KZ25-64-8型轴流式通风机的设计（全套含CAD图纸）
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SHELL“CWINDOWSNOTEPADEXEDCANSHUTXT“,VBNORMALFOCUSSHELL“EXPLORERDCANSHUDOC“,VBNORMALFOCUS买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985I摘要研究设计一个好的风机对节能有很重大的意义。合理的设计、选择和使用通风机，关系到矿井的安全生产和煤矿职工的身体健康，对矿井的主要技术经济指标也有一定影响。本设计查阅有关轴流式通风机设计的技术资料，严格执行相应的国家或国际标准，参照现有的在实际应用的轴流风机设计加工的图纸，对相应的尺寸、技术要求等取经验值。采用了目前国内外对于中、高压轴流式通风机设计中广泛应用的叶栅设计法进行叶片叶型的设计。引入了计算机辅助设计，专门编制了相应的计算机应用程序，来自动进行验算，最后直接得到计算结果。采用扭曲机翼型叶片，气动效率高，节能效果极为显著；叶片安装角度可调，可根据矿井生产的变化，随时调节风机状况。关键词轴流式通风机；动叶可调；计算机辅助设计；平面叶栅设计法买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985IIABSTRACTTHERESEARCHANDDESIGNAGOODFANOFTHEENERGYHASATREMENDOUSSIGNIFICANCEREASONABLEDESIGN,SELECTIONANDUSEOFAFAN,PUTAGREATIMPACTONTHEMINESSAFETYANDPHYSICALHEALTHOFMINERS,ASWELLASONTHEMINESMAINTECHNICALANDECONOMICINDICATORSTHEDESIGNOFAXIALFLOWFANDESIGNACCESSTOTECHNICALINFORMATION,STRICTIMPLEMENTATIONOFRELEVANTNATIONALORINTERNATIONALSTANDARDS,REFERENCETOTHEPRACTICALAPPLICATIONOFTHEEXISTINGAXIALFANDESIGNANDPROCESSINGOFTHEDRAWINGS,THESIZEOFTHECORRESPONDINGTECHNICALREQUIREMENTSFROMEXPERIENCETHEVALUEFORUSEATHOMEANDABROADINTHEDESIGNOFHIGHPRESSUREAXIALFANBLADEDESIGNWIDELYUSEDMETHODBLADEDESIGNTHEINTRODUCTIONOFCOMPUTERAIDEDDESIGN,SPECIFICALLYTHEPREPARATIONOFTHECORRESPONDINGCOMPUTERAPPLICATIONSTOAUTOMATICCHECKING,THEFINALRESULTSDIRECTLYUSINGTWISTEDAEROFOILBLADES,AERODYNAMICEFFICIENCY,ENERGYCONSERVATIONISTHEMOSTEFFECTIVEBLADEANGLECANBEADJUSTED,ACCORDINGTOCHANGESINMINEPRODUCTION,ADJUSTFANSTATUSATANYTIMEKEYWORDSAXIALFANBLADEADJUSTABLECOMPUTERAIDEDDESIGNCASCADEDESIGN买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985III目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111通风机综述1111通风机的分类1112通风机的主要参数2113通风机发展212轴流式通风机5121轴流通风机原理5122轴流通风机基本结构613毕业设计综述7131设计任务7132主要问题及解决方法8133设计成果及风机优点92方案选择1121主要结构方案比较1122方案的确定133设计计算1531设计计算过程15311主要结构参数的设计计算15312叶型参数的设计计算1832应用程序设计22321程序介绍23322程序主函数23323程序运行截图23买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985IV4强度校核2641动叶片结构设计2742支杆强度校核27421由离心力引起的应力27422由气流载荷力引起的应力32423强度校核3443叶轮结构设计3444轮盘强度校核35441支杆及螺母等质量及离心力的计算35442轮盘强度的校核3645应用程序设计38451程序介绍38452主程序38453程序运行截图3846校核结论395其他零部件设计4151集流器4152整流体和扩散筒42参考文献44致谢45附录一46外文翻译46附录二56部分程序代码及运算结果56买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985V买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985VI买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985VII买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985VIII买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098511绪论在煤矿井下开采时，不但煤层中所含的有毒有害气体（如等CH4、CO、H2、SCO2等）会大量涌出，而且伴随着采煤过程还会产生大量易燃易爆的煤尘；同时，由于地热和机电设备散发的热量，石井下的空气温度和湿度也随之升高。这些有毒的气体、过高的温度以及容易引起爆炸的煤尘和瓦斯，不但严重影响井下工作人员的身体健康，而且对矿井安全也产生了很大的威胁。因此，通风在煤矿生产作业中具有不可忽视的作用。矿井通风的主要动力是通风机。通风机是用于输送气体的机械，从能量的观点来看，它是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。可以说它是矿井的“肺脏”。其日夜不停地运转，加之其功率大，因此其能耗很大。据统计，全国部属煤矿主要通机平均电耗约占矿井电耗的16。风机用电约占全国发电量的10；另据1988年原冶金部的规划资料，我国金属矿山的风机用电量占采矿用电的30；钢铁工业的风机用电量占其生产用电的20；煤炭工业的风机用电量占全国煤炭工业用电的17。除此之外，输送气体的各种风机在冶炼厂的输送空气，工厂车间、居民住房、影剧院、宾馆以等的通风和降温方面也有广泛的应用。由此可见，风机节能在国民经济各部门中的地位和作用是举足轻重的。因此研究设计一个好的风机对节能有很重大的意义。所以合理的设计、选择和使用通风机，不仅关系到矿井的安全生产和煤矿职工的身体健康，而且对矿井的主要技术经济指标也有一定影响，并且对加快四化建设也有十分重要的意义。11通风机综述111通风机的分类买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709852通风机根据其气体流动方向不同，可以分为离心式、轴流式和混流式等类型。离心通风机工作时，动力机主要是电动机驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内，故又称径流通风机。轴流式通风机工作时，动力机驱动叶轮在圆筒形机壳内旋转，气体从集流器进入，通过叶轮获得能量，提高压力和速度，然后沿轴向排出。轴流通风机的布置形式有立式、卧式和倾斜式三种，小型的叶轮直径只有100毫米左右，大型的可达20米以上。混流通风机又称斜流通风机，在这类通风机中，气体以与轴线成某一角度的方向进入叶轮，在叶道中获得能量，并沿倾斜方向流出。通风机的叶轮和机壳的形状为圆锥形。这种通风机兼有离心式和轴流式的特点，流量范围和效率均介于两者之间。112通风机的主要参数通风机的性能参数主要有流量、压力、功率，效率和转速。另外，噪声和振动的大小也是通风机的主要技术指标。流量也称风量，以单位时间内流经通风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在通风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指通风机的输入功率，即轴功率。通风机有效功率与轴功率之比称为效率。通风机全压效率可达90。113通风机发展通风机已有悠久的历史，在国内外的得到了较快的发展，并取得了买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709853还多优秀的成果。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心通风机基本相同。1862年，英国的圭贝尔发明离心通风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为40左右，主要用于矿山通风。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心通风机，结构已比较完善了。1892年法国研制成横流通风机；1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100300帕，效率仅为1525，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。1935年，德国首先采用轴流等压通风机为锅炉通风和引风；1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机；旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、斜流通风机和横流通风机也都获得了发展。在当代经济发展过程中，由于风机属于在发电、化工等行业应用范围较广的通用机械，对国民经济具有重大影响，发达国家以及包括我国在内的发展中国家对风机产品的制造都很重视。世界上比较大的风机制造国主要有日本、德国、意大利、瑞士、美国等。比较大的风机制造商主要有日本的日立制作所、荏原制作所、三菱重工业株式会社、川屿重工业株式会社等；英国主要有詹姆斯豪登公司；德国有德马格德拉瓦透平机械公司和KKK公司；瑞士主要有苏尔寿公司等。风机方面，我国国情不同于工业发达国家，中小型风机是劳动力密集型产品，附加值较低，先进的工业国家不会再在技术和工艺方面大量投资，但仍在提高产品质量、降低成本、便于维护、环保四个方面注重对产品的改进。国外先进发达国家主要对技术含量高的离心、轴流压缩机等大型风机较为关注。一些著名厂商，如瑞士苏尔寿公司不但生产风买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709854机，还生产汽轮机、锅炉、大型柴油机等用于大型项目的设备。对于风机产品，国外公司在质量上注重于提高机械效率及延长使用寿命，向节约资源和节省能量方向发展；在成本上则加强新材料的研制，降低物耗，并注重整个系统总成本的降低；在维护上从部件的通用化、维护换件简易化向自动化、无需维修、节省人力方向发展；在环保方面，注重于谋求安全可靠、向低噪声、低振动等防公害技术方向发展。近几年我国风机生产企业通过加大科研投入，加强科研攻关和技术改造，采用新技术、新工艺、新材料努力开发适销对路产品，同时采用引进技术、与国外合作等方式发展高新技术产品，使我国风机行业企业在产品的标准化、系列化、通用化、大型化、高效、节能、低噪声等方面有了长足进步，出现了一大批处于国际先进水平的产品，缩短了与发达国家的差距。但就行业整体而言，一些历史长、包袱重的国有企业受资金、体制等因素困挠，技术水平较低。当前世界先进工业国家大型风机产品开发的主要特点是1以节能、节约资源为核心，提高单件效率和耐久性，进而提高整个系统的效率；2加强系统的自动化、事故警报系统的研制，节省维护、监控方面的人力；3为提高竞争能力，力求包括附属部件在内的产品标准化和组合化；4进一步加强了对低噪声、低振动技术的研究；5不断针对新的需要，开发新的产品；6在工艺上引进柔性制造系统，最大限度地提高产品生产的自动化程度。风机产品大多根据用户需要有不同特性要求，多属小批量生产，特买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709855别是一些大型风机产品甚至是单件小批生产，对工艺要求复杂。目前国内生产自动化程度很低，而国外通过研制和采用柔性制造系统，提高了生产的自动化程度。以美国为例，中小风机的生产已全部通过自动线完成，从工艺角度提高了产品质量，降低了产品成本。通风机未来的发展将进一步提高通风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流通风机代替大型离心通风机；降低通风机噪声；提高排烟、排尘通风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。12轴流式通风机121轴流通风机原理轴流式通风机原理是依靠叶轮旋转，叶片产生升力来输送流体，把机械能转化为流体能量。由于流体进入和离开叶轮都是轴向的,故称为轴流式风机。轴流风机属于高比转数，其特点是流量大，风压低。轴流式风机风压一般在450PA4500PA之间，主要用于矿井、隧道、船舰仓室的通买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709856风；纺织厂通风、工业作业场所的通风、降温；化工气体排送；热电厂锅炉的通风、引风；热电站、冶金、化工等冷却塔通风冷却。122轴流通风机基本结构图示1是轴流通风机的典型结构简图。气体从集风器1进入。通过叶轮2使气流获得能量，然后流入导叶8，导叶将一部分偏转的气流动能变为静压能，最后，气流通过扩散筒4将一部分轴向气流动能转变为静压能，然后从扩散筒流出，输入管路。叶轮和导叶组成级、轴流式通风机因压力较低，一般情况下都采用单级。低压轴流式通风机的压力在490PA以下，高压轴流式通风机的压力一般也在4900PA以下，因此，相对于离心式通风机而言，轴流式通风机具有流量大、体积小，压头低的特点。除上述的典型结构外，轴流通风机的型式和构造是多种多样的，小的轴流风机，其叶轮直径只有100多毫米，大的直径可有20多米。目前最大的轴流通风机的流量可达1500万M3/H。小型低压轴流通风机由叶轮、机壳和集流器等部件组成，通常安装在建筑物的墙壁或天花板上；大型高压轴流通风机由集流器、叶轮、流线体、机壳、扩散筒和传动部件组成。叶片均匀布置在轮毂上，数目一般为224。叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为1045，安装角越大，风量和风压越大。轴流式通风机的主要零件大都用钢板焊接或铆接而成。风机布置形式有立式、卧式和倾斜式三种。轴流通风机很多是电机直联传动的，也可通过其他装置进行变速传动。为了便于安装和维护，轴流风机广泛采用滚动轴承。由于叶轮强度和噪声等原因，轴流风机叶轮外径的圆周速度一速高时，将产生比离心风机大的噪声。现代轴流通风机的动叶或导叶常做成可调节的，即其安装角可调。这样不仅大大扩大了运行工况范围，而且显著提高了变工况下的效率，因此，买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709857其使用范围和经济性均比离心式风机好。尤其是近年来，动叶可调机构被成功地采用，使得轴流风机在大型电站（80万千瓦以上）、大型隧道、矿井等通风、引风装置中获得日益广泛的应用。此外，轴流风机还广泛应用于厂房、建筑物的通风换气、空气调节、冷却塔通风、锅炉鼓风引风、化工、风洞风源等方面。目前单级轴流通风机的全压效率可达90以上，带有扩散筒的单级风机的静压效率可达到80。一般轴流风机的压力系数较低，1，一般125150左右。这种级的效率078082。其常用于要求体积尽可能小的场合。2、叶轮后置后导叶如图21B所示这种方案在轴流通风机中应用最广，气体轴向进入叶轮，从叶轮流出的气体绝对速度尚有一定的旋转，如图22B所示，经过后导叶扩压整流后，使气体轴向流出。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098512其反应度1，一般为075090左右。这种级主要应用于压头较高的通风机，而效率也较高可达到082088，设计制造良好的甚至可达09。图22两种形式通风机的速度三角形3、叶轮前后均设置导叶如图21C所示，此方案前导叶使气流在叶轮进口产生旋绕，后导叶使叶轮出口气流整流后排出。这种方案其实是第一、二种方案的综合，其性能也是介于两者之间。其布置往往使叶轮进出口气流的绝对速度大小相等，而旋转方向相反，故而反应度1，这种风机的效率082085。4、两级轴流式通风机如图21D所示该方案一般是一个叶轮和一个导叶组成一级，也可以在第一级前设置导叶。在某些情况下，为了使风压较高，而径向尺寸较小，也可以采用两个叶轮中间加一个导叶的方法，这可以看作两极轴流式通风机的改造形式。总体来说两级风机效率较高，其中每一级叶轮单独工作时产生的风压之和都低于两级叶轮同时工作时风压的一半，这样通风机的寿命较高。本设计，在通风机方案选择过程中，主要是对以上四种形式进行考虑，根据经济性、可靠性等方面进行取舍。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098513图23表示了两种通风机级的特性对比。压力系数ERROR、流量系数ERROR及功率系数ERROR的特性对比。总体上来说，这四种方案各有特点，其适用范围也在一定程度上有重叠。由于轴流是通风机具体结构方案的选择问题比较复杂，在实际设计过程中，一般情况下需要根据制造厂商的现有生产技术具体情况以及通风机用户的特定的要求，参照相似条件下已有的典型产品的实际结构选择适当的结构，并在该结构的基础上予以改进。图23两种通风机特性比较1设置前导叶，2设置后导叶在进行方案选择的时候，也可以大致参考风机的比转数NS或压力系数ERROR进行。其方法大体如下当ERROR015025或NS208325（115180）时，可以采用叶轮加后导叶的结构；当ERROR025或NS145208（80115）时，可以采用前导叶加叶轮加后导叶的结构。22方案的确定买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098514通过查阅相关技术资料，参照与该设计题目所给条件相似的已经投入生产和使用的我国现有的典型轴流式风机的具体结构形式，综合以上所述结构的优点，经过思考以及与小组同学的讨论，最终决定采用电动机和叶轮直接联接的动叶可调式两级轴流式通风机。同时为了减少通风机的尺寸、降低成本，在对整体效果影响不大，并且可以满足设计要求的情况下，前级叶轮不设置导叶。除此之外，轴流式风机其他基本结构，如集流器、流线体、扩散器等都予以保留，并且按照国家相应的标准加以设计。采用这种方案，相比于其他几种形式，具有以下几个优点1两级轴流式通风机的形式，可以使每一级叶轮所承受的风压低于整个风机全压的一半，改善了叶轮的工作条件，这就大大提高了整个风机的寿命，并且效率较高，对于矿用产品而言，可以显著的降低总体成本；2采用动叶可调的形式，能够改变叶片的安装角，这就使该风机可以根据矿井的具体情况，调节通风机的运行工况，使通风机的适应范围更广；3采用电动机与叶轮直接联接的形式，相对于其他的结构形式，可以使通风机的整体稳定型更好，安装更方便。同时降低了装置的局部阻力，能够避免了传动装置损坏事故，消除了传动装置的能量损耗，在另一个方面上提高了风机装置效率。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985153设计计算通风机的核心部件是叶片，可以说这是体现通风机性能优劣的最为重要的结构。因此对于本设计而言，其设计计算的主体就是对叶片叶型的相关参数、对整个叶片的气动力特性进行计算、分析和优化。在设计叶型的结构形式时，采用了在当代轴流式通风机叶型设计过程中得到广泛应用，并且技术已经相对较为成熟的平面叶栅设计法。前面概述中已经提到，在设计计算过程中，由于必须初步满足圆周速度、轮盘强度、效率等因素的要求，以提高风机的可靠性能，需要对整个计算过程进行多次迭代验算。可知手工计算必然会浪费大量时间，降低了设计效率。因此，对于该计算过程，引入了计算机辅助设计，即应用VISUALBASIC语言编制了相应的应用程序，实现了该部分计算的自动化，极大地降低了该部分设计的难度，这也是本设计的一个突出亮点。该设计题目给定基本原始数据流量Q104M3/S全压P3960PA31设计计算过程311主要结构参数的设计计算该部分主要是根据第二章中选择确定的整体方案，通过选定合适的电动机型号，确定通风机实际的比转数，由此计算出满足要求的叶轮外径。通过查阅国家有关标准，查取合乎标准的叶轮外径DT、轮毂直径DH以及轮毂比。最后通过验算外圆周速度UT来确定以上计算结果的合理性。具体过程如下1选择电动机及转速买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098516预取风机效率082，传动装置效率M098，根据下式可以得到通风机实际轴功率（31）0M1PN可以求得KW520所需电动机功率可以根据下式进行求解，得N5381KW（32）0N其中K为富裕量系数，一般取K105115,本设计取K12计算出所需电动机功率后，由电动机产品样本，选择电动机型号并列出其主要参数功率N和转速N。207060504030801438343026218SNUK图31比转数与KU关系2计算比转数NS通风机的转数NS可以根据下式求出1/234SQNP（33）买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098517可以求出254SN3确定叶轮外径DT及轮毂比根据求解出的NS值，由下图中查出计算外径所涉及的参数KU。由下式求解DTUT74DKPN（34）根据国标GB323582选定标准的DT和DH，可得轮毂比DT/DH。特别指出对于矿用通风机主扇，其轮毂比根据经验一般为02507，大多为0507。求解得DT267M,取标准值DT25M,DH16M,0644计算外圆周速度及压力系数TUP35TT60DN计算出969M/STU一般情况下，最好使UT100M/S，受材料强度限制，一般要求UTMAX130M/S，通过外圆周速度大小，可以根据强度要求初步判断此方案是否符合要求，如果不满足要求，则需要返回重新选择电动机型号，再次计算。压力系数可以根据下式来求解36P2TPU可以求出0185求轴向速度ZC买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709851837Z2TH4CD可以求出359M/SZ312叶型参数的设计计算叶型参数设计目前在轴流式风机的设计中广泛应用的有两种方案，等环量设计法和变环量设计法。轴流通风机的级有无穷多个基元级所组成，实际上气流沿叶片高度任意半径处基元级的流动情况各不相同。不过它们之间有一定的内在联系，既遵循一定的变化规律。当气流沿半径变化时，其压力也发生变化，沿径向气体压力变化应与其离心力平衡。这种变化规律即所谓的径向平衡条件。根据这种理论，经过数学推导，可以得到在轴流通风机设计中得到广泛应用的气流沿叶高各基元级的速度与压力的变化关系式如下（具体推导过程可以参见参考资料1）38常数RCU其中R为基元级处半径，CU为气体于该基元级处的绝对速度于圆周速度方向分速度。在通风机中满足上式的基元级为等环量级，按照该原则来设计叶型即为等环量设计法。而变环量设计法一般式风机全压沿叶高方向增加，这样便于充分利用叶尖部分的圆周速度。对于两种方案可以依据以下原则来判定当轮毂比较大，叶片较短或压头较低时，可采用等环量设计；DD当轮毂比较小，叶片很长或压头很大时，由于按等环量设计的叶片通常相对扭角太大，加工比较困难，性能也很难保证。这时必须采用变环量设计。根据上述原则，结合本设计通风机叶轮基本结构参数结果，决定采用买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098519等环量法进行叶片叶型的设计。根据等环量设计要求，直接将叶片高度等分方向分为31个截面基元级，并且找出中间栅面，即几何平均截面。先对前级叶轮的中间基元级进行计算，以确定叶栅效率，然后将该效率作为整个叶片的效率进行设计计算。计算步骤如下1计算圆周速度U3960DN2计算扭速UC310U/P3计算C1在圆周方向的分量C1U由速度三角形可知，前级叶轮的0，后级叶轮的进口扭速1UIC就等于前级叶轮的出口旋绕速度，也等于前级叶轮的出口1UIC2I扭速。I2UI1IC4计算C2U同样，由速度三角形可知，前级叶轮的，后级叶轮的2UIIC。2UI0C5计算气流角3111U1ZARCTG3122U2ZRT其中1、2分别是叶栅进出口速度三角形中1、2的余角，M是买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098520的M余角。由于实际气流流经叶栅时有落后角，应对2进行修正。如无特殊说明的话，以下引用的公式所涉及到的角度直单位均为。313212TG08TARC9平均气流角可以根据下式来求解31412MTGARC6求负载系数CY31512MTGCOS7确定弦长B和叶片个数ZA、确定CY值。叶根处CY12，叶顶处CY07，最大不超过075。本设计中，叶根基元级CY取09，叶顶基元级CY取07，其余基元级按半径变化线性取值。B、选定值Z根据国内设计轴流风机的经验和数据，一般816，前后两级叶片Z数互为质数。对于矿用轴流式通风机而言，一般规律是，叶片数少，叶片宽，支杆直径大；叶片数多，叶片窄，支杆直径小。主扇1424；局扇6，7，8，9。前后级叶片数互为质数，一般后级叶片数略少于前级。推荐的常用叶片数，如表31所示轮毂比0304050607叶片数Z26486128161020表31推荐叶片数本设计中通风机前级叶片数Z16,后级叶片数Z15。C、计算栅距T买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098521316ZDTD、求弦长B317YCTT可知根据此种方法设计出的叶片应根部宽，顶部窄，是典型的扭曲机翼型叶片。同时此处所求得的弦长B为弯折以后的叶型弦长，不是原始叶型的中线长度。8验算效率先根据效率公式31822UZZM1SINCCWU319YTY08041DC32022UMZCW式中基元级圆周速度，单位M/S；取，UM9014本处中取3。根据上面级个公式可以解出/，返回预取效率处进行迭代计算直至|/|N2由此可知上述设计中，叶片核轮盘军满足强度要求，可以使用。其他具体结果，均于附录二中给出。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985435其他零部件设计本部分重点是对轴流式通风机的其他基本结构，包括集流器、整流器和整流罩（即流线体）、扩散筒，进行参数和尺寸设计。所有结果请参见附录二51集流器集流器的作用是湿气流在其中得到加速，在压力损失很小的情况下，保证进气速度场均匀。集流器对通风机性能影响很大，与无集流器的风机相比，设计良好的集流器可使风机的效率提高1015。集流器的形状一般为弧形，如图51示。其尺寸取为圆弧半径R025DT；（51）集流器外径DMAX1214DT；（52）集流器长度买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098544（0204DT；53COL52整流体和扩散筒为了使进气条件更为完善，降低风机的噪声，在叶轮或进口导叶前必须装置于集流器相适应的整流罩，以构成通风机的进出口气流通道，如图51示。试验表明，设计良好的整流罩可以使风机的流量提高10左右。整流罩的形状可以设计成半球形、椭球形或与整流体制造成流线体的形式。在本设计中，整流罩采用的是以轮毂直径为直径的半球体。轴流通风机在设置后导叶以后，其出口的动压仍然很大，约占全压的30以上。因此必须在级的后面安装扩散筒，以进一步提高风机的静压效率。本设计中，整流体和扩散筒均采用锥形筒的形式，便于制造而且效果较好。整流体前端径取轮毂直径，整个锥体锥角取5。扩散筒基本尺寸可以根据以下方法求解扩散筒的长度L可以按经验选择L1522D54其中，D扩散筒进口直径。由于后导叶出来的气流，其扭速很小，故通常认为气流是沿轴向流入扩散筒。为了保证气流在扩散筒中流动时流动损失较小，扩散筒的扩压度不能太大。若将轴流式通风机扩散筒的环形通道换算成当量圆锥，如图52示，以符号表示当量扩张角，则55LDTG234式中，、当量圆锥进出口直径；一般812。3D4买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098545买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098546参考文献1吴玉林,陈庆光通风机和压缩机M,北京清华大学出版社,2005,142002李庆宜通风机，北京机械工业出版社，1981，1141723商景泰通风机手册，北京机械工业出版社，19948，831304吴玉林等通风机和压缩机，北京清华大学出版社，20052，701205昌泽舟，安庆丰轴流式通风机实用技术，北京机械工业出版社，20053，801336刘鸿文材料力学第四版，北京高等教育出版社，20041，102557ALBERTRUPRECHTUNSTEADYFLOWANALYSISINHYDRAULICTURBOMACHINERYDGERMANYINSTITUTEOFFLUIDMECHANICSANDHYDRAULICMACHINERYUNIVERSITYOFSTUTTGART,1993,45568WJCALVERT,DETAILEDOWMEASUREMENTANDPREDICTIONSFORATHREESTAGETRANSONICFANJASMEJOURNALOFTURBOMACHINERY,1994,116298305买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098547致谢经过三个多月的紧张、忙碌却十分充实的工作，在张永超老师的直接指导下，毕业设计终于进入了尾声。这次设计可以说对大学四年所学到的专业知识进行了系统的整合和检验，使自己的综合能力得到了极大的提升。由于自己技术、经验和专业知识上不足以及缺少实际工作的历练，在毕业设计的过程中，遇到了很多单凭自己现在的水平所无法解决的问题，如果没有老师的指导、同学的帮助，我想我将无法成功的完成本次毕业论文的写作。首先，要感谢张永超老师的指导和帮助。他不仅在学术研究上兢兢业业，而且对本职工作具有高度的责任心，对学生更是关怀备至。在日常工作相当繁忙的情况下，他依然挤出比以有限的时间对我们进行详尽、耐心的指导。组织实习、讲解原理、分析设计方案、检查图纸、修改审阅论文文本正是在他卓有成效的教导中，我对于轴流式通风机的了解从无到有，从粗到细，从杂到精，也让我的知识的整合迈上了一个新台阶。另外我还要感谢张永建老师和陈庆光老师的帮助，他们渊博的学识，严谨的治学态度，同样让我受益无穷。其次要感谢小组的同学。在设计过程中，我们相互讨论，互相帮助，使各自的理论水平都得到了提高。在这个过程中，凸显出了集体力量的强大，集思广益的方法使自己的思维更严谨，思路跟开阔。最后要感谢山东科技大学的培养。学校优良的学风，良好的师资配置，齐备的软硬得按设施，给自己的学习和研究提供了很好的环境。在这四年的学习中，我的专业知识和综合能力得到了巨大的提升。可以预见，这必将会对我日后的工作、学习、生活中产生巨大而积极的影响。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098525UNSTEADYFLOWANALYSISINHYDRAULICTURBOMACHINERYALBERTRUPRECHTINSTITUTEOFFLUIDMECHANICSANDHYDRAULICMACHINERYUNIVERSITYOFSTUTTGART,GERMANYABSTRACTINTHEFIELDOFHYDRAULICMACHINERYCOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSCFDISROUTINELYUSEDTODAYINRESEARCHANDDEVELOPMENTASWELLASINDESIGNATTHATNEARLYALWAYSSTEADYSTATESIMULATIONSAREAPPLIEDINTHISPAPER,HOWEVER,UNSTEADYSIMULATIONSARESHOWNFORDIFFERENTEXAMPLESTHEPRESENTEDEXAMPLESCONTAINAPPLICATIONSWITHSELFEXCITEDUNSTEADINESS,EGVORTEXSHEDDINGORVORTEXROPEINTHEDRAFTTUBE,ASWELLASAPPLICATIONSWITHEXTERNALLYFORCEDUNSTEADINESSBYCHANGINGORMOVINGGEOMETRIES,EGROTORSTATORINTERACTIONSFORTHESEEXAMPLESTHEREQUIREMENTS,POTENTIALANDLIMITATIONSOFUNSTEADYFLOWANALYSISASSESSEDPARTICULARLYTHEDEMANDSONTHETURBULENCEMODELSANDTHENECESSARYCOMPUTATIONALEFFORTSAREDISCUSSEDINTRODUCTIONFORMORETHANADECADECOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSCFDISUSEDINTHEFIELDOFHYDRAULICMACHINERYINRESEARCHANDDEVELOPMENTASWELLASINTHEDAILYDESIGNBUSINESSEARLYSUCCESSFULDEMONSTRATIONSAREGIVENEGINTHEGAMMWORKSHOP1THEAPPLICATIONSARESTEADILYINCREASINGTHISISEXPRESSEDINFIG1,WHERETHEPERCENTAGEOFPAPERSDEALINGWITHCFDISSHOWN,WHICHWEREPRESENTEDATTHEIAHRSYMPOSIUMONHYDRAULICMACHINERYANDCAVITATIONSTARTINGWITHQ3DEULERAND3DEULERTODAYUSUALLYTHEREYNOLDSAVERAGEDNAVIERSTOKESEQUATIONSTOGETHERWITHAROBUSTMODELOFTURBULENCEUSUALLYTHEKMODELISUSEDITISCOMMONPRACTICETOAPPLYSTEADYSTATESIMULATIONS,THEUNSTEADINESSINCONSEQUENCEOFTHEROTORSTATORINTERACTIONSISADDRESSEDBYAVERAGINGPROCEDURESBYTHISMETHODACCURATERESULTSAREOBTAINEDFORMANYQUESTIONSINTHEDESIGNOFCOMPONENTSHOWEVER,DIFFERENTPROBLEMSINTURBOMACHINERYARISEFROMUNSTEADYFLOWPHENOMENAINORDERTOGETINFORMATIONONTHISPHENOMENAORSOLUTIONSTOTHEPROBLEMSANUNSTEADYFLOWANALYSISISNECESSARYTHISREQUIRESAMUCHHIGHERCOMPUTATIONALEFFORT,ROUGHLYAFACTOR510COMPAREDTOSTEADYSTATE,DEPENDINGOFTHEPROBLEMANDOFTHEDEGREEOFMODELINGASSUMPTIONSWITHTODAYSCOMPUTERSANDSOFTWARE,HOWEVER,UNSTEADYPROBLEMSCANBESOLVEDFIG1PERCENTAGEOFPAPERSATTHEIAHRSYMPOSIUMDEALINGWITHCFDTWOMAJORGROUPSOFUNSTEADYPROBLEMSCANBEDISTINGUISHEDTHEFIRSTGROUPAREFLOWSWITHANEXTERNALLYFORCEDUNSTEADINESSTHISCANBECAUSEDBYUNSTEADYBOUNDARYCONDITIONSORBYCHANGINGOFTHEGEOMETRYWITHTIMEEXAMPLESARETHECLOSUREOFAVALVE,THECHANGEOFTHEFLOWDOMAININAPISTONPUMP,ORTHEROTORSTATORINTERACTIONSTHESECONDGROUPAREFLOWSWITHSELFEXCITEDUNSTEADINESS,WHICHAREEGTURBULENTMOTION,VORTEXSHEDDINGKARMANVORTEXSTREETORUNSTEADYVORTEXBEHAVIOREGVORTEXROPEINADRAFTTUBEHERETHEUNSTEADINESSISOBTAINEDWITHOUTANYCHANGEOFTHEBOUNDARYCONDITIONSOROFTHEGEOMETRYTHERECANALSOOCCURACOMBINATIONOFBOTHGROUPSEGFLOWINDUCEDVIBRATIONS,CHANGEOFGEOMETRYCAUSEDBYVORTEXSHEDDINGALLTHESEPHENOMENACANTAKEPLACEINATURBINEORPUMPANDREQUIREDIFFERENTSOLUTIONPROCEDURESBASICEQUATIONSANDNUMERICALPROCEDURESINHYDRAULICTURBOMACHINERYTODAYUSUALLYTHEREYNOLDSAVERAGEDNAVIERSTOKESEQUATIONSFORANINCOMPRESSIBLEFLOWAREAPPLIEDCOMPAREDTOTHESTEADYSTATETHEMOMENTUMEQUATIONSCONTAINANADDITIONALTERMPRESCRIBINGTHEUNSTEADYCHANGE0XUXUXXP1XUUTUIJIJJIJIJIJIGF7GF7GF8GF6GE7GE7GE8GE6GF7GF7GF8GF6GE7GE7GE8GE61IJARETHEREYNOLDSSTRESSES,WHICHARECALCULATEDFROMTHETURBULENCEMODELTHECONTINUITYEQUATIONFORINCOMPRESSIBLEFLOWREADS0XUII2ANDDOESNOTCONTAINATIMEDEPENDINGTERMITHASTOBEEMPHASIZEDTHATTHEEQUATIONS1AND2BEHAVESDIFFERENTINTIMEANDINSPACEINSPACETHEYSHOWELLIPTICBEHAVIOR,THEREFORETHEYREQUIREBOUNDARYCONDITIONSONALLSURFACESINTIME,HOWEVER,THEYAREOFPARABOLICNATURE,WHICHMEANTHATTHEREISNOFEEDBACKFROMTHEFUTURETOTHEPRESENTORPASTBECAUSEOFTHATNOBOUNDARYCONDITIONSAREREQUIREDINTHEFUTURETHISISSCHEMATICALLYSHOWNINFIG2THISISTHEREASON,WHYTHETIMEDISCRETIZATIONISGENERALLYCARRIEDOUTINADIFFERENTWAYTHANTHESPATIALDISCRETIZATIONFORSPATIALDISCRETIZATIONUSUALLYAFINITEVOLUMEORAFINITEELEMENTAPPROXIMATIONISAPPLIEDFORTIMEDISCRETIZATION,HOWEVER,MOSTLYTHEFINITEDIFFERENCEMETHODISUSEDAFEWOFTHEMOSTPOPULARFINITEDIFFERENCEAPPROXIMATIONSARESHOWNINFIG3INADDITIONEXPLICITMULTIPOINTSCHEMESOFRUNGEKUTTATYPEORPREDICTORCORRECTORSCHEMESAREOFTENAPPLIEDFIG2BOUNDARYANDINITIALCONDITIONSFIG3TIMEDISCRETIZATIONSCHEMESITHASTOBEMENTIONEDTHATTHEEXPLICITMETHODSREQUIREARESTRICTIONOFTHETIMESTEPACCORDINGTOSTABILITYCRITERIACFLCRITERIA,WHICHDEPENDONTHELOCALVELOCITIESANDTHELOCALGRIDSIZETHEIMPLICITMETHODS,INCONTRARY,AREALWAYSSTABLE,THEREISNORESTRICTIONOFTHETIMESTEPITCANBECHOSENONLYACCORDINGTOTHEPHYSICALREQUIREMENTSINORDERTOOBTAINACCURATESOLUTIONSTHETIMEDISCRETIZATIONSHOULDBEATLEASTOF2NDORDER,SIMILARTOTHESPATIALDISCRETIZATIONOTHERWISEEXTREMELYSMALLTIMESTEPSWOULDBEREQUIREDTHEABOVEDESCRIPTIONOFTHEFLOWINTHEEULERIANCOORDINATESCANBEAPPLIEDFORUNSTEADYBOUNDARYCONDITIONPROBLEMSASWELLASFORSELFEXCITEDUNSTEADINESSHOWEVER,TOEXPRESSPROBLEMSWITHMOVINGGEOMETRIESINEULERIANCOORDINATESISMOREDIFFICULTATTHEMOVINGBOUNDARYALAGRANGIANDESCRIPTIONCANBEAPPLIEDVERYEASILYSINCETHEFLUIDPARTICLESCANBETRACEDBYTHISMETHODCOMBININGTHESETWOMETHODSANARBITRARYLAGRANGIANEULERIANALEMETHODCANBEUTILIZEDTHISMETHODISSUITABLEFORTHESOLUTIONOFPROBLEMSWITHMOVINGBOUNDARIESINTHEALEMETHODTHEREFERENCECOORDINATESCANBECHOSENARBITRARYINTHISREFERENTIALCOORDINATESYSTEMTHEMATERIALDERIVATIVECANBEDESCRIBEDASJEIJJRILIXT,XFWUTT,XFTT,XF3WITHTHECOORDINATESSCOODDINATEEULERIANXSCOODDINATELREFERENTIAXSCOODDINATELAGRANGIANXEIRILIANDWIREFERENCEVELOCITYTHEMOMENTUMEQUATIONSINTHEALEFORMULATIONCANBEWRITTENASFOLLOWS0XUXUXXP1XUWUTUIJIJJIJIJIJJIGF7GF7GF8GF6GE7GE7GE8GE6GF7GF7GF8GF6GE7GE7GE8GE64THEMOVINGOFTHEREFERENCESYSTEMWICANBECHOSENARBITRARYIFWIISEQUALTOZEROONEGETSTHEEULERIANDESCRIPTION,ONTHEOTHERHAND,IFWIISEQUALTOTHEVELOCITYOFTHEFLUIDPARTICLETHELAGRANGIANFORMULATIONISOBTAINEDTHECONVECTIVETERMINTHETRANSPORTEQUATIONSFORSCALARQUANTITIESCHANGESINTHESAMEWAYTHANINTHEMOMENTUMEQUATIONSTHISAPPLIESALSOTOTHEKANDEQUATIONSTHENUMERICALREALIZATIONOFMOVINGORCHANGINGGRIDSCANEITHERBEOBTAINEDBYDEFORMATIONOFANEXISTINGMESHINEACHTIMESTEPFORLARGEDEFORMATIONSTHISREQUIRESANAUTOMATICGRIDSMOOTHINGALGORITHMOREVENANAUTOMATICREMESHINGAFTERAFEWTIMESTEPSANOTHERMETHODISTHEUSEOFDIFFERENTEMBEDDEDGRIDS,WHICHCANMOVEAGAINSTEACHOTHERINTHISCASEASLIDINGINTERFACEBETWEENTHENONMATCHINGGRIDSISREQUIREDTHISPROCEDUREISSCHEMATICALLYSHOWNINFIG4FORTWODIFFERENTPROBLEMS,NAMELYROTORSTATORINTERACTIONANDVIBRATIONOFACYLINDERINAFLUIDINFENFLOSS,THECOMPUTERCODEDEVELOPEDATOURINSTITUTEATUNIVERSITYOFSTUTTGART,THESECONDAPPROACHISAPPLIEDTHEINTERFACEBETWEENTHEGRIDSISREALIZEDBYMEANSOFDYNAMICBOUNDARYCONDITIONS,WHEREDOWNSTREAMTHENODEVALUESVELOCITIESANDTURBULENCEQUANTITIESAREPRESCRIBEDANDUPSTREAMPRESSUREANDFLUXESAREINTRODUCEDASSURFACECONDITIONSABRIEFOVERVIEWONTHENUMERICALPROCEDURESISGIVENIN2,FORMOREDETAILSTHEREADERISREFERREDTO3,4ONEPOINTHASTOBEEMPHASIZEDSINCETHEUNSTEADYSIMULATIONSREQUIREASEVEREINCREASEOFCOMPUTATIONALEFFORTCOMPAREDTOSTEADYSTATESOLUTIONS,PARALLELPROCEDURESARENECESSARYINTHISCASETHEALEFORMULATIONWITHMOVINGGRIDSLEADSTOADYNAMICCHANGEOFCOMMUNICATIONBECAUSETHELOCATIONOFEXCHANGEBOUNDARIESVARIESWITHTIMEANDCANTHEREFORECHANGETHECOMPUTATIONALDOMAINOFTHEPROCESSORS,SEE2INFENFLOSSANIMPLICITSOLUTIONALGORITHMISAPPLIEDASALREADYMENTIONEDTHISHASTHEADVANTAGETHATTHEREISNOSTABILITYLIMITATIONFORTHETIMESTEPTHEOVERALLSOLUTIONPROCEDUREINCLUDINGTHEFLUIDSTRUCTUREINTERACTIONISSHOWNINFIG5IFTHEMOVEMENTOFTHEGRIDDOESNOTDEPENDONTHEFLOWSITUATIONTHEFLUIDSTRUCTURELOOPVANISHESFIG5FLOWCHARTOFFENFLOSSINCLUDINGFLUIDSTRUCTUREINTERACTIONFIG4MOVINGGRIDEXAMPLESAPPLICATIONSINTHEFOLLOWINGSELECTEDAPPLICATIONSARESHOWNANDTHESPECIFICPROBLEMSFORTHISEXAMPLESAREDISCUSSEDFIRSTLYSOMECASESWITHSELFEXCITEDUNSTEADINESSAREPRESENTEDVORTEXSHEDDINGATTHEINLETOFAPOWERPLANTPROBLEMDESCRIPTIONTHEFIRSTEXAMPLESHOWSTHEFLOWBEHAVIORATTHEINLETOFALOWHEADPOWERPLANTITISANEXISTINGPLANTWITHTWOIDENTICALBULBTURBINESDURINGOPERATIONTHEINNERTURBINESHOWEDSEVEREBEARINGPROBLEMSWHEREASTHEOUTERTURBINEOPERATESSMOOTHLYTHEREASONWASEXPECTEDTOBEVORTEXSHEDDINGATTHEINLETBYNUMERICALANALYSISTHEPROBLEMWASINVESTIGATEDANDITWASTRIEDTOFINDASOLUTIONTOTHEPROBLEMINFIG6THEGEOMETRYISSHOWNTHECALCULATIONHASBEENCARRIEDOUTIN2DASWELLASIN3DFIRSTLYITWASTRIEDTOCARRYOUTASTEADYSTATESIMULATION,HOWEVER,NOCONVERGEDSOLUTIONCOULDBEOBTAINEDTHEREFOREANUNSTEADYSIMULATIONWASUNDERTAKENTHERESULTSINDICATEASTRONGUNSTEADYMOTIONINFIG7THEVELOCITYDISTRIBUTIONATACERTAINTIMESTEPISPRESENTEDCLEARLYVISIBLEARETHEVORTICES,SHEDDINGFROMTHEINLETANDMOVINGDOWNSTREAMINTOTHEINNERTURBINETHISISTHEREASONOFTHEDESTRUCTIONOFTHEBEARINGSINORDERTOIMPROVETHEFLOWBEHAVIORAMODIFIEDGEOMETRYWASSUGGESTEDTHISGEOMETRY,SHOWNINFIG8,HASBEENBUILTINTHEMEANTIMETHEREARENOLONGERPROBLEMSWITHVORTEXSHEDDINGFURTHERDETAILSABOUTTHISAPPLICATIONCANBEFOUNDIN5,6DISCUSSIONTHEPHYSICALUNSTEADINESSOFTHEFLOWHASBEENINDICATEDBYTHEINABILITYTOACHIEVEACONVERGEDSTEADYSTATESOLUTIONTHISISVERYOFTENTHECASEWITHFLOWSSHOWINGVORTEXSHEDDINGINREALITYFIG6GEOMETRYOFPOWERPLANTINLETFIG7INSTANTANEOUSVELOCITYVECTORS,VORTEXSHEDDINGATTHEINLETPIERFIG8MODIFIEDGEOMETRYANECESSARYCONDITIONFORTHATIS,THATTHENUMERICALSCHEMEDOESNOTCONTAINSERIOUSARTIFICIALDIFFUSION,WHICHWOULDSUPPRESSTHEUNSTEADYMOTIONTHESAMEAPPLIESTOTHEUSEDTURBULENCEMODELTHESTANDARDKMODELUSUALLYPRODUCESATOOHIGHEDDYVISCOSITY,ESPECIALLYINSWIRLINGFLOWS,ANDTHEREFOREITVERYOFTENSUPPRESSESTHEUNSTEADYMOTIONTHISWILLBEDISCUSSEDAGAININOTHERAPPLICATIONSFORMANYCASESATLEASTASTREAMLINECURVATURECORRECTIONOREVENANONLINEAREDDYVISCOSITYFORMULATIONISNECESSARYINORDERTOAVOIDATOOHIGHTURBULENCEPRODUCTIONANOTHERPOINTINTURBULENCEMODELINGISTHETREATMENTOFTHENEARWALLFLOWITISWELLKNOWNTHATTHEUSEOFWALLFUNCTIONSUSUALLYTENDSTOPREDICTAFLOWSEPARATIONTOOLATEINCASEOFVORTEXSHEDDINGTHISCANCAUSEASEVEREREDUCTIONOFTHEVORTEXSIZESOREVENACOMPLETESUPPRESSIONOFTHEVORTICESMOREACCURATERESULTSCANBEOBTAINEDBYSOLVINGTHEFLOWUPTOTHEWALLIFPOSSIBLEBYALOWREYNOLDSORATWOLAYERMODELTHERESULTSSHOWNABOVEAREACHIEVEDBYANALGEBRAICTURBULENCEMODELBALDWINLOMAXTYPEWHERETHEFLOWISRESOLVEDUPTOTHEWALLVORTEXROPEINADRAFTTUBEPROBLEMDESCRIPTIONASANOTHERSELFEXCITEDUNSTEADYFLOWEXAMPLETHESIMULATIONOFAVORTEXROPEINADRAFTTUBEISSHOWNHEREASTRAIGHTAXISYMMETRICALDIFFUSERISCONSIDEREDTHEINFLOWCONDITIONSTOTHEDIFFUSERARECHOSENACCORDINGTOTHEPARTLOADOPERATIONOFAFRANCISTURBINETHISMEANSTHATTHEFLOWSHOWSASTRONGSWIRLCOMPONENTTHEINLETVELOCITYDISTRIBUTIONANDTHEGEOMETRYAREPRESENTEDINFIG9THEINSTANTANEOUSFLOWFORACERTAINTIMESTEPISGIVENINFIG10,WHEREANISOPRESSURESURFACEASWELLASTHESECONDARYVELOCITYVECTORSINTHREECROSSSECTIONSAREPLOTTEDCLEARLYTHECORKSCREWTYPEFLOWWITHANUNSYMMETRICALFORMISVISIBLE,ALTHOUGHTHEGEOMETRYANDTHEBOUNDARYCONDITIONSARECOMPLETELYAXISYMMETRICALFIG9GEOMETRYANDINLETCONDITIONSFIG10ISOPRESSUREANDSECONDARYFLOWOFAVORTEXROPEINFIG11THESECONDARYVELOCITYANDTHELOWPRESSUREREGION,WHICHREPRESENTSTHEVORTEXCENTER,ISSHOWNINTHECROSSSECTIONS,INDICATEDINFIG9,FORCERTAINTIMESTEPSCLEARLYTHEREVOLUTIONOFTHEVORTEXCENTERCANBEOBSERVEDTHIS,OFCOURSE,CAUSESPRESSUREFLUCTUATIONSANDTHEREFOREDYNAMICALFORCESONTHEDRAFTTUBESURFACEFIG11SECONDARYMOTIONANDLOWPRESSUREREGIONFORDIFFERENTTIMESTEPSDISCUSSIONCONCERNINGTHENUMERICALSCHEMEANDTHETURBULENCEMODELSTHEDISCUSSIONABOVEALSOAPPLIESHERE,EGAPPLICATIONOFTHESTANDARDKMODELLEADSTOASTEADYSTATE,SYMMETRICALSOLUTIONTHISISALSOREPORTEDIN7THERESULTSSHOWNABOVEAREACHIEVEDBYAPPLYINGTHEMULTISCALEKMODELOFKIM8TOGETHERWITHASTREAMLINECURVATURECORRECTIONTHISMODELSHOWSAMUCHLOWEREDDYVISCOSITYTHANTHESTANDARDMODEL,ESPECIALLYINSWIRLINGFLOWSTHEAPPLICATIONOFWALLFUNCTIONSDOESNOTGIVEANYPROBLEMSHERE,SINCETHEFLOWINSTABILITYHASITSORIGININTHECENTERANDISNOTAFFECTEDBYTHEPREDICTIONOFTHENEARWALLREGIONVORTEXINSTABILITYINAPIPETRIFURCATIONPROBLEMDESCRIPTIONINTHEFOLLOWINGANOTHERPROBLEMCAUSEDBYAVORTEXINSTABILITYISSHOWNITISAPIPETRIFURCATION,WHICHISESTABLISHEDINAPOWERPLANTINNEPALTHETRIFURCATIONDISTRIBUTESTHEWATERFROMTHEPENSTOCKTOTHETHREETURBINEUNITSTHEPROBLEMINTHISPLANTARISESFROMSEVEREFLUCTUATIONSOFTHEPOWEROUTPUTOFTHEBOTHOUTERTURBINESBYFIELDMEASUREMENTSTHETRIFURCATIONWASDISCOVEREDASTHEREASONFORTHEFLUCTUATIONSBYMEANSOFCFDANDBYMODELTESTS,CARRIEDOUTATASTROEINGRAZ,THEFLOWBEHAVIORSHOULDBEANALYZEDANDACUREOFTHEPROBLEMSHOULDBEFOUNDTHEGEOMETRYOFTHETRIFURCATIONISSHOWNINFIG12ITHASASPHERICALSHAPETHEFLUCTUATIONINTHETRIFURCATIONISCAUSEDBYASTRONGVORTEX,WHICHTENDSTOBEUNSTABLEITSKIPSBETWEENTHETWOSITUATIONS,SKETCHEDINFIG13INTHEMODELTESTSTHESECONDARYVELOCITYOFTHEVORTEXCOULDBEFOUNDTOBE30TIMESHIGHERTHANTHETRANSPORTVELOCITYTHEREASONISTHATATTHETOPOFTHESPHERETHEREISENOUGHSPACEFORAHUGEVORTEXTOFORMTHISVORTEXCONCENTRATESINTHESIDEBRANCHESANDTHEREFOREINCREASESTHESWIRLINTENSITYBECAUSEOFTHISSTRONGSECONDARYMOTIONTHEREARESTRONGLOSSESATTHEINLETOFTHEBRANCH,WHICHREDUCESTHEHEADOFTHETURBINEANDTHEREFORECAUSESTHEREDUCTIONOFPOWEROUTPUTDURINGTHEPROJECTITWASTRIEDTOOBTAINTHEUNSTEADYBEHAVIORBYAKSIMULATIONONRELATIVELYCOARSEGRIDS200300000NODESHOWEVER,THESECALCULATIONSDIDNOTSHOWTHEVORTEXINSTABILITYMERELYAVORTEXFORMSWHICHEXTENDSFROMONESIDEBRANCHTOTHEOTHERTHESWIRLINTENSITYWASUNDERPREDICTEDBYMORETHANAFACTORFIVEBECAUSEOFTHELOWSWIRLRATETHEVORTEXISCOMPLETELYSTABLEANDHASNOTENDENCYOFSKIPPINGBETWEENDIFFERENTSTATIONSEVENBYADYNAMICALEXCITATIONCAUSEDBYCHANGESOFTHEOUTLETBOUNDARYCONDITIONOFONEBRANCHTHEPREDICTEDVORTEXDIDNOTCHANGEITSPOSITIONONLYWHENAPPLYINGFINERGRIDSANDANOTHERTURBULENCEMODELTHEPREDICTEDSWIRLINTENSITYCOULDBEINCREASEDHEREANALGEBRAICTURBULENCEMODELWITHALIMITATIONOFTHEEDDYVISCOSITYISAPPLIEDTHEUSEDGRIDSCONSISTSOFABOUT500000NODESASACONSEQUENCETHISLEADSTOANINSTABILITYOFTHEVORTEXINTHEPREDICTIONTHEVORTEXSKIPSBETWEENTHETWOSTRUCTURESSHOWNINFIG14ONEOFTHESESTRUCTURESCORRESPONDSQUITEWELLWITHTHESTRUCTUREOBSERVEDINTHEMODELTESTSINTHESECONDSITUATIONTHEVORTEXEXPENDSFROMONESIDEBRANCHTOTHEOTHERTHISCOMPLIESWITHTHEABOVEMENTIONEDSTABLERESULTSTHECALCULATEDSWIRLINTENSITYISSTILLMORETHANTWOTIMESLOWERCOMPAREDTOTHERESULTSOFTHEMODELTESTSTHEREFOREFURTHERINVESTIGAFIG12GEOMETRYOFTHETRIFURCATIONFIG13VORTEXSTRUCTURETIONSWITHOTHERTURBULENCEMODELSANDWITHFINERGRIDSARENECESSARYANDWILLBECARRIEDOUTINFUTUREFIG14PREDICTEDVORTEXSTRUCTURESFORCOMPLETENESSTHESOLUTIONTOTHEPROBLEMISSHOWNITCONSISTSOFTHEINSTALLATIONOFTWOPLATESINTHEUPPERANDLOWERPARTOFTHESPHERETHISISSHOWNINFIG15HENCENOFREESPACEISAVAILABLE,WHERETHEVORTEXCANFORMCONSEQUENTLYTHEINTENSITYOFTHEVORTEXISDRAMATICALLYREDUCEDANDTHEVORTEXISCOMPLETELYSTABLEINTHEMEANTIMETHERECONSTRUCTIONWASCARRIEDOUTANDTHEFLUCTUATIONOFTHEPOWEROUTPUTVANISHEDASABYPRODUCTTHELOSSESINTHETRIFURCATIONARESEVERELYREDUCED,WHICHRESULTSINANINCREASEOFPOWEROUTPUTOFAPPROXIMATELY5FURTHERDETAILSOFTHISPROBLEMCANBEFOUNDIN9,10DISCUSSIONASALREADYMENTIONEDTHECALCULATIONSUSINGTHEKMODELWERENOTSUCCESSFULITISWELLKNOWNTHATTHISMODELISNOTABLETOPREDICTHIGHLYSWIRLINGFLOWSACCURATELYTHEUNSTEADYMOTIONOFTHEVORTICESESPECIALLYOFVERYSLIMVORTICES,HOWEVER,VERYMUCHDEPENDSONTHESWIRLINTENSITYINORDERTOPRESCRIBESUCHTYPESOFFLOWWITHSUFFICIENTACCURACYITISNECESSARYTOHAVEHIGHLYSOPHISTICATEDTURBULENCEMODELSANDVERYFINEGRIDS,MAYBETHEONLYWAYTOACHIEVEITISTHEAPPLICATIONOFLARGEEDDYSIMULATIONROTORSTATORINTERACTIONINANAXIALTUBINETHEFOLLOWINGEXAMPLEBELONGSTOTHESECONDGROUP,THEUNSTEADINESSISFORCEDBYMOVINGGEOMETRIESTHEPROBLEMINQUESTIONISTHEFIG15MODIFIEDGEOMETRYFIG16GEOMETRYOFTHEINVESTIGATEDAXIALTURBINEFLOWINANAXIALTURBINETHESPECIALITYOFTHISTURBINEISITSRELATIVELYLOWSPECIFICSPEEDITHASBEENDESIGNEDFORPRESSURERECUPERATIONINPIPINGSYSTEMSTHEADVANTAGEISTHATTHEDISCHARGEISNEARLYINDEPENDENTOFTHESPEED,BECAUSEOFTHATTHETURBINECANNOTINTRODUCEWATERHAMMERSINTHESYSTEMTHEGEOMETRYOFTHETURBINEISSHOWNINFIG16ITCONSISTSOFTHEINLETCONFUSER,12FIXEDGUIDEVANES,15RUNNERBLADESANDTHEDRAFTTUBETHESTATORANDROTORPARTISSHOWNINMOREDETAILINFIG17FORTHESIMULATIONTHECOMPLETETURBINEISCONSIDEREDINCLUDINGALLFLOWCHANNELSINTHEGUIDEVANESANDINTHERUNNER,ALTHOUGHASYMMETRYCONDITIONOF120COULDBEUSEDTHEREASONIS,THATALSOAVARIANTWITHUNSYMMETRICALOUTLETHASBEENINVESTIGATEDTHECOMPUTATIONALMESHCONSISTSOFMORETHAN2MILLIONGRIDNODES,PARTOFTHEGRIDISSHOWNINFIG18THESEAREROUGHLY60000NODESPERFLOWCHANNELITISARATHERCOARSEGRID,CONSIDERINGTHATTHECLEARANCEBETWEENRUNNERBLADESANDCASINGHASTOBEINCLUDEDINTHEMODEL,WHICHISNECESSARYSINCETHECLEARANCEFLOWVERYMUCHAFFECTSTHECHANNELFLOWBECAUSEOFTHESHORTRUNNERBLADESTHECALCULATIONSARECARRIEDOUTUSINGTHESTANDARDKMODELINTHEFOLLOWINGSOMERESULTSOFTHECALCULATIONWILLBESHOWNINFIG19THEINSTANTANEOUSFLOWINTHERUNNERISPRESENTEDTHEFIGURESHOWSTHEPRESSUREDISTRIBUTIONOFTHERUNNERSURFACEASWELLASSTREAMLINESSTARTEDATDIFFERENTLOCATIONSLOOKINGATTHEPRESSUREONECLEARLYSEESTHESTAGNATIONPOINTATTHELEADINGEDGETHELOCATIONOFTHEDRAFTTUBEGUIDEVANESRUNNERFIG18PARTOFTHECOMPUTATIONALMESHFIG17GEOMETRYOFROTORANDSTATORFIG19INSTANTANEOUSFLOWINTHERUNNERSTAGNATIONPOINTVARIESSLIGHTLYWITHTHERUNNERPOSITIONGENERALLYTHEINLETFLOWANGLESEEMSTOBESLIGHTLYTOOFLATTHEREFORETHESTAGNATIONPOINTISSHIFTEDTOWARDSTHESUCTIONSIDECONSIDERINGTHEFLOWINTHETIPCLEARANCEONECANOBSERVETHATATTHEINLETTHESHEARFORCESDOMINATETHEFLOWTENDSTOGOFROMTHESUCTIONTOTHEPRESSURESIDEINTHESECONDHALFOFTHEBLADETHEPRESSUREFORCESDOMINATETHEFLOWINTHECLEARANCEGOESFROMTHEPRESSURETOTHESUCTIONSIDEITCANALREADYBESEENBYTHISRESULTSTHATTHEDESIGNOFTHERUNNERISNOTOPTIMALTHISISAFIRSTVERSION,INTHEMEANTIMEAMUCHBETTERRUNNERHASBEENDESIGNEDHOWEVERTHISGEOMETRYISNUMERICALLYINVESTIGATEDSINCEEXTENSIVEMEASUREMENTSHAVEBEENCARR
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