（机械设计及理论专业论文）轴流泵叶片动力特性预测模型研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 综合升力法 b e z i e r 曲线 三维建模 计算流体力学 c f d 人工神经网络等理 论知识 研究一种轴流泵叶片设计的新方法 即 改进轴流泵叶片设计理论及其建模方法 采用升力法 选用n a c a 翼型对轴流泵叶 片进行初始设计 对所得叶片各截面翼型点进行坐标转换 将其转换为空间坐标点 利 用b e z i e r 曲线对叶片翼型坐标点进行曲线拟合 从各截面翼型坐标点中选取四点作为 型值点 反求b e z i e r 曲线控制点 从而可得各相应翼型曲线 将各曲线转换为u g 曲线 表达式 导入u g 生成叶片翼型骨线 结合其它结构参数 实现轴流泵参数化建模 增 强了叶片的可控性 并使叶片具有最少的控制参数 采用 编程 实现输入轴流泵设 计参数 选择叶片翼型后 程序自动对轴流泵进行初始设计 并输出轴流泵结构参数及 叶片u g 建模曲线 利用u g 布尔运算功能建立轴流泵叶轮处流域模型 利用u gw a v e 技术建立轴流 泵喇叭管及导叶处流域模型 装配形成轴流泵整体流场模型 同时为提高轴流泵及其流 域的建模效率 对u g 进行二次开发 以实现轴流泵及其流域的自动建模 对轴流泵流 场内外壁面及其进出口面进行命名 将轴流泵流场模型 叶片翼型参数及命名的面导入 到a n a s y sw o e n c h 中 将a n a s y s 高性能分析技术与u g 参数几何模型相结 合 达到与u g 双向共享参数化模型 实现c a d 与c a e 协同仿真 l 结合流体力学相 关知识计算轴流泵各边界条件 利用w o r k b 铋c h 的f l u 朗t 模块选择标准k s 模型 对 轴流泵进行三维流体动力学分析 根据所得轴流泵流场数值分析结果 建立轴流泵扬程 h 的表达式 以叶片已知型值点为输入参数 扬程h 为输出参数 采用d o e 技术生成叶 片翼型坐标点与轴流泵性能参数之间的关系样本 采用m a l r i a b 的a n n 工具箱建立轴流泵叶片动力特性预测代理模型 即建立叶片 翼型坐标点与轴流泵性能参数之间的b p 神经网络模型 并利用以上样本对其进行网络 训练和检测 从而形成具有一定精度的轴流泵叶片动力特性预测模型 将该网络模型以 c 语言形式输出 生成 d l l 文件 并将其集成到轴流泵辅助设计系统中 通过该设计方法 可实现叶片翼型曲线型值点到扬程的非线性映射及叶片动力特性 的实时预测 提高轴流泵设计效率和水力性能 关键词 轴流泵叶片 b e z i e r 曲线 参数化建模 数值分析 a n n 代理模型 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 a b s t r a c t i i l t e 伊a t i l l gl i rm 如o d b e z i e rc u r v e 3 dm o d e l i n g c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n 锄i c s c f d a n nt l l 巧锄ds oo 玛r e s e a r c han e wm e t l l o do fa x i 址f l o wp 啪pb l a d ed e s i g 玛m a ti s i i i l p r 0 v i n gm ed e s i 髓也e 0 珂a n d 删e l 试gm 弛0 d o f b l a d eo fa x i a lf l o wp u m p u s et 1 1 el 谂 m 甜1 0 d 锄dn a c aa i r f o i lt 0d e s i 印t h e 缸t i a lb l a d 懿o f 觚i a ln o wp 啪p 锄dn l 钮c h 强g e b l a d e se hs e c t i o na i 雨i lp o i i l tc o o r d i l l a t et 0s p a c e c 0 0 i r d i l l a t e s u s i l l gb e z i e rc u r v e t 0f i tb l a d e a i 而i lc 0 1 0 r d i i l a t 懿p o i l l t s s e l e c tf o u rp o i m 弱d a t ap o 证t 自d me a c hs e c t i o na i 哟i 1c o o r d i l l a t e s p o i l l t s 锄dt l l 跚r e v e r s eb e z i 盯c u r v ec 0 珊 lp o i l l t 吐m sw ec 锄 m e v et 1 1 ec o n e s p o n d i n g c l l eo f w i l l gw e p u tu gc m v 嚣e x p r e 鹤i o nw l l i c hc k m g e 仔o me a c hs e c t i o nc l u v e s i i l t 0u gt 0 g 朗c r a t eb l a d ea i r l f o i lb o n el i l l e 锄l dc o m b i i l i i l gw i t ho t l l e r 蛐n l c t u r mp a r a m e t e 墙r e a l i z e p 猢嘶cm o d e l i i l go f a x i a lf l o wp 唧叩 a n dt l l 锄e n h 锄c et l l ec o n 臼r o l l a b i l i t o f b l a d ew h 胁t h e b l a d eh 鹬m i n i i i l a lc o n 仃d lp a m m e t e 倦 u s m gv bp r 0 伊锄m m n g r e a l i z a t e 也ea u t o m a t i cd e s i g n o fi n i t i a lb l a d e 撕c ri i l p u t i i l ga x i a jf l o w 拼m l p 锄dc h 0 0 s i i l gb l a d e 拍i l a n do u t p u tt l l e s 廿u c t u r ep 啪m e t e 倦o f 觚i a lf l o wp u m p 柚dt l l eu g m o d e l i l l gc u r v eo f b l a d e b yl l s i i l gu gb 0 0 l e 锄觚l c t i o n 吲曲l i s hm em o d e lo f 觚i a lf l o wp 啪p 曲p e l l e r 血洫a g e b a s 氓锄db yu s i n gt h eu gw a v e 僦l l i l o l o g ye s t a b l i s h 也em o d e lo fa x i a ln o wp u m pg u i d e v 觚ea n db e l lm o u 也d r a i n a g eb a s i 玛蛆d 也e nb ya s 鸵 r r l b l yf 0 ma x i a lf l o wp i m l po v e r a l lf l o w f i e l dm o d e l a t 山es 锄e 岫ef o ri r n p r 0 讥n gm o d e l i n ge 硒c i c yo f 觚i a ln o wp 啪p 锄di t s 蛐a g eb a s 沁c a r r i e do u tt w ot 洫髓d e v e l o p m e n to nu g s o 嬲t 0r 龃l 娩ea i a lf l o wp u m pa n d i t sd m i n a g eb 够i n 鲫t o m a t i cm o d e l i i l g n 锄e d 戤i a ln o w p u l 叩f l o wf i e l di i 坞i d ea n d0 u t s i d e w a l l i m p o r t 锄d 甑p o r t 固耐k e p u t 觚i a ln o wp 啪pn o w6 e l dm o d e l b l a d ea i l f o i l p a r 锄吼e 俗锄d 舳m e ds u r f i a c e 硫oa n a s y sw o 砌 b e n c h 锄dc o m b i i l ea n a s y s1 1 i g h 叫 0 n n 锄c e 锄a j y s i st h n o l o g 柚du gp 舢e t 盯g e o m 嘶c m o d e lt 0 1 1 i e v eb i 以i r e c t i o l l a l s l l 鲫e dp a m r i e t 盯m o d e l 锄dt h 髓i i e a l 娩懿m ec a d 锄dc a ec o l l a b o r a t i v es i i i l u l a t i o n c o i l i b i n i n g f l u i dm e c h 枷c sk n o w l e d g et 0c a l c u l a t ea i a ln o wp 啪pv 撕 啦b o u n d a d r c m d i t i o i 塔 锄du 也ew 0 r k b e n c hf l u e n tm o d u l es e l e c t i n gc r i t 嘶am o d e lt 0a n a l y s i sf l u i d d y l l 枷c so f 戤i a lf l o wp u m p a c c o r d i i l gt 0m em 曲甜c a l 锄a l y s i sr e 叭l t so ff l o wf i e l do f 戤i a ln o w p 啪p t 0e s 协b l i s ht h e 饮p r e 潞i o no fa i a ln o wp 啪ph e a dh w i 也t h eb l a d eh o w n d a t ap o i m s 勰i 印u tp 猢c t e 璐锄dh 鹊o u 币u tp 舢e t e 心 l l s i n gd o e t e c h n o l o g yg 锄e r a t e 也er e l a t i 嘶髓m p l eb e t j l e b l a d ea i l f o i lc o o r d m a t e a n d 戤i a lf l o wp u i n pp e r f 0 髓锄c e p 啪e t e 璐 u s i n gm a l r i ab 时州t 0 0 l b o xe s 油i i s h 戤i a ln o wp 啪pb l a d ed y i l a i n i cc h 啪c t 舐s t i c p r o d i c t i o nm o d e l n 锄e l y e s t a b l i s l lb pn e u r 址n c t o r km o d e lb 咖 nb l a d ea i r f 0 i lc 0 0 r d m a t 鹳 p o i n t 锄d 双i a ln o wp u m pp e 0 肌如c ep 锄m e t e 墙 锄d 潞et h ea b 0 v es 锄p l et 0 讹证蜘d t e s t n 西华大学硕士学位论文 t h en e t w o k d m sf o n nac e n a i na c a r a c yo f 觚i a ln o wp l m l pb l a d l ed i l a n l i cp r e d i c d o n m o i e l w ei n t 雠叫et h e m lf i l eo l l 肇u t o dn e u r a ln e t w o r km o d e l 嬲cw a yi i l t 0t 1 1 ea x i a ln o w a 1 1 i l i a d rd e s i g ns y s t 锄 i n 也ea x i a l n o wp l m l pb l a d ed e s i g np r o c 嚣s m 州er e 砒 t i m e p e r f 0 m 锄c ep r e d i 撕o nt 0 血p r o v e 也ee 衢c i 锄c yo fa i a l n o wp 咖叩d e s i 伊锄dl l s i n g p e r f o r m a n c e t h r o u g ht 1 1 ed e s i g nw a y w ec a nr e a l i z e 也en o i l l i i l e 盯m 印p i n g 丘 0 mb l a d e 拍i lc u r v e p o i l l t st 0l 谂a n d 也er e 甜 劬ef 0 r e c a s to fb l a d ed n a r m c w l l i c hc 强i m p m v et l l ed e s i g n e 衢c i 朗c yo f a i a ln o wp u i 叩锄dh y d r a u l i cp e r f 0 肋锄c e k e yw o r d s a x i a lf l o wp 啪pb l a d e b e z 衙c u e p 跏n cm d d e l 洒岛n u m 西c a l 删y s i s a n na g tm o d e l m 西华大学硕士学位论文 引言 轴流泵叶片设计以流体力学理论为基础 构建叶轮流场 从而设计出能够适应该流 场的叶片 并使通过叶片传递至液体的能量和流量与轴流泵的设计性能相等 但现有叶 片设计理论缺少控制叶片形状变量 如采用升力法进行叶片设计时均借用固定的航空翼 型 叶片骨线形状由所选择的翼型决定 对控制叶片形状没有很好的灵活性 不能根据 数值模拟建立其叶片型值点与性能参数之间的关系 目前轴流泵的性能预测都是根据轴流泵的叶轮结构参数来预测其动力性能 即建立 叶轮结构参数与其性能参数之间的关系 基于叶片翼型的轴流泵动力预测 在泵类产品 设计中应用还非常有限 通常轴流泵内部流域的数值分析 仅是建立叶轮几何结构尺寸 中的一个或几个参数与流场压力或速度分布之间的关系 但除了叶轮的几何参数对泵的 性能有重要影响外 叶片的形状对效率 汽蚀以及稳定性也是至关重要的 本文采用三 维流动理论 改变叶片造型方法 控制水力损失和引入c f d 方法以完善叶片设计理论 因轴流泵所输送的介质的粘性作用及轴流泵轮缘间隙等的影响 使轴流泵叶轮内部 液体的流动为复杂的湍流流动 而且 设计结果通常以离散型点方式 给出上百个数据 点进行叶片描述 才能实现准确的三维造型 但是 从性能预测模型设计的角度出发 希望叶片造型时使用尽可能少的参数 因而 对于初始叶片的参数化拟合 需要合理确 定控制点及控制点数量 本文采用升力法和n a c a 翼型对轴流泵叶轮进行初始化设计 对所得叶片翼型坐 标数据点采用b e z 衙曲线进行拟合 将拟合曲线作为u g 表达式 通过 编程实现叶 片翼型坐标数据点到u g 表达式的自动转换 实现叶片的参数化建模 增强叶片设计的 可控性 同时又极大地减少了预测的输入参数 降低了叶片动力特性预测模型的复杂性 对轴流泵叶轮流域进行数值分析 以曲线控制点作为预测模型输入参数 轴流泵扬程作 为目标参数 利用a n a s y sw o 砌 e n c h 的d o e 技术生成预测模型训练及检测样本 利用m a l r i a b 的a n n 工具箱建立预测模型的b p 网络 并对其进行训练和检测 以建 立具有可靠精度的预测模型 最后将其集成到轴流泵辅助设计系统中 实现轴流泵叶 片动力特性的实时预测 从而提高轴流泵的设计效率及使用性能 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 1 绪论 1 1 课题介绍 1 1 1 课题来源 本课题为四川省人事厅人才培养基金项目 1 1 2 课题研究的背景和意义 在c f d 人工神经网络等技术出现以前 水力机械叶轮叶片的设计方法通常是半理 论半实验的设计方法 通常轴流泵叶片设计以轴流式流体机械设计理论与方法为基础 在圆柱层无关性假设的基础上 采用升力法 圆弧法 奇点分布法等进行设计 2 但 随着计算机技术的发展 各种新的叶片设计方法正不断出现 如准三维设计方法等 且 三维流场的数值模拟技术也有了很大的发展 叶轮流域的数值模拟已成为其水力设计的 重要辅助工具 1 0 1 蚋 但随着人类活动空间的拓展 对水力机械叶轮性能的要求也逐渐提 高 尤其是在特殊工况下 更是如此 导致传统的叶轮设计方法逐渐无法满足叶轮工作 环境的要求 当前 复杂产品设计所关注的焦点 正从单一设计方法转移到多种设计方法集成综 合上来 轴流泵是一种应用广泛的通用机械产品 也是工农业生产中的主要耗能设备之 一 轴流泵正朝着高负荷 高效能等方向发展 这种趋势对叶片设计理论与方法提出了 更高的要求 在较长一段时期内 人们通过大量试验研究水泵的主要几何尺寸与水力性 能之间的关系 不断地改进设计公式或设计方法 但由于影响水泵水力性能的因素很多 各种因素之间又相互作用 一般情况下 所设计出的水泵是否满足设计要求 通常借助 于模型试验来加以验证 一旦发现问题 再由人工根据经验来调整参数 然后再设计 再经试验检验 如此反复 直至满足要求 这样使得设计周期特别长 成本非常高 因 此 在设计的同时 迫切需要快速准确评价其性能指标 并相应地调整 直至满足使用 要求 藉此可以避免大量的盲目试验 大幅度减少设计开发成本 缩短开发周期 近年来 随着计算机技术与数值计算方法的发展 计算流体动力学 c 伽叩u t a t i o n a l f l u i dd 删c s 技术已广泛应用于轴流泵的水力设计中 使研究人员可以在不做模型 试验的条件下 通过计算机数值模拟 详细地分析泵内的流动状态 掌握内部流场的分 布规律 获取轴流泵性能数据 提高轴流泵的性能和设计水平 1 蛐7 然而 因为难以从 大量的数值结果中获得明确的优化信息 以朝着最优解的方向修改叶片几何形状 所以 把c f d 技术直接用于改善轴流泵的特性 对于缺乏丰富经验的工程师来讲存在较大困 难 于是 设计人员常常基于某个或几个设计方案 采用试凑的方法 一次次尝试着修 改几何及形状参数 应用n s n a 啊 s t o k 鹤 分析方法评估修改后的设计 根据经验 2 西华大学硕士学位论文 和对流动物理现象的知识 设计者解析c f d 的计算结果 之后再次修改几何模型 直 至获得一个令人满意的方案 但由于受设计者认识问题深入程度的限制 或由于可变参 数数目的限制 使得人们不可能在给定约束的条件下 实现各种约束和可变参数间的平 衡 再者 反复的改型同样影响了设计进度 因此就不能很好地充分利用c f d 提供的 大量数值信息 为此 代理模型 s m s u 肿g a t em o d e l 的方法得以提出 也就是说计算效率与设 计可信度之间的矛盾 可通过代理模型得到某种程度的解决 该方法的基本思想是首先 根据气动外形的设计空间特性 在此基础上 建立相应气动特性的代理模型 目前 已 分别有采用人工神经网络 a n n 咖g 模型 响应面模型 r s m r e s p o n s es l l r f a c e m o d e l 和径向基函数模型等方法来构建上述的代理模型 2 8 3 0 并取得了很好的效果 但由于气动外形变化与相应的流场与气动特性之间耦合关联性强 任何局部形状的 微小改变都会对整个流场产生影响 加之非线性 多峰值气动特性 使得获得满足工程 设计要求的设计结果还有大量的问题需要解决 例如如何构造有足够精度的代理模型 尽可能减少全三维粘性流动的数值仿真次数 如何进一步提高流场计算方法的精度 为 代理模型建模提供数据支持 对于轴流泵 类似的研究还不多见 除了叶轮的几何参数对泵的性能有重要的影响 外 叶片的形状对轴流泵的效率 汽蚀以及稳定性等性能也有重要影响 从目前发表的 有关轴流泵设计的文献来看 主要是研究根据叶轮几何参数预测其性能 根据叶片形状 预测其性能的较少 同时为使模型简单 希望叶片建模时使用尽可能少的参数 因而 对于初始叶片的参数化拟合 需要合理确定控制点及控制点数量 另一方面的问题是二 维翼型以何种方式在三维空间中积叠 但目前关于轴流泵叶片弯 掠特性的系统研究尚 未见报道 为此 深入研究基于数值模拟的轴流泵叶片动力学特性预测模型 对提高泵的水力 性能 节能降耗有重要指导意义 1 2 主要研究内容 1 轴流泵主要过流部件设计 轴流泵主要过流部件包括叶轮和导叶 本文采用升力法对轴流泵叶片进行初始化设 计 同时基于曲线曲面的基本理论 研究叶片弯掠特性及控制方法 研究二维翼型的控 制点数量及确定方法 采用b e z i e r 曲线对叶片翼型点进行拟合 并将其作为叶片圆柱截 面翼型曲线 采用流线法设计轴流泵导叶 获取导叶各截面翼型点 开发轴流泵设计软 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 件 实现叶片和导叶的正向设计 输出叶片建模用翼型曲线表达式和导叶建模用翼型坐 标点数据 2 轴流泵及其流域参数化建模 研究三维参数化造型理论及方法 基于u g 软件平台 利用叶片建模用翼型曲线表 达式和导叶建模用翼型坐标点数据 对轴流泵实体及其流域进行三维建模 在建模的同 时进行宏录制 修改相应宏程序 将其改编成可靠性较高的轴流泵自动建模程序 同时 编写相应菜单和用户交互界面 实现轴流泵的自动化建模 提高其设计效率 3 轴流泵内部流场数值分析 建立基于有限体积法的轴流泵叶轮内部三维复杂流动的控制方程 研究相适应的数 值模型与计算方法 离散格式 网格结构与尺度控制 网格自动生成技术 壁面区流动 处理方法等 进行性能及流场测试 以验证叶片流体动力学特性数值计算方法的准确性 建立叶片截面曲线翼型点与轴流泵性能参数的关系 采用实验设计法生成其分析样本 4 创建叶片动力特性预测模型 在叶片动力学特性数值计算的基础上 研究性能预测模型建模方法 基于m a t i a b 软件平台 构建b p 神经网络 实现叶片截面曲线翼型点到扬程h 的非线性映射 采用 实验设计法生成的部分流场数值分析样本对网络进行训练 训练完成后 利用分析样本 中其余数据对网络进行检测 直到该网络对叶片动力特性的预测满足精度要求 1 3 主要研究途径及技术路线 主要研究途径 1 以参数化造型原理 c f d 计算方法 人工神经网络算法为基础 围绕轴流泵 叶片设计过程中的拟采用的现代设计方法集成综合对各关键问题进行研究 2 研究参数化造型基本原理 探讨初始叶片的拟合问题 研究弯掠方法及控制 技术 实现叶片的参数化调控 3 研究叶片动力学特性数值计算方法 揭示内在流动机理 研究试验设计方法 及人工神经网络的模型 结构 学习规则等 以此建立可信的性能预测模型 主要技术路线 以参数化造型原理 基于试验设计方法与人工神经网络的代理模型 叶片动力学特 性数值计算方法为基础 深入研究 系统总结与探讨这些现代机械设计方法的特点 为 叶片动力学特性建模提供充分的理论支持 4 西华大学硕士学位论文 基于参数化曲线曲面的基本理论 开展叶片的三维参数化造型研究 拟采用同时改 变叶片的厚度和弯掠的建模方式 沿叶片前缘 尾缘 最大厚度处等多种积叠点进行积 叠控制 沿轴面方向和周向进行b e z 衙曲线及其曲线组合的方式进行空间造型 根据参数规模 选取合适的试验设计方案 并进行叶片动力学数值计算 再提取特 性数据 利用采集的数据 通过神经网络方法建立代理模型 即性能预测模型 采用 统计方法验证模型精度 如果模型不够精确 缩小试验范围或增加试验次数 1 4 研究目的及意义 研究目的 综合升力法 b e z i 凹曲线 三维造型 计算流体力学 c f d 人工神 经网络等理论知识 研究一种轴流泵叶片设计的新方法 即建立轴流泵叶片动力特性预 测模型 实现轴流泵叶片翼型点到扬程的非线性投影 研究意义 实现叶片设计过程中 多种现代设计方法的集成综合 为轴流泵叶片设 计提供方法指导与实施手段 深入研究基于数值模拟 c f d 与人工神经网络 a n n 的轴 流泵叶片动力学特性预测模型 实现轴流泵叶片动力特性的实时预测 从而设计出具有 较高水力性能和较低能源消耗的轴流泵 1 5 本文主要创新点 改进了轴流泵叶片建模方法 用b e z i e r 曲线对升力法设计所得叶片翼型点进行拟合 以拟合曲线作为叶片骨线 减少了控制点的个数 增强叶片设计的可控性 在u g 中对轴流泵流场壁面及进出口面进行命名 将命名的壁面和叶片翼型坐标参 数直接导入a n a s y sw o 鼬 e n c h 作为流体分析边界条件和d o e 输入参数 实现 叶片动力特性样本生成流程中u g 与a n a s y s 的无缝连接 将m a t i a b 所建的叶片动力特性预测模型以c 语言形式输出 生成 d l l 文件 并将 其集成到轴流泵辅助设计系统中 实现叶片设计过程中性能的实时预测 本章小结 本章简要分析了轴流泵叶片设计理论的发展现状与趋势 介绍了本课题的研究背 景 方法 确立了本课题的主要研究内容 研究途径 技术路线 介绍了本课题的研究 目的及意义 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 2 轴流泵主要过流部件设计 轴流泵结构简单 重量轻 主要用于扬程低 流量大的场合 中 小型轴流泵的结 构有吸入喇叭管 叶轮 导流器 弯管等组成 叶轮一般采用不可调式 这种结构叶轮 较简单 但效率曲线的高效区比较窄 对于大型轴流泵 为增加水泵的高效区 常将叶 轮设计成可调式 但也增加了泵的结构复杂性 由于本文的主要内容是研究叶片对轴流 泵动力特性的影响 建立动力特性预测模型 故以小型轴流泵作为研究对象 但研究方 法对各种轴流泵都适用 本文选择的研究对象为小型潜水轴流泵 泵的设计流量 q 0 2 6 6 搠3 s 扬程h 6 2 l m 转速n 1 4 6 蛐 配套驱动电机功率p 2 2 l 洲 叶 轮为不可调式 由于轴流泵内部水流的流动是复杂的三维流动 在轴流泵叶片水力设计时通常作以 下几个理想假设 1 水流是无粘性的和不可压缩的单相均质液体 2 转轮中液流的相对运动是定长流动 3 液体质点在以泵轴线为中心线的圆柱面上流动 且相邻各圆柱面上的液体质点的 运动互不相关 即叶轮区域绝对流速的径向分量为零 圆柱流之间无质点运动 通常称 之为圆柱层无关性假设 2 1 计算叶轮结构参数 2 1 1 计算轴流泵比转数并选取轮毂比及叶片数 减小轮毂比 可减少水力摩擦 增加过流面积 有利于抗汽蚀性能的改善 但过分 的减少轮毂比 会增加叶片的扭曲 偏离设计工况时 会造成流动紊乱 在叶片进出口 形成二次回流 使效率下降 高效范围变窄 在实际设计中 轴流泵的轮毂比可根据其 比转数来确定 见表2 1 由于轴流泵比转数一 兰等争擘 6 9 8 7 故取轮毂比以 d o 5 3 此外 轮毂是 用来固定叶片的 故在结构和强度上应满足叶片安装要求 表2 1 叶轮轮毂比取值表 t a b l e2 1t 1 1 ev a l u et a b l eo fi n l p e l l e rh u b 佑pd i 锄鲫e rr a 6 0 以 l 0 0 07 0 0 5 0 0 1 4 0 0 d d o 3 5 0 4o 4 一旬 4 5o 4 8 0 5 5 0 5 5 o 6 0 可以降低叶轮比转数 提高扬程 改善轴流泵汽蚀性鲥3 1 1 轴流泵的叶片数z 可以根据 6 西华大学硕士学位论文 比转数来确定 一般取z 3 6 比转数高 叶片负荷轻 叶片数可少一些 比转数刀 5 0 0 6 0 0 取z 6 5 比转数体 7 0 0 9 0 0 取z 4 5 故本设计取z 4 2 1 2 计算叶轮外径并估算轴流泵效率 轴流泵叶轮直径的计算方法有圆周速度系数法和轴面速度法 本文采用轴面速度法 计算轴流泵叶轮直径 3 2 1 当转速一定情况下 叶轮进口处轴面速度v 与风 叶片前端 来流速度和圆周之间夹角 有关 成影响叶片翼型安放角凤 若卢 太小则叶片排挤系 数就会很小 因此需控制风 为控制风 鲁特捏夫建议按 计算当量直径d 0 3 3 1 因 o o 0 6 o 0 8 v 跏2 o 0 6 7 v o 2 6 6 1 4 6 0 2 5 5 5 眺 煦 最 所以 战 焉 蹑 2 5 2 瑚m 叶轮外径 d 垒 2 9 8 衄 l 一 d d 2 轮毂直径 以 告 d 0 5 2 9 8 1 5 4 m m 根据设计要求 初步估选总效率叩 0 8 4 效率分配如下 容积效率 仇 o 9 6 机械效率 7 o 9 5 水力效率 仇 1 一面尚 9 2 2 1 3 确定轴面速度及速度环量分布规律 轴面速度 i l 5 5i i l s 二r 7 v d 2 一 戤髓r 2 等2 象2 器以7 2 纠s 7 l 竹型 o9 2 o uo u 假设r i o 则绕翼型环量 r 垦号玉 o 6 8 川 s 7 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 为提高效率可选用非等环量分布 但可能会出现各参数相差较大的情况 无法获得 满意的结果 事实证明 采用等环量和等轴面速度 各截面计算参数与非等环量情况相 差不大 且方法简单结果可靠 故本文对叶轮进行设计时采用等环量和等轴面速度 2 2 叶片设计 叶片是轴流泵叶轮最为重要的组成部分 叶片设计质量的高低直接决定着水泵的性 能 根据叶轮区流体运动特点和圆柱层无关性假设 将叶轮区三维湍流流动转换为叶栅 绕流问题 这样就可以将叶片转变成叶栅设计 3 4 目前常用的轴流泵叶片设计方法有升 力法 圆弧法 奇异点分布法 准三维和全三维设计方法等 3 5 4 5 1 准三维和全三维设计 方法虽然减少了对流动的假设 但是由于速度矩分布难以给定 技术上尚需研究和发展 升力法是较早应用到轴流泵叶片设计的方法 故其相关实验数据比较丰富及翼型参数较 全 工程应用较普遍 故本文采用升力法进行轴流泵叶片初始化设计 由于升力法对流动的假设过多 难以体现流场的真实情况 为提高轴流泵水力性能 需对设计模型进行数值分析 并在c f d 分析的基础上修正叶片 然而升力法设计轴流 泵叶片时 所得结果为许多翼型点 控制叶片形状不够灵活 故本文采用b e z i 盯曲线对 叶片翼型进行曲线拟合 以拟合曲线作为叶片建模基线 以增加叶片的可控性 2 2 1 计算各截面设计参数 在轮缘和轮毂之间选取5 个计算截面 见表2 2 内外截面分别与轮缘和轮毂留 有一定距离 以方便用样板检查 表2 2 叶片各计算截面直径取值 t a b l c2 2d e f i i l i n gb l a d ec a l c u l a t i o ns e c t i o 璐 i截面ii i v l l 直径 蛐 1 5 51 9 02 2 52 6 02 9 5 1 由于叶片的作用叶轮中液体的运动为复合运动 即液体一方面随叶轮旋转作牵连运 动 u 另一方面不断地从旋转着的叶轮中流出 w 其运动符合速度三角形法则 叶片 进出口速度三角形如图2 1 所示 假设圪 o 根据速度三角形可得 图2 1 速度三角形 f i g u 他2 1v c l o c 时t r i 姐g l e 8 v l 西华大学硕士学位论文 圆周速度 等 坐半 1 1 8 5 m s 圆周分速度屹2 星圣 5 5 8 朋 j 7 碰z 式中 e 为理论扬程 县 兰 屹 一屹 g 相对速度的几何平均值心 小石i i 万 忑丽 l o 8 5 小 s 相对速度的几何平均值屹的方向留凡 i i 南 则饿 口怫盎鄙心彘q 1 2 6 截面 掣 兰 兰q 呈q 兰 型 1 4 5 2 埘 s 三 一 1 4 3 z 挖 j 6 06 0 轳尝 4 5 5 m s 矗i 瓦瓦了丽 1 3 4 2 m s 兰兰q 型兰坐q 1 7 1 9 小 s 6 0 轳鲁地8 4 m 占 k 属i i 万瓦万矛 1 6 2 3 朋 s 截面 9 3 0 9 2 0 2 4 8 9 0 胛一 生 m 础 截 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 丝望 兰 兰 兰皇兰 竺 1 9 8 7 聊 s 一 l y 6 刀 j 6 06 0 铲鲁 3 3 2 5 刚s k 属i i i 丽 1 9 0 2 肌 s 凡剐 c 留三五鄙 c 留卷 2 0 8 5 截面v 坐 三 兰兰q 兰竺 兰 塑 2 2 5 4 m s 一 一 zz 斗 行 j 6 06 0 铲尝观9 3 小 s 心 属i i 石丽 2 1 7 8 肌 占 肛们留盎剐魄趣划 9 8 2 计算叶片叶栅间距 截面i r 警 半竽叱2 m 朋 截面i i r 譬 半竽州9 m 聊 截面 截面 截面v f 堕 兰丝 1 7 7 肌m f 二 一 l 咒m 么4 f 堕 兰兰兰鱼q 2 0 4 删 f i 一 z u 4 删 z 4 f 堕 兰兰型 2 3 2 m m f 二 一 z j 上m n 3 确定各截面翼型弦长 由轴流泵性能参数n d h 可得扬程系数k o 1 2 由图2 2 可得叶轮外 缘处的叶栅稠密度 f o o 6 5 轮毂处的叶栅稠密度 f 1 3 1 4 f o o 9 l 轮 1 0 毂与轮缘间各截面处的叶栅稠密的见表2 3 值见表2 3 则叶栅各截面处的翼型弦长 三f 其计算 f 表2 3 各截面叶栅稠密度及翼型弦长 t a b l e 2 3t l l ec a a d ed 饥s 时锄da m i lc h o r dl g 也 截面ii ii i i v l to 90 8 20 7 5o 7 0 6 5 1 0 9 81 2 2 1 81 3 2 7 51 4 2 8 1 5 0 8 图2 2 外缘叶栅稠密度 图2 3 平板直列叶栅的修正系数 f i g u 他2 21 1 1 ec 鹊c a d ed e 地时o f 伽t 盯e d g ef i g i i 他2 21 1 1 ec o n 僦6 c 硒c i 锄to fn a tg 仃a i g h tc a a d e 4 计算叶栅中翼型的升力系数 初取汽蚀系数a l 根据能量转换关系 可得升力法设计叶片的基本方程 e 毪掣而 棚铲毪掣 t g 九 g p l n 椅具1 防止刀毕舆丌刀承双 一声2 一j i l 共甲l 为修止糸致 口j 从图z 3 盆得 从 而可得各截面的实际升力系数为 截面一q 嘞几一鼍 志南圭地7 7 2 截面n q 喝肛毪 志南圭一5 截面n q 喝肛警 志南圭地3 9 8 截面 嘞肚鼍 志南圭观3 2 5 l 以钆 l 截面v c i q k 塑鼍云盟志去圭 2 舛 5 计算各截面翼型最大厚度 根据强度条件 轮毅处翼型厚度取 正 0 0 1 2 0 0 1 5 d 日2 0 0 1 5 d h 9 9 4 3 衄 截面i 处的相对厚度取 否 亨 1 0 1 5 艿 0 1 1 0 9 8 m m 根据工艺条件截面v 处叶片的厚度取 否 亨 2 5 6 0 0 3 4 5 2 m m 从截面i 到截面v 其厚度可按直线规律变化 6 计算各截面翼型安放角 根据翼型动力曲线 见图2 4 可得各截面翼型冲角 见表2 4 则翼型安放角 卢 见 a 各截面翼型安放角见表2 4 一z c 1 1 i 一 一 5c r o 一 l c rj i j 一 2 s c 一 l 1 z i b 车一r t i 1 2 l 矗 2 一吵一 rijl l 一o z 图2 4 翼型动力曲线 f i g u r e 2 4a 施i ld y n a i n i cc u i v c 表2 4 各截面冲角及翼型安放角 t a b l e 2 4e a c hs 廿o ni i l c i d 曲 蛆dm o 吼血g 锄g l 髂 截面 ii i v a4 1 2 l 5 4 o 3 2 o 2 一l 1 2 o 3 6 2 3 2 4 4 6 2 l 2 7 1 8 l l 1 3 5 5 1 2 西华大学硕士学位论文 7 校核叶轮汽蚀性能 因叶轮的汽蚀常发生在叶轮外缘处 故仅对外缘处进行汽蚀校核 外缘处汽蚀系数 a o 6 5 一1 0 5 c 坩 o 8 6 0 2 9 1 o 2 5 将其代入汽蚀基本方程 可得叶栅的汽蚀余量 j l a 丢 6 则轴流泵的汽蚀比转速 掣 l l o o 则泵不发生汽蚀 5 4 2 2 2 计算叶片翼型点坐标 翼型的选择影响叶轮的汽蚀性能和效率 选用n a c a 时 翼型的最大相对厚度为 1 4 时 泵的抗汽蚀性能最好 但选用此翼型时 泵的效率并不是最高的 蛔 综合考虑 泵的汽蚀性能和效率 本文选用n a c a 4 4 l o 翼型 对叶片进行初始化设计 查翼型坐标表2 5 可知 该翼型在3 0 弦长处厚度最大 其最大值为 氐瞰 h 斗忙 8 7 6 1 2 6 l0 0 2 因此应将翼型各厚度坐标均乘以意轰 则得到设计用翼型的坐标i 工 h 或 x 妫 如图2 5 表2 5 n a c a 4 4 1 0 翼型坐标 t a b l e 2 5n a c a4 4 1 0a i r f o i lc 0 0 r d i i l a t e s x l 2 2 551 01 52 02 53 04 05 06 07 08 09 09 5 h2 0 24 0 75 7 76 9 77 8 28 4 l8 7 68 8 18 3 17 3 86 0 74 4 32 4 51 3 3 b 1 2 7 1 9 3 2 1 2 0 1 7 8 1 5 2 1 2 6 0 8 4 0 5 2 o 2 4 0 0 5o 0 50 0 2 0 0 4 图2 5 叶片翼型坐标 f i g u 他2 5b i a d ea i 响i lc o o r d i n a t c s 2 2 3 叶片翼型空间曲线 以叶轮轴线为z 轴 叶片起点至轴线的垂线为x 轴 作空间直角坐标系 通过坐 标转换将叶片翼型坐标 工 h 或 x b 转换为空间坐标 x y z 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 b e z i e f 曲线具有控制点少 控制灵活且拟合精度高的特点 4 7 本文采用两条四点三 次b e z i e r 曲线对叶片翼型空间坐标点进行曲线拟合 以增加叶片的可控性 四点三次b e z 衙曲线公式为 尸 1 一f 3 只 3 1 一f 2 佛 3 1 一f f 2 最 f 3 只 2 1 取z j r o 0 0 5 0 3 5 1 时的叶片翼型空间坐标点作为b e z i e r 曲线的型值点 以保证其两端与叶片翼型相吻合 从而可得叶片各截面上下两条b e z i e r 曲线的型值点空 间坐标矩阵 凡 q i oq y oq 柚 q lq y iq i q x 2q y 2q 越 q 3q y 3q z l 3 和 瓦 q x oq y oq 棚 q iq y lq i q l 2 q y 2q 础 q x 3q y 3q z l 3 式中 瓦为工作面b e z i e r 曲线型值点坐标阵 吃为背面曲线型值点坐标阵 因两条b e z i 叮瞌线在起点和终点处相交 故 又因两条b e z i 盯曲线在同一圆柱截面上 故 从而可得 吃 q 柚压f 爵q 硼 q 瓜f 爵q 鸹 q 心厩q 啦 q n 压f 两q 和瓦 f q 硼 q 劬 q z x 3 q 曩3 q 瓜 q 柚厩q 珊 q 厩q q n 厩q 越 q 心厩q 柚 根据b e z i 盯曲线的性质反求其控制点 可得其控制点方程为 b q p 訾q 丽蠢q 而知q 杀南q e 掣q 蒜南q 赫q 播篙q q 2 b q 式中 取t l 0 0 5 t 2 o 3 5 将矩阵瓦和瓦分别代入式2 2 可得两条b c z i 盯曲线控制点矩阵 1 4 西华大学硕士学位论文 凡 瓦 只 kp 二 l p y 匕 k k 气p y 3 只 气p 厶 一 p y 匕 匕 k 气p y 3 匕 q x oq y oq z o p l p y l 如 q 1 3q y 3q q 柚q 加q z o r p y 气 k q x 3q v 3q z l 3 将控制点矩阵瓦和疋分别代入式2 1 可得截面i 处叶片翼型曲线 i 置i 1 一f 3 q o 3 1 一f 2 以l 3 1 一f f 2 e 2 f 3 q 3 上曲线 r i 1 一f 3 q 加 3 1 一f 2 啦i 3 1 一f f 2 e 2 f 3 q y 3 l z j l 1 一f 3 q 哥o 3 1 一f 2 f p 二i 3 1 一f f 2 p 0 2 f q 3 j 以i 1 一f 3 q 如 3 1 一f 2 以l 3 1 一f f 2 e 2 3 q 3 下曲线 匕 1 一f 3 q y o 3 1 一f 2 哆l 3 1 一r f 2 弓2 f 3 q y 3 l 互l 1 一f 3 q o 3 1 一f 2 f p 二i 3 1 一f f 2 气2 f 3 q 3 2 3 2 4 采用四点三次b e z i e r 曲线分别对叶片上下翼型点进行曲线拟合 所得叶片截面空间 曲线 其轴向投影图如图2 6 入 以 6 图2 6 叶片翼型曲线轴向投影示意图 图2 7 导叶轴向投影图 f i g i j 1 e 2 6t h e 娃i a lp 咧 t i o no fa 旆i lb l a d ec u r v e f i g u 他2 7t h e 强i a lp m j 6 0 no fg l l i d ev 锄c 通过以上方法 可计算得到各截面处叶片翼型拟合b e z i e r 曲线 即叶片u g 建模空 间曲线 见附录b 1 5 轴流泵叶片动力学特性预测模型的研究 2 3 导叶设计 导叶的作用是消除液体环量 将流体速度能转换为压力能 它也是轴流泵设计时需 重点设计的部件之一 本文采用流线法对导叶进行设计 为减小轴流泵的整体长度 将 导叶与扩散管合为一体 取导叶数z 7 为减少能量损失 通常流道扩散角s 为6 1 0 0 本文取占 7 0 在轮缘和轮毂之间选取5 个计算截面 见表2 6 内外截面分别与轮缘和轮毂留 有一定距离 以方便用样板检查 其截面轴向投影图见图2 7 表2 6 导叶各计算截面半径取值 t a b l e 2 6n er a d 飚v a l u eo fg l l i d e 眦ec a l c u l 舐o ns e c t i i截面 ii i