轴流泵叶轮水力模型设计参数

1、精选优质文档-倾情为你奉上1 轴流泵叶轮水力模型设计参数 叶轮直径D=300mm； 转速n=1450r/min； 流量Q=380L/s； 扬程H=6.0m； 空化余量NPSHre<7.0m2 叶轮设计流程第一、确定转速n和比转速ns第二、估算泵的效率第三、确定叶轮主要结构参数（1）确定叶轮的轮毂比；（2）叶片数Z；（3）外径D。第四、叶片的设计（流线法、升力法、）第五、叶片的绘型3 叶轮基本参数的选择3.1 比转速的确定已知转速n后，就可根据公式计算出比转速来。轴流泵的比转速ns一般为500-1200，但根据需要，可以超出此范围，有些资料介绍ns的范围为400-2000.3.2 叶轮外径

2、D和轮毂直径dh的确定叶轮直径D和轮毂直径dh应根据轴面速度Vm的大小来确定。轴面速度Vm的可按下面式计算：式中 Q设计流量 n转速 Vm液体进入转轮以前的轴面速度轮毂比与比转速有关，其值根据表1或图 1选取:表1 轮毂比与比转速的关系500600700800900100011000.50-0.630.46-0.590.44-0.560.40-0.530.37-0.500.35-0.480.33-0.46图 1 轮毂比与比转速的关系曲线从图及表中可看出，轮毂比随比转速的减小而增大，这是因为：为了减小叶片在液流中的迎面阻力，必须使叶片后面不产生漩涡层，必须要使每一计算截面上围绕翼型流动的速度环量

3、1相等。所以根据以上叙述，选择轮毂比为 3.3 叶片数Z的选择轴流泵叶轮的叶片数Z与比转速有关，其统计数据列于表2表2 叶片数Z与比转速的关系500500-800>800Z65-44-3根据上表选择叶片数Z=4 4 叶片各截面的叶栅计算（流线法）如果用半径为r和（r+dr）的两个同心圆柱面去切割轴流泵的叶轮，则得到一个包括翼型在内的液体圆环，如图2所示，如将这个圆环剖开并展开于平面上，则得到一个无限直列叶栅，如图3所示。图 2 用圆柱面切割叶轮示意图 图 3 无限直列叶栅这个叶栅是由许多相同的翼型组成的，当液体流过叶栅时，每个翼型像单个翼型那样，会受到升力和迎面阻力的作用，但由于邻近翼型

4、的相互影响，叶栅中翼型上的升力和迎面阻力的数值与作用在单个翼型上的升力和迎面阻力的数值不同。用流线法设计叶轮叶片时，按下述程序进行。4.1 流线法设计叶片总体步骤流线法设计的总体详细步骤如下：（1）完成第3部分中的比转速、转速和叶轮外径的确定；（2）分流面（一般分为5个），流面间距一般相等，并且轮毂、轮缘可作为两个流面；（3）选择叶栅稠密度，计算弦长 ；（4）确定容积效率，各截面的容积效率可以取同一值。（5）叶片厚度计算，轮毂处最大厚度，从轮毂到轮缘的叶片厚度按线性规律变化；（6）估算各截面的排挤系数。叶弦角一般可近似取轮缘处20°，轮毂处40°，从轮缘到轮毂按线性规律变化

5、；（7）水力效率，中间截面按确定，从轮缘到轮毂线性变化；（8）选定的修正系数，计算。（9）计算各截面进口液流角，选择冲角，确定叶片进口角；（10）计算各截面出口液流角，认为等于各截面进口轴面速度；（11）确定叶片出口角，考虑有限叶片数等因素影响，的选用范围为（0°3°）；（12）确定叶弦安放角，计算型线半径R。4.2 分计算截面通常选取五个计算截面，如图 4所示，各计算截面的半径按下列各式确定：R5=/2+0.020D=0./2+0.020×0.=0. mR1=D/2-0.020D=0./2-0.020×0.=0. mR3=(R1+R5)/2=0. mR

6、2=(R1+R3)/2=0. mR4=(R5+R3)/2=0. m D1=0.m；D2=0.m；D3=0.m；D4=0.m；D5=0.m；图 4 分计算截面4.3 选定叶栅疏密度l/t, 计算弦长 l=t*l/t叶栅稠密度l/t是轴流泵叶轮的重要几何参数，他直接影响泵的效率，也是决定空化性能的重要参数。（1）从能量转换和空化性能考虑，不论叶片数多少，叶片都应当有一定的长度，用以形成理想的通道，所以选择还应当考虑叶片数的多少。根据研究，推荐一下几组外缘处的l/t值，供设计时参考：；（2）另外应当适当减小外缘侧的，增加轮毂侧的，以减小内外侧翼型的长度差，均衡叶片出口扬程。推荐轮缘和轮毂翼型稠密度的

7、关系为(l/t)轮毂=（1.31.4）(l/t)轮缘，轮缘和轮毂之间各截面的l/t按照线性规律变化。其主要依据是关醒凡教授给出了江苏大学系列模型用的叶栅稠密度统计图，如下图所示。也有文献推荐，按照图 6所示的曲线(l/t)轮缘=f(KH)来确定轮缘处的l/t，KH按下式计算式中 H泵的扬程n转速D叶轮外缘直径图 6 （l/t）轮缘与KH的关系曲线常取（l/t）轮廓=（1.21.3）（l/t）轮缘，并且从轮毂到轮缘的l/t是按线性规律变化的。4.4叶片厚度y的确定轮毂处叶片最大厚度可按下式粗略计算式中：D叶轮外径（m）H扬程(m)轮毂处叶片最大厚度（m）K为材料系数，近似取K=1 轮毂处的叶片相

8、对厚度通常为10%-15%左右。轮缘处的叶片厚度应尽量薄一些为好，通常按照工艺条件条件确定，相对厚度通常取为2%-5%。从轮毂到轮缘的叶片厚度按线性规律变化。以上公式仅用来作为叶片厚度的粗略计算，待叶轮设计完后，应进行强度校核计算。4.5 确定进口轴面速度Vm1轴面速度（考虑各截面的排挤影响）其中，进口前轴面速度可按下式计算： 式中 Q流量D叶轮外径轮毂直径容积效率，各截面的容积效率可以取同一值。容积效率通常按照=0.960.99之间选择,此处取为 0.98；各截面的排挤系数。叶弦角一般可近似取轮缘处20°，轮毂处40°，从轮缘到轮毂按线性规律变化。叶轮环量可根据泵基本方程

9、式求得式中g重力加速度，g=9.81角速度理论扬程 =H/ 为水力效率=151.767 rad/s4.6 确定出口圆周速度Vu2轴流泵叶轮的设计中，有一种叶片出口流动为自由旋涡模式（ ）的设计理论。按照自由旋涡设计理论算得的相对液流角，轮缘侧小，越到轮毂侧越大，叶片的扭曲角很大，影响泵的效率，尤其在非设计工况下，泵的效率下降的比较快，泵的高效率范围窄。有关专家根据不同比转速模型不同出口环量分布试验结果，为了提高轮缘侧环量，减小轮毂侧环量，给出了一种从轮缘到轮毂按照线性变化修正环量分布的规律，如下所示：式中，按计算的旋转分速度,m/s；修正后旋转分速度,m/s；修正系数，=0.91.1。如图 7

10、 所示 图 7 修正系数分布图对于出口圆周分速度，可按照下式计算：式中，u圆周速度，(D-研究圆柱流面的直径) H 扬程,m；HT理论扬程,m；HT = H /进口圆周分速度，由吸入条件决定，通常=0；水力效率。水力效率，中间截面按确定，从轮缘到轮毂线性变化。4.7确定各截面叶片进出口角和（1）计算各截面叶片进口角一般是，计算各截面进口液流角，选择冲角，确定叶片进口角。按照速度三角形，。冲角的选用范围为0°3°，从轮毂到轮缘增加，比转速大着取小值。此处取为 01.2°由内至外线性分布。（2）计算各截面叶片出口角一般是，计算各截面出口液流角，选择冲角，确定叶片出口角

11、。按照速度三角形，计算各截面出口液流角。通常，即认为等于各截面进口轴面速度。考虑有限叶片数等因素影响，的选用范围为（0°3°）；此处取为 1°。4.8确定叶弦安放角，计算型线半径R叶片型线是连续曲线，通常采用单圆弧或抛物线，如图 8 所示：图 8 叶片型线示意图对于圆弧叶片，各角度关系为：，型线的高度 H：型线的拱度 h：型线的半径 R：，4.9 选择翼型轴流泵设计中所用到的翼型技术资料，有的是从飞机翼型资料中得来的，有的是从水洞中研究的来的，一般飞机翼型的能量性能可能是较好的，但抗空化性能可能很差，而利用水洞对翼型进行研究，其主要目的是寻找适用于水力机械的翼型。

12、要求翼型上的负荷均匀，以便改善翼型的抗空化性能。最大厚度在（0.45-0.5）l处的翼型负荷分布均匀，最小压力较高，有利于改善叶栅的抗空化性能。选择翼型的原则：1) 要求设计出来的叶轮效率高；2) 要求设计出来的叶轮抗空化性能良好。翼型资料详见参考文献叶片泵设计手册第268-278页内的各种翼型。4.10 实例流程5 叶片各截面的叶栅计算（升力法）如果用半径为r和（r+dr）的两个同心圆柱面去切割轴流泵的叶轮，则得到一个包括翼型在内的液体圆环，如图2所示，如将这个圆环剖开并展开于平面上，则得到一个无限直列叶栅，如图3所示。图 2 用圆柱面切割叶轮示意图 图 3 无限直列叶栅这个叶栅是由许多相同

13、的翼型组成的，当液体流过叶栅时，每个翼型像单个翼型那样，会受到升力和迎面阻力的作用，但由于邻近翼型的相互影响，叶栅中翼型上的升力和迎面阻力的数值与作用在单个翼型上的升力和迎面阻力的数值不同。用升力法设计时，按下述程序进行。5.1 分计算截面通常选取五个计算截面，如图 4所示，各计算截面的半径按下列各式确定：R5=/2+0.020D=0./2+0.020×0.=0. mR1=D/2-0.020D=0./2-0.020×0.=0. mR3=(R1+R5)/2=0. mR2=(R1+R3)/2=0. mR4=(R5+R3)/2=0. m D1=0.m；D2=0.m；D3=0.m；

14、D4=0.m；D5=0.m； 图 4 分计算截面5.2 确定轴面速度和叶轮环量通常认为各截面的轴面速度和叶轮环量是相等的，即所谓均匀分布规律。轴面速度可按下式计算： 式中 Q流量D叶轮外径轮毂直径叶轮环量可根据泵基本方程式求得式中g重力加速度，g=9.81角速度理论扬程 =H/ 为水力效率=151.767 rad/s5.3 计算和此速度与圆周速度之间的夹角1) 做进出口速度三角形为了做进出口速度三角形，必须首先求出u， ，Vu1和Vu2，叶栅进口处和出口处圆周速度u都是相等的，其大小由下式确定u= (m/s)式中 n泵转速 r计算截面的半径叶轮进口处绝对速度的圆周方向分量Vu1决定于吸入室的结

15、构，通常Vu1=0可从泵的基本方程式求得叶轮出口处的绝对速度的圆周方向分量Vu2 Vu2= Vu1+ (m/s)当求出u，和Vu2后，就可作出叶轮的进口速度三角形ABC和出口速度三角形ABD，如图 5所示2) 计算和在图 5中，可以得到叶轮进口处和出口处的相对速度和，将此两速度向量相加，再除以2，则得到和的几何平均值及这个速度的方向。其具体做法是先找出CD线的重点E， 然后连接E、B两点，即得到。的大小可由下式求得的大小可由下式求得图 5 叶轮出口速度三角形5.4 选定叶片平面重叠系数m或叶栅疏密度l/t叶片各断面的平面包角为式中 z叶片数m叶片重叠系数，它表示叶轮叶片在平面投影图上的重叠程度

16、。高比转速的叶轮选小于1的值，在小型轴流泵中，常把叶片和轮毂铸成一体，此时为了简化铸造工艺，也常选m<1。对于低比转速的叶轮，为了提高抗空化性能，常选m等于1或大于1。m选定后，就可求出叶片各断面的平面包角，而后翼型弦长可用下式确定（mm）式中 平面投影圆弧长 L翼型弦长由于栅距，所以当翼型弧长求出后，则叶栅疏密度也就可以求得了，即 在某些资料中，不是通过选m来确定l/t，而是通过图 6所示的曲线（l/t）轮廓=f(KH)来确定轮缘处的l/t，KH按下式计算式中 H泵的扬程n转速D叶轮外缘直径图 6 （l/t）轮缘与KH的关系曲线常取（l/t）轮廓=（1.21.3）（l/t）轮缘，并且从

17、轮毂到轮缘的l/t是按线性规律变化的。5.5 假定角越小，翼型的升阻比（即）就越大，迎面阻力就越小，从而翼型的水力效率就越高。一般先选=1，然后在设计中核算。5.6 求叶栅中翼型的升力系数将上述的已知量代入以下公式就可求得翼型的升力系数5.7 选择翼型轴流泵设计中所用到的翼型技术资料，有的是从飞机翼型资料中得来的，有的是从水洞中研究的来的，一般飞机翼型的能量性能可能是较好的，但抗空化性能可能很差，而利用水洞对翼型进行研究，其主要目的是寻找适用于水力机械的翼型。对翼型的要求除要求升阻比大外，还要求翼型上的负荷均匀，以便改善翼型的抗空化性能。最大厚度在（0.45-0.5）处的翼型负荷分布均匀，最小

18、压力较高，有利于改善叶栅的抗空化性能。选择翼型的原则：1) 要求设计出来的叶轮效率高2) 要求设计出来的叶轮抗空化性能良好。本设计选择NACA44-06翼型。NACA44-06翼型是用四位数表示的。第一位数表示翼型骨线的长度，（即翼型骨线到翼弦的最大距离），以弦长的百分比表示，第二位数表示最大弯度离翼型前缘的距离，以弦长的十分之几表示，而后两位数是以弦长的百分比表示的叶片厚度。NACA44翼型的坐标数据可从表3中查到表内b的数值如果为“”，则表示b位于翼弦下，反之，如果b的数值为“+”，则表示b位于翼弦上面。表3 NACA44翼型坐标各个截面的翼型实际坐标换算如下表所示：表4 截面1翼型坐标（

19、NACA-4406，） （mm）x02.14.28.412.616.825.233.64250.467.284100.8117.6h-0.791.181.762.222.613.243.714.044.264.354.133.693.06b-0.40-0.50-0.52-0.46-0.38-0.160.080.290.470.690.780.800.73134.4151.2159.61682.241.230.66-0.570.310.15-表5 截面2翼型坐标（NACA-4406，） （mm）x01.813.637.2510.8814.521.752936.2543.55872.587101.

20、5h-1.2251.842.733.464.075.055.786.296.626.766.425.734.75b-0.63-0.77-0.80-0.72-0.59-0.250.120.450.731.081.221.241.14116130.5137.81453.491.921.03-0.890.480.24-表6 截面3翼型坐标（NACA-4406，） （mm）x01.553.106.209.3012.418.624.83137.249.66274.486.8h-1.261.892.813.564.185.195.946.476.816.956.605.894.89b-0.64-0.80-

21、0.83-0.74-0.60-0.250.120.460.751.111.251.281.1799.2111.6117.81243.591.971.06-0.920.490.24-表7 截面4翼型坐标（NACA-4406，） （mm）x01.292.585.157.7310.315.520.625.830.941.251.561.872.1h-1.301.952.893.664.305.346.116.657.017.156.796.065.03b-0.66-0.82-0.85-0.76-0.62-0.260.120.480.771.141.281.321.2082.492.797.91033

22、.692.031.09-0.940.510.25-表8 截面5翼型坐标（NACA-4406，） （mm）x01.052.104.206.308.4012.616.821.025.233.642.050.458.8h-1.311.972.933.714.365.416.206.747.107.256.886.145.09b-0.67-0.83-0.86-0.77-0.63-0.260.130.480.781.161.301.331.2267.275.679.8843.742.061.10-0.960.510.25-翼型的升力系数CL1与角，冲角的关系曲线如图 7所示图 7 NACA44翼型升力系

23、数与角，冲角的关系曲线5.8 叶栅影响的修正平板叶栅修正法及确定翼型的安放角由于叶栅中邻近翼型的相互影响，叶栅中翼型的升力系数CL和单个翼型的升力系数CL1是不等的。因此，必须用一定得方法将叶栅中翼型的升力系数CL变换为单个翼型的升力系数CL1。目前常用平板直列叶栅的资料来进行变换，或者说用平板直列叶栅的修正资料来进行修正。平板直列叶栅的修正资料是用理论计算法得到的，它以曲线的形式给出了平板在不同安放角时平板叶栅的相对间距t/l与修正系数lp间的关系，如图1-35所示。修正系数lp等于叶栅平板的升力系数CL与单个平板的升力系数CL1之比值，即从图 9可见，修正系数lp与叶栅中平板的安放角和平板

24、叶栅的相对间距t/l有关。为了借助平板叶栅的修正系数lp来修正所选用翼型的升力系数CL1，就必须把所计算的叶栅变成当量平板叶栅。当量平板叶栅是这样得到的（如图 8所示），通过栅内翼型的后缘A和翼型骨线中点C作一直线AB，再由翼型的前缘D作翼弦AD的垂线DB，垂线DB与直线AB交于B点，则直线AB组成的叶栅称之为当量平板叶栅。其相对间距为t/lp，t是所计算的叶栅间距，lp是当量平板的弦长。当量平板的安放角就是AB直线与圆周方向间的夹角，有了t/lp和，就可由图 9查出系数lp，于是就可由公式求出平板单翼型升力系数CL1。图 8 作当量平板叶栅采用平板叶栅修正法来计算翼型时，可按下述步骤进行：1

25、)根据公式求出叶栅中翼型的升力系数CL；2)假定和，在下图中查出lp；图 9 流体绕平板直列叶栅内平板及单平板的关系曲线3)确定及；4)根据下列公式求出单个翼型的升力系数CL1；5）根据求出的CL1在图 7中选取翼型并找出翼型的冲角。选取翼型的ymax/l与上面确定的ymax/l不宜相差太大，以免由于翼型的加厚或减薄算出的冲角偏离最优冲角过远；6）按和l/t画出翼型，然后画出当量平板。随后按求得的当量平板叶栅相对间距t/lp和平板安放角在图 9中查出lp，于是又一次的把CL1计算出来。根据这次求得CL1，再在图 7中找出冲角。要求两次所得的冲角极为相近（即两次所得CL1极为相近），否则要继续计

26、算，通常希望冲角不大于8度。当冲角确定后，则翼型安放角也就确定了，即。5.9 抗空化性能校核泵的抗空化性能应使叶栅的空化余量小于或等于装置空化余量减去（0.3-0.5）（m）的裕量，或使叶栅的空化余量乘（1.1-1.3）的安全裕度后应小于或等于装置空化余量，即泵的抗空化性能应满足下面的要求或 可由下面的经验公式得到：式中 n泵的转速Q泵的设计流量C空化比转速，轴流泵的C为800-1100左右经计算=2.21而装置空化余量NPSHre=7.0m由于1.3 2.21=2.88<7所以，该泵的设计符合抗空化性能要求。5.10 计算叶轮的水力效率各计算截面叶栅的水力效率可按下式进行计算表9 叶片计算列表序号计算公式单位计算截面1Dmm2802452111771432m/s21.2618.6016.0213.4410.863m/s