（流体机械及工程专业论文）轴流泵叶轮的改进升力法设计及内部流场计算.pdf

西华大学硕士学位论文 轴流泵叶轮的改进升力法设计及内部流场计算 流体机械及工程专业 研究生张青指导教师宋文武 轴流泵广泛应用于国民经济各领域 提高轴流泵的研究和设计水平 对国民经济的发展及节约能源将产生重要的影响 要提高轴流泵效率 扩大其工况范围及提高其可靠性 必须对泵内部流动进行深入的研究 本文基于此 对传统的轴流泵叶轮设计方法 升力法进行进一步研究 考虑流动边界层以及叶轮轮缘间隙流动等的影响 对升力法模型进行改 进 提出改进后的升力法模型 通过编程计算 用上述两种方法分别对 z w x b 系列轴流泵叶轮进行了水力计算与设计 并以z w x b l 2 0 0 轴流泵为 例采用c f d 技术 对设计完成的水力模型进行了内部流场分析与数值计 算 得到改进升力法设计的水力模型的性能指标较传统升力法好 这充 分说明在考虑了叶片端部靠近外壳和轮毂等区域的实际流动 以及静止 外壳壁面上的环状边界层流动 转动叶片表面上的边界层以及叶片端部 和外壳之间的间隙流动等的相互干涉等问题后 改进的升力法设计的叶 轮叶片在叶端及叶根部分采用了加长前倾的扭曲形状 从而有效地控制 外壳和轮毂表面上的环状边界层的发展及叶片负压面上边界层的分离 同时减少了叶片端部载荷 降低间隙流动的影响 使叶片的形状更好地 与实际流动相符 改善了叶片之间的二次流动以及各种旋涡对流动的影 晌 从流动数值计算的结果来看 采用改进升力法设计的轴流泵叶轮叶 片的效率要比传统升力法设计的轴流泵效率 在各个工况下平均要高 1 5 左右 本文还对轴流泵叶轮叶片外缘间隙内的流动进行了计算 考查了间 隙分别为1 5 m m 和2 5 m m 时间隙中的流动情况 以及间隙的改变对叶轮 性能的影响 同时得到了各工况下叶片上的速度与压力的分布规律 本文提出的改进升力法设计轴流泵的模型是正确的 从而为轴流泵 设计提供了新的设计理念和方法 关键词 轴流泵 改进升力法 数值模拟 间隙流动 l 西华大学硕士学位论文 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 西华大学硕士学位论文 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 西华大学硕士研究生学位论文 声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料 与我同意工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意 本学位论文成果是本人在西华大学攻读硕士研究生期间在导师指导下取 得的 论文成果归西华大学所有 特此声明 作者躲磬专川年岁月矿日 翩签名私武冲朋仞日 西华大学硕士研究生学位论文 第一章概述 泵是使用最广泛的通用机械之一 耗电量约占全国总电量的2 5 其中轴 流泵又占有相当大的比例 在大中型水利工程及众多的机电排灌站中 大部分 都使用了轴流泵机组 轴流泵的特点是流量大 扬程低 主要用于农田排灌 防洪排涝 城市给排水和跨流域调水工程 我国南方大部分地区江河纵横 湖 泊遍布 汛期需要排水 遇旱需要灌溉 是使用轴流泵最多的地方 在农田排 灌方面 小块田地的灌溉采用可移动式小型轴流泵 防洪排涝则采用大中型轴 流泵 在水利建设 跨流域调水方面采用大型轴流泵 在电站建设中 电站冷 却汽轮机冷凝用循环水采用轴流泵 其他如城市给水和排水 大型钢铁联合企 业生产用水和船坞进排水 浅水船舶的推进 通常也采用轴流泵 设计一种高 质量的轴流泵无疑是从节能上或是从效率的角度 都能给国家和社会带来巨大 的经济效益 在全面改革的今天 围绕价值 以最低的成本为目标 设计出一 种经济 高效 安全 可靠 实用的泵 无疑是摆在泵业设计人员面前的一项 艰巨而有现实的任务 我国轴流泵叶轮水力模型的效率 从总体上比国外先进水平低l 3 主 要原因是对轴流泵内的真实流动现象研究不够深入 设计方法不够先进 轴流 泵的叶轮叶片是轴流泵关键部件 他们对轴流泵叶轮叶片都是采用现有通常的 升力法或奇点分布法进行设计 这些设计方法均未考虑到叶片端部靠近外壳和 轮毂等区域 静止的外壳壁面上的环状边界层与转动叶片表面上的边界层以及 通过叶片端部和外壳之间的间隙流动相互干涉 以及叶片之间的二次流 形成 的包括分离在内的复杂的非定常流动 产生的马蹄形涡 泄露涡及尾涡等各种 旋涡 上述这些复杂流动因素 造成现有轴流泵水力模型效率偏低 水力损失 很大 本论文采用了改进升力法设计轴流泵叶片 考虑了叶片轮毂区域的边界 层流动和轮缘区域的间隙流动 提高了轴流泵的效率 1 1 课题来源及名称 课题来源 自贡工业泵有限责任公司 课题名称 z w x b 系列轴流泵的水力模型研究 西华大学硕士研究生学位论文 1 2 课题研究的目的和意义 众所周知 泵 鼓风机 通风机等叶轮机械是动力机械中非常重要的组 成部分 其中 轴流泵在国民经济各部门中占有非常重要的地位 特别是冶 金 石油化工 天然气输送 制冷 动力以及农业灌溉等工农业部门中获得 了广泛的应用 因此 提高轴流泵叶轮效率以及提升轴流泵的设计水平 具 有重大的社会效益和经济效益 而叶轮作为轴流泵的关键部件 其性能直接 影响着轴流泵的工作性能 因此轴流泵设计的主要任务是设计出能保证各项 性能要求的高效率叶轮 在轴流泵轮缘区 间隙的存在导致叶轮顶端泄漏 形成间隙流动现象 i n o u e 8 1 对轴流式压气机 吴克启 1 对斜流风机叶轮出口流场 采用热线风速 仪进行了深入的试验研究 表明间隙流动对叶轮性能和出口流场结构产生很 大的影响 l a k s h m i n a r a y a n a 8 1 对轴流式压气机叶轮轮缘和轮毂区损失和叶 型损失进行了研究 指出叶片顶部轮缘和轮毂区的损失既朝展向延伸 更朝 周向扩展 以至影响整个通道 而由于间隙流场的测试工作相对困难 进行 广泛的试验研究受到试验条件限制 采用数值模拟方式准确预测这些复杂流 动现象 逐渐成为新的研究途径和手段 本论文为了考查轴流泵轮缘区域的 边界层流动和轮毂区域的间隙流动现象 在不同顶端间隙条件下 基于n s 方程 采用标准k 一 湍流模型 及s i m p l e c 算法对轴流泵区域的边界层流动和 轮毂区域的间隙流动特性进行了数值研究 1 3 国内外现状和发展趋势 我国轴流泵的发展走了一条由仿制到自主开发的道路 2 0 世纪6 0 年代初 我国开始生产轴流泵 当时主要按苏联的水力模型进行仿制 制造了叶轮直 径为1 5 4 0 m m 的6 4 z l b 5 0 型泵 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初 我国研制了一 批优秀的轴流泵模型 其水力性能己与当时先进国家轴流泵模型性能不相上 下 2 0 世纪9 0 年代以来 我国轴流泵产量逐年上升 至1 9 0 年代末基本上维持 在年产1 0 0 0 0 台左右 生产的大中型轴流泵共计有4 0 多种型号 5 0 多种不同规 格 流量范围q 0 0 2 5 6 0 m 3 s 扬程范围h 2 0 2 1 8 m 其中 属于大型的 有1 0 多种型号 1 5 种规格 已经能制造口径d 4 5 0 0 m m 扬程h 7 m 流量 q 5 7 5 m 3 s 的大型轴流泵 近年来 为满足我国东部沿海地势低洼地区排灌 2 西华大学硕士研究生学位论文 业和 南水北调 东线工程的需要 国内有关科研单位研制出了一系列比转 速的轴流水力模型 同时进行了大型低扬程轴流泵装置模型的开发研究 在 泵装置的能量特性 空蚀特性方面取得了较大进展 研制出了一批高比转速 低扬程轴流泵装置新型式 如 轴伸式轴流泵 1 5 0 斜式轴流泵 4 5 0 斜式轴 流泵 竖井贯流泵等 其中 两种斜伸式轴流泵均已在泵站投入运行 情况 良好 1 0 1 0 泵的水力设计方法也取得了一些重大进展 在国外 荷兰 日本和 前苏联等国的大型轴流泵有很大发展 泵的设计制造技术水平较高 如荷兰 大型轴流泵叶轮直径d 3 6 m 设计扬程h i 2 m 设计流量q 3 7 5m 3 s 配 套功率9 2 5 k w 齿轮变速传动 1 0 1 在日本开发的最大口径轴流泵中 电业社 研制的立式可调轴流泵 e l 径3d 6 0 0 r n m q 3 5 4 5m 3 s 荏元制作所研制 的立式轴流泵 e l 径d 4 6 0 0 m m q 5 0m 3 s 1 0 l 原苏联生产的轴流泵主要用于 调水工程 叶片不可调和可调型立式轴流泵 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 美国g o u l d s 公司生产的卧式 轴流泵 口径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 同时 卧式的贯流式轴流水泵也被开发出来1 1 0 1 2 0 世纪7 0 年代初 日本生 产了一种泵 电机功率1 3 0 0 k w 叶轮直径d 4 2 m 流量q 4 0m 3 s 设计扬程 h 2 6 m 原苏联和北欧也推广这种泵 1 0 1 在二十世纪五六十年代 流体机械的设计基础是由l o r e n t z 提出的通流 理论 即假定叶轮是由无数多 无限薄叶片组成 这样就把叶轮内的复杂三 维流动转化为轴对称流动 根据轴面流动规律的不同假设有一元理论和二元 理论以及三元理论的设计方法 其构成流动理论的基础是流动质量守恒 动 量守恒 能量守恒 对于轴流式流体机械 基于圆柱层无关性假设 通常应 用升力法 圆弧法 奇点分布法和保角变换法等平面叶栅设计方法进行叶型 设计 升力法就是应用机翼翼型的绕流特性并依据实验数据进行适当修正的 叶片设计法 这是最早用来设计轴流泵叶轮的设计方法 目前仍广泛应用 我国科技人员提出了轴流泵出口环量分布的设计方法 采用变环量设计是为 了适应轴流泵内实际流态的一种有效方法 其关键在于根据具体设计要求来 合理地选择环量分布规律1 1 11 任意变环量设计 实质上就是沿叶轮叶片径向 的不等功设计 该种设计方法使用面还不广 还需要进一步积累和完善设计 经验 现阶段我国工程设计中较多采用的仍是这些方法 而对于亚音速不可 西华大学硕士研究生学位论文 压缩流动的轴流式流体机械来说 叶轮的研究方法主要有 1 正问题 利用给定流体机械流场的几何边界条件 初值条件和适合流 场方程 求解流场分布 2 反问题 利用给定流场的流体参数分布 求解叶片的几何参数 也就 是设计问题 3 杂交问题 利用给定部分几何参数和部分物理参数分布 求解叶片另 一部分几何参数和另一部分物理参数 4 最优化问题 不给定几何形状 参数分布 而是给定一定的设计约束 达到最佳设计方案 z w x b 系列轴流泵系轴流式蒸发循环泵 广泛运用于大流量 低扬程 的地方 如真空制盐蒸发强制循环泵 芒硝蒸发强制循环泵 氧化铝蒸发系 统强制循环泵等 还可用于大型输水工程 其输送介质温度在0 18 0 c 之 间 流量范围q 5 6 0 1 2 2 0 0 0 m 3 h 扬程范围为h i 5 6 m 它与蜗壳轴流 泵相比 1 在结构上具有自身的特点 例如采用悬臂弯管式结构 悬挂式安 装 无泵基础 管线上无膨胀节 泵轴采用对焊或包覆工艺 满足传动强度 和耐磨蚀性能要求 零部件的安装 拆卸均方便 泵运行可靠 整机寿命高 振动小 噪音低等 而对z w x b 系列轴流泵叶轮的设计研究主要是采用升力 法来进行的 没有考虑叶片轮缘和轮毅对液流的影响 也没有对轮缘处间隙 的大小对泵效率的影响进行研究 1 4 本课题的主要研究内容及技术路线 课题内容 对传统的轴流泵叶轮设计方法一升力法进行进一步研究 考虑流动边界 层以及叶轮轮缘间隙流动等的影响 对升力法模型进行改进 提出改进后的 升力法模型 对z w x b 系列轴流泵进行叶轮水力模型的设计 再利用流动分 析软件f l u e n t n u m e c a 进行流动模拟 以验证改进的升力法模型的正确性 同时考查叶轮轮缘间隙的改变对轴流泵性能 流动以及压力等的影响 途径及技术路线 1 传统升力法设计轴流泵叶轮的设计思想 4 西华大学硕士研究生学位论文 2 研究边界层及叶轮间隙处的流动情况以及它们对泵性能的影响 3 考虑流动边界层以及叶轮轮缘间隙流动等的影响 对升力法模型进行 改进 提出改进后的升力法模型 4 应用升力法模型和改进的升力法模型设计计算z w x b 系列轴流泵叶 轮的水力模型 5 具体以z w x b l 2 0 0 泵为例 利用g a m b i t 等软件建立该泵的几何模型 在n u m e c a 软件的i g g o m 模块中进行几何模型处理和采用结构化网 格进行网格划分 并在 m e c a 软件的f i n e 模块进行流动模拟 最后运用其后处理模块c f v i e w t m 对计算结果进行轴流泵性能 流动 以及压力等的分析比较 验证改进升力法模型的正确性 同时考查叶 轮轮缘间隙的改变对轴流泵性能 流动以及压力等的影响 西华大学硕士研究生学位论文 第二章轴流泵叶轮水力设计 实际工程中应用的轴流泵叶片的设计理论都是二维流动理论 二维流动 理论的计算假定是 1 流体是不可压的理想流体 运动是定常的 2 流动是轴对称的 3 液体的绝对运动无旋 4 流体在不同的圆柱形流面上运动 即绝对 相对速度的径向分速度为 零 5 轴向 面 速度为常数 2 1 平面叶栅奇点法设计理论 在均匀流场中 可以用布置在无厚度的翼型骨线上强度连续变化的奇点 一点涡来代替平面直列叶栅 点涡强度沿骨线的分布规律可以选择 其数学 表达式中的若干系数由已知的绕翼型的环量确定 目前根据假设的骨线形状 的不同 有2 种奇点法 1 圆弧骨线法 2 任意曲线骨线法 1 圆弧骨线法 设计轴流泵叶轮的圆弧法是圆弧骨线奇点积分法的简称 这种方法是用 圆弧薄翼型叶栅 用无限薄的圆弧组成的叶栅 简称圆弧叶栅 代替叶轮的翼 型叶栅 借助于绕流圆弧薄翼型叶栅的积分方程式的解 设计轴流泵叶片 圆弧薄翼型叶栅的几何参数主要有四个 翼型的弦长 栅距t 栅中翼 型安放角尾和翼型曲率角 表示圆弧曲率大小的角度 从圆弧的末端作圆 弧的切线 该切线与翼弦之间的夹角即为曲率角口 在圆弧骨线法中 研究者已经根据叶栅流动解 做出了两类曲线族供设 计者使用 一类是由叶栅稠度倒数t l 为横坐标 以翼型安放角履为参数 以r l 眈z 万为纵坐标表示的曲线族 其中r 1 为绕一个翼型的环量 万为圆弧 7 骨线的曲率角 骨线的拱度与曲率角的关系为 厂 三 二 竺堕 2 1 2s i n 万 该曲线族用于计算骨线拱度 另一类是以骨线曲率角艿为横坐标 以叶 栅稠度倒数t l 为参数 以冲角口为纵坐标表示的曲线族 该曲线族主要用于 计算冲角口 得到冲角后重新计算翼型安放角卢 卢 口 交替运用这两族 西华大学硕士研究生学位论文 曲线 直到翼型安放角尾变化很小为止 骨线确定后加厚骨线 就得到了叶 片剖面 2 任意曲线骨线法 在任意曲线骨线法中 先假设骨线为直线 在骨线上等距离选7 个计算点 或控制点 然后计算所有点涡在这计算点的诱导速度 计算点的速度等于虬 与诱导速度的矢量和 合成后的速度应与骨线相切 根据该条件得到7 个关于 计算点流动角的线性方程 求解对应的线性方程组 可以到7 个计算点的流动 角 从而得到新的叶片骨线 重复上述过程 直到骨线形状变化很小为止 骨线形状确定后 用一定的厚度分布规律加厚骨线 就得到了翼型剖面n 副 奇点法通过点涡强度分布规律来控制叶片表面流速和叶片形状 但是可 选择的点涡强度分布规律很少 不灵活 不容易控制叶片形状 所以奇点法 的应用范围受到限制 2 2 升力法设计理论 升力法是最早用来设计轴流泵叶轮叶片的方法 目前仍然广泛采用 升 力法设计叶片的假定是 叶轮叶片数很少 在叶轮叶片栅中的液体绕流接近 于绕单个机翼的绕流 因而叶轮栅中翼型相互作用对绕流特性影响不大 根据上述假定 可以把轴流式叶轮叶片栅中的每一个翼型看作是孤立的 并应用在风洞中进行单个翼型的试验结果来设计叶片 但是上述假定具有一 定的近似性 为此 在设计中 根据经验资料 对流体绕流栅中翼型与单独 机翼的差别进行修正 所以 这种方法在很大程度上依赖于实验数据 是一 个半理论半经验的方法 可利用平板直列叶栅的修正系数d 1 进行修正 从其中查得修正系数l 则 p l p 三 2 2 式中p y l 单独机翼翼型的升力系数 p y 栅中翼型的升力系数 i 一修正系数 在采用升力法设计叶片的过程中 要用到一些翼型的基本概念和流体动 7 西华大学硕士研究生学位论文 力特性 2 2 1 翼型及其特性 1 翼型几何参数 骨线 翼型上下两边中点的连线 翼弦 通过翼型后端点d 和 翼型中线与前端交点c 的连线 z 称为弦长 厚度 在垂直弦线方向翼 型上下边间的距离 用万表示 相对厚度 厚度和弦长之比 用占 表示 其中的万通常指最大厚度 拱度 翼型骨线与弦线间的距离 用h 表示 相对拱度 拱度与弦长之比 用h 兰表示 其中h 通常指 最大相对拱度 空气动力冲角 绕流翼型不产生环量的来流方向与弦 间的夹角 用f 表示 冲角 无穷远来流 未受翼型扰动 方向与弦间 的夹角 用a a 表示 曲率角 翼型末端中线的切线与弦线间的夹角 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 图2 1 翼型几何参数 f i g2 2p r o f i l ef o r c e 图2 2 翼型受力 西华大学硕士研究生学位论文 2 翼型动力特性 当实际液体绕流单翼时 在翼型上产生作用力r 图2 2 将该力分 解为两个互相垂直的力 只 升力 垂直于来流方向 只 阻力 平行于来流方向 升力和阻力可分别用下式计算 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 无穷远来流速度 未受翼型影响的速度 p 绕流翼型液体的密度 c 们 单翼的升力系数 c 单翼的阻力系数 e c 们的大小和翼型几何参数 来流的冲角及雷诺数有关 对每一种 翼型 这些系数值均可通过风洞试验确定 并将试验结果画成e c 与 冲角的关系曲线 称为翼型的动力特性曲线 因此每种翼型均带有本身的特 性曲线 有时将c y f a a 和e f a a 曲线综合为一条曲线 称为翼型的极线 图 曲线上的每一点注有对应的冲角a a 每种翼型也均有本身的极线图 升力系数c y 和阻力系数e 比值最大的区域称为最高质量区 设计时所选用 的冲角 最好位于最高质量区 以提高泵的效率 合力与升力之间的夹角兄 图 2 2 称为升力角或滑翔角 此角越小升力越大 阻力越小 翼型质量越高 t g z c l cv 1 2 2 2 常用翼型资料 目前 设计轴流泵多借用航空翼型 其中有的翼型没有空蚀特性资料 所以对于空蚀性能难以预测 一 翼型资料应包括的内容 1 翼型厚度变化规律坐标 o 西华大学硕士研究生学位论文 2 动力特性 e c 们和冲角及几何参数的关系 曲线或公式 3 估算空蚀系数的曲线或公式 4 修正单翼和栅中翼型差别的曲线或公式 二 常用翼型如下 1 哥丁根 g o t t i n g e n 翼型 这是1 9 2 1 年在德国哥丁根试得的 翼型资料见参考文献t 3 1 2 b h f m 翼型 这是全苏水力机械研究所专为水力机械研制的翼型 翼型资料见参考文 献t 7 l 3 n a c a 4 4 0 6 4 4 1 5 翼型 这是美国航空咨询委员会研制的翼型 数字的含义是 第一位数字4 表 示翼型的最大相对拱度为4 第二位数字4 表示翼型最大厚度处离前缘的 距离为弦长的十分之四 即4 1 0 后两位数字表示最大的相对厚度的百分数 6 1 5 4 7 9 1 翼型 该翼型的动力特性可借用r a f 6 翼型资料进行估算 生产实践 证明该翼型具有较好的效率和抗空蚀性能 该翼型也可以作为圆弧翼型使用 对于叶轮直径3 0 0 m m 模型叶片 翼型头部圆角半径 0 2 o 5 m m 尾 部r 2 o 1 5 0 4 r a m 大泵按工艺条件确定 5 圆弧翼型 圆弧翼型的骨线为一段圆弧 骨线半径按下式计算 r 2 去 2 r 一 2 2 5 二 r 兰 旦 2 6 8 j i z2 式中卜一弦长 矗 拱度 翼型特性可借用下式估算 该式也可用来估算一般翼型的特性 q l o 1 a 口 l o 粤 口的单位为 1 2 7 l o 西华大学硕士研究生学位论文 f 西 0 0 1 2 0 0 2 鱼 0 0 8 鱼 2 8 fz 6 翼型选择的原则 1 翼型资料应完整 准确 2 根据不同要求 如对空蚀有无特殊要求等 选择不同的翼型 3 采用的冲角最好位于最高质量区 4 翼型的动力特性曲线是对应一定的相对厚度 拱度 得到的 所用 翼型与其不同时 翼型动力特性发生变化 这时可按表示翼型特性的公式进 行修正 2 2 3 升力法设计轴流泵叶轮叶片的基本方程式 要保证能量转换 泵的性能参数 q h n 应与叶片的几何参数之间 有确定的关系 绕流叶栅中的翼型由于翼型的相互影响 和绕流单独翼型的特性不完全 相同 栅中翼型的升力 阻力和单翼类似 用下式表示 e q 户车f 2 9 w 2 只 cx p 詈f 二 式中 q 栅中翼型的升力系数 q 栅中翼型的阻力系数 2 1 0 w 曲 无穷远来流的相对速度 将用r 和r d r 圆柱面所截得的流面层展开成厚度为d r 的微元叶栅 在 栅中翼型上作用的合力r 液体对翼型的作用力 可分解为升力p 和阻力只 因为液体对翼型的作用力和翼型对液体的作用力大小相等方向相反 因此可 以用r 力来计算叶栅对液体所做的功率 叶栅单位时间内对液体作的功应当等于流过叶栅的液体单位时间内所获 得的能量 单位时间内d r 微元叶栅对液体所做的功率为 1 1 西华大学硕士研究生学位论文 d p r u u z 2 1 1 单位时间内流过微元叶栅的液体所获得的能量为 d p p g h 坦 由此 r u g p g h d q h t r 强u u d z 主 一o o 由图 r 哈力r 圆周分量 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 对于微元叶栅可以写成 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 兰 吃2 一 1 u a v 2 一吃1 2 1 8 g g 式中 皿 理论扬程 流过微元叶栅的流量d q 可以写成 a o 2 r c r d r z 枷 f 2 r r z 将r a o 表达式代入式 q q 案专27 l 驾 1 2 2 1 9 2 2 0 西华大学硕士研究生学位论文 或 c 三 一一竺垒 2 7 v 2 9 记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 则 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 上式是升力法设计叶片的基本方程式 它是根据能量转换关系而推得 方程式表示叶栅特性 c i t 允等 和液体运动参数 凡 k 眈 之间的关系 因为泵的性能参数 h q n 是泵内运动参数的外部表现形 式 所以基本方程式的实质是泵性能参数和叶栅几何参数之间的关系式 设计轴流泵叶片 必须满足此方程方能保证能量转换 但是可以用不同 叶栅的参数组合来实现规定的性能参数 其组合之好坏直接影响叶片的效率 和抗空蚀性能 升力法设计叶片的步骤是 选择z 代入方程算出c y 将其修正为单翼 升力系数 有时近似认为q q 而不加修正 由选择翼型的特性确定冲角 a a 则叶片安放角为 成 口 或者与上述相反 给定冲角 口 按翼 型特性确定c 并修正 或不修正 到c 代入基本方程计算 f 总之 程序可以灵活掌握 最终只要满足方程即可 采用传统升力法模型 通过m a t l a b 编程计算 其计算程序如下 q q 1 3 6 0 0 h h 1 n n 西华大学硕士研究生学位论文 d d l z z l 1 1 s 3 6 5 木n 枣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 书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 鼍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 西华大学硕士研究生学位论文 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 设计的z w x b 系列轴流泵叶轮水力计算表如表2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 所示 1 5 西华大学硕士研究生学位论文 表2 1z w x b 6 0 0 水力计算表 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 厕了丽丽 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 西华大学硕士研究生学位论文 表2 3z w x b 8 0 0 水力计算表 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 缈 圪2 g h u 尾 t g 一吒i u v2 2 t d 冗 z ln k 厕了i j 孑万 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