù)c y 和阻力系數(shù)e 比值最大的區(qū)域稱為最高質(zhì)量區(qū) 設(shè)計時所選用 的沖角 最好位于最高質(zhì)量區(qū) 以提高泵的效率 合力與升力之間的夾角兄 圖 2 2 稱為升力角或滑翔角 此角越小升力越大 阻力越小 翼型質(zhì)量越高 t g z c l cv 1 2 2 2 常用翼型資料 目前 設(shè)計軸流泵多借用航空翼型 其中有的翼型沒有空蝕特性資料 所以對于空蝕性能難以預(yù)測 一 翼型資料應(yīng)包括的內(nèi)容 1 翼型厚度變化規(guī)律坐標(biāo) o 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 2 動力特性 e c 們和沖角及幾何參數(shù)的關(guān)系 曲線或公式 3 估算空蝕系數(shù)的曲線或公式 4 修正單翼和柵中翼型差別的曲線或公式 二 常用翼型如下 1 哥丁根 g o t t i n g e n 翼型 這是1 9 2 1 年在德國哥丁根試得的 翼型資料見參考文獻(xiàn)t 3 1 2 b h f m 翼型 這是全蘇水力機(jī)械研究所專為水力機(jī)械研制的翼型 翼型資料見參考文 獻(xiàn)t 7 l 3 n a c a 4 4 0 6 4 4 1 5 翼型 這是美國航空咨詢委員會研制的翼型 數(shù)字的含義是 第一位數(shù)字4 表 示翼型的最大相對拱度為4 第二位數(shù)字4 表示翼型最大厚度處離前緣的 距離為弦長的十分之四 即4 1 0 后兩位數(shù)字表示最大的相對厚度的百分?jǐn)?shù) 6 1 5 4 7 9 1 翼型 該翼型的動力特性可借用r a f 6 翼型資料進(jìn)行估算 生產(chǎn)實踐 證明該翼型具有較好的效率和抗空蝕性能 該翼型也可以作為圓弧翼型使用 對于葉輪直徑3 0 0 m m 模型葉片 翼型頭部圓角半徑 0 2 o 5 m m 尾 部r 2 o 1 5 0 4 r a m 大泵按工藝條件確定 5 圓弧翼型 圓弧翼型的骨線為一段圓弧 骨線半徑按下式計算 r 2 去 2 r 一 2 2 5 二 r 蘭 旦 2 6 8 j i z2 式中卜一弦長 矗 拱度 翼型特性可借用下式估算 該式也可用來估算一般翼型的特性 q l o 1 a 口 l o 粵 口的單位為 1 2 7 l o 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 f 西 0 0 1 2 0 0 2 魚 0 0 8 魚 2 8 fz 6 翼型選擇的原則 1 翼型資料應(yīng)完整 準(zhǔn)確 2 根據(jù)不同要求 如對空蝕有無特殊要求等 選擇不同的翼型 3 采用的沖角最好位于最高質(zhì)量區(qū) 4 翼型的動力特性曲線是對應(yīng)一定的相對厚度 拱度 得到的 所用 翼型與其不同時 翼型動力特性發(fā)生變化 這時可按表示翼型特性的公式進(jìn) 行修正 2 2 3 升力法設(shè)計軸流泵葉輪葉片的基本方程式 要保證能量轉(zhuǎn)換 泵的性能參數(shù) q h n 應(yīng)與葉片的幾何參數(shù)之間 有確定的關(guān)系 繞流葉柵中的翼型由于翼型的相互影響 和繞流單獨(dú)翼型的特性不完全 相同 柵中翼型的升力 阻力和單翼類似 用下式表示 e q 戶車f 2 9 w 2 只 cx p 詈f 二 式中 q 柵中翼型的升力系數(shù) q 柵中翼型的阻力系數(shù) 2 1 0 w 曲 無窮遠(yuǎn)來流的相對速度 將用r 和r d r 圓柱面所截得的流面層展開成厚度為d r 的微元葉柵 在 柵中翼型上作用的合力r 液體對翼型的作用力 可分解為升力p 和阻力只 因為液體對翼型的作用力和翼型對液體的作用力大小相等方向相反 因此可 以用r 力來計算葉柵對液體所做的功率 葉柵單位時間內(nèi)對液體作的功應(yīng)當(dāng)?shù)扔诹鬟^葉柵的液體單位時間內(nèi)所獲 得的能量 單位時間內(nèi)d r 微元葉柵對液體所做的功率為 1 1 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 d p r u u z 2 1 1 單位時間內(nèi)流過微元葉柵的液體所獲得的能量為 d p p g h 坦 由此 r u g p g h d q h t r 強(qiáng)u u d z 主 一o o 由圖 r 哈力r 圓周分量 r u r c o s 9 0 0 一尾一兄 r s i n 3 t 允 只 k 上一 c o s 五 0 升力 對于微元葉柵可以寫成 q p 孚揪 l d r 由基本方程式 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 e 蘭 吃2 一 1 u a v 2 一吃1 2 1 8 g g 式中 皿 理論揚(yáng)程 流過微元葉柵的流量d q 可以寫成 a o 2 r c r d r z 枷 f 2 r r z 將r a o 表達(dá)式代入式 q q 案專27 l 駕 1 2 2 1 9 2 2 0 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 或 c 三 一一竺壘 2 7 v 2 9 記h t t m 元 21 t us i n f l 因 h u a v 2 2 2 g ks i n p o 2 2 3 則 c 三 2 7 v 2 k a gs i nf l o c o s a 2 24 ts i n p 4 戥 c j 2 a g 二l 一 2 o 一一 t 比l t 9 2 t g f l 上式是升力法設(shè)計葉片的基本方程式 它是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系而推得 方程式表示葉柵特性 c i t 允等 和液體運(yùn)動參數(shù) 凡 k 眈 之間的關(guān)系 因為泵的性能參數(shù) h q n 是泵內(nèi)運(yùn)動參數(shù)的外部表現(xiàn)形 式 所以基本方程式的實質(zhì)是泵性能參數(shù)和葉柵幾何參數(shù)之間的關(guān)系式 設(shè)計軸流泵葉片 必須滿足此方程方能保證能量轉(zhuǎn)換 但是可以用不同 葉柵的參數(shù)組合來實現(xiàn)規(guī)定的性能參數(shù) 其組合之好壞直接影響葉片的效率 和抗空蝕性能 升力法設(shè)計葉片的步驟是 選擇z 代入方程算出c y 將其修正為單翼 升力系數(shù) 有時近似認(rèn)為q q 而不加修正 由選擇翼型的特性確定沖角 a a 則葉片安放角為 成 口 或者與上述相反 給定沖角 口 按翼 型特性確定c 并修正 或不修正 到c 代入基本方程計算 f 總之 程序可以靈活掌握 最終只要滿足方程即可 采用傳統(tǒng)升力法模型 通過m a t l a b 編程計算 其計算程序如下 q q 1 3 6 0 0 h h 1 n n 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 d d l z z l 1 1 s 3 6 5 木n 棗s q r t q h 3 4 d h 0 4 7 d d 0 d 奉s q r t 1 0 4 7 2 e o 7 8 e v 0 9 6 e m 0 9 5 e h e e v 木e m q t q e v h t h e h t 2 0 0 1 2 0 0 1 5 d 木1 2 冰s q r t 1 5 半h 木1 0 0 0 r a t i o t 2 o 4 2 8 6 0 4 4 2 90 5 1 4 3o 6 0 0 0o 7 2 0 0o 9 1 4 3 1 0 0 0 0 t m a x r a t i o t 書f i x t 2 v m 4 木q p i 木e v 宰 d 2 一d h 2 r v m l 2 1 2 0 0 0 1 1 6 9 51 0 0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 01 0 3 0 5 1 0 6 8 7 v m l a v m l 木 r v m 2 2 1 1 2 0 6 1 0 5 0 41 0 0 0 01 0 0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 1 0 0 0 0 v m 2 鼉n m 2 木啪 v m a v v ml v m 2 2 r a t i o d 1 0 0 0 0 o 9 1 1 1 o 7 0 4 90 4 9 8 70 2 9 2 0o 1 2 5 8 0 d 2 d h r a t i o d 木 d d h d 一 h m l e n g t h d f o r i 1 m u i d i 幸p i 率3 2 5 6 0 e n d u f o ri l m v u 2 i 9 8 木h t u i e n d v u 2 f o r i m 1 4 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 b e t a w i a t a n v m a v i u i 一v u 2 i 2 e n d b e t a w b e t a w d b e t a w 宰1 8 0 p i f o ri l m w i n f i v m a v i s i n b e t a w i e n d w i n f l t o 5 3 6 o 5 8 9o 7 3 9o 8 9 51 0 511 1 4 2 1 2 0 7 f o ri l m t i d i 木p y z e n d t f o ri l m l i h i 木t i e n d l l a m d a 1 1 l 1 1 1 1 木p i 1 8 0 l a m d a d 1 1 l l 1 1 1 f o ri l m c y l t i 2 2 木v u 2 i w i n f i 宰 1 1 t a n 1 a m d a i t a n b e t a w i c y i c y l t i l t i e n d e y l t c y d e l t a 0 7 9 9 0 0 2 1 9 9 2 2 9 3 0 9 3 7 1 4 0 7 木p i 1 8 0 b e t a b e t a w d e l t a b e t a d b e t a 宰18 0 p i 設(shè)計的z w x b 系列軸流泵葉輪水力計算表如表2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 所示 1 5 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 表2 1z w x b 6 0 0 水力計算表 t a b2 1h y d r a u l i cc a l c u l a t i o nt a b l eo fz w x b6 0 0 d d x n 6 0 4 q 聊 d 2 一d y v 圪2 9 1 1 u 尾 t g 1 吒i u 一圪2 2 t d 瓦 z l t w 廁了麗麗 l c l i t c a 口 口 m m s m s m s m s m m s h 1 0 7 0 0 00 6 6 7 00 5 9 0 50 51 4 00 4 3 7 30 3 7 5 70 3 2 9 0 1 1 9 1 1 91 1 3 5 0 61 0 0 4 8 88 7 4 7 07 4 4 2 16 3 9 2 85 5 9 8 6 5 0 3 8 8 4 8 2 0 24 3 4 2 74 3 4 2 7 4 3 4 2 74 4 0 8 94 4 919 5 0 3 8 84 8 2 0 24 4 0 8 94 4 0 8 9 4 4 0 8 9 4 4 0 8 9 4 4 9l9 3 0 7 8 23 2 3 0 43 6 4 8 94 1 9 2 04 9 2 7 05 7 3 5 76 5 4 9 4 0 4 5 2 20 4 5 9 70 4 8 5 80 5 7 8 40 7 17 3 0 8 9 6 41 0 9 3 4 0 5 4 9 80 5 2 3 90 4 6 3 80 4 0 3 7 0 3 4 3 5 0 2 9 5l0 2 5 8 4 0 5 3 6 00 5 8 9 00 7 3 9 00 8 9 5 0 1 0 5 1 0 1 1 4 2 01 2 0 7 0 1 1 5 3 1 91 0 8 6 3 49 3 0 0 57 9 4 3 3 6 6 0 6 4 5 6 4 4 85 0 5 7 4 0 2 9 4 70 3 0 8 60 3 4 2 70 3 6 1 30 3 6 1 00 3 3 6 90 3 1 1 9 0 5 1 5 30 5 7 4 50 7 5 9 61 0 2 8 01 4 6 2 32 0 0 4 22 5 6 6 8 0 9 6 1 5 0 9 7 5 31 0 2 7 81 1 4 8 6 1 3 9 1 4 1 7 5 5 02 1 2 6 6 0 0 1 3 90 0 0 0 30 0 3 4 70 0 4 0 00 0 5 3 90 0 6 4 80 0 7 1 0 0 4 3 8 30 4 6 0 10 5 2 0 50 6 1 8 40 7 7 1 20 9 6 1l1 1 6 4 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 加n 屹n h 西華大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 表2 3z w x b 8 0 0 水力計算表 t a b2 3h y d r a u l i cc a l c u l a t i o nt a b l eo fz w x b8 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l o 1 l 1 2 1 3 1 4 d u d r r n 6 0 4 q z t l d 2 一d 緲 圪2 g h u 尾 t g 一吒i u v2 2 t d 冗 z ln k 廁了i j 孑萬 l c l f t q 口 9 m0 9 0 0 00 8 5 7 60 7 5 9 20 6 6 0 9 0 5 6 2 30 4 8 3 00 4 2 3 0 m s1 5 3 1 5 31 4 5 9 3 71 2 9 1 9 91 1 2 4 6 29 5 6 8 48 2 1 9 37 1 9 8 2 m s6 2 3 1 85 9 6 1 45 3 7 0 95 3 7 0 95 3 7 0 95 4 5 2 85 5 5 5 4 m s 6 2 3 1 85 9 6 1 45 3 7 0 95 3 7 0 95 3 7 0 95 4 5 2 8 5 5 5 5 4 m s2 5 0 6 42 6 3 0 32 9 7 1 13 4 1 3 24 0 1 1 74 6 7 0 25 3 3 2 7 0 4 1 7 20 4 2 2 00 4 3 9 10 5 1 2 80 6 1 7 50 7 4 7 40 8 8 6 5 m 0 5 6 5 50 5 3 8 80 4 7 7 00 4 1 5 20 3 5 3 30 3 0 3 50 2 6 5 8 0 5 3 6 00 5 8 9 00 7 3 9 00 8 9 5 01 0 5 l o1 1 4 2 01 2 0 7 0 m s1 5 3 8 1 11 4 5