Chap2- 蜗壳的流体动力学数字化设计

第2章蜗壳的流体动力学数字化设计主要内容蜗壳的作用与分类水轮机蜗壳流道的数字化设计离心泵蜗壳流道的数字化设计2.1

蜗壳的作用与分类大中型水轮机：圆和椭圆断面的金属蜗壳、梯形断面的混凝土蜗壳两种类型。作用：保证流体在导水机构前形成一定的环量，流体能轴对称进入导水机构，流量沿导水机构圆周均匀分配。离心泵：梯形与圆弧组合成的梯形断面蜗壳。作为扩压元件：1）保证流体在压出室流动是轴对称，以保证流体叶轮内形成稳定的相对运动。2）必须将流出叶轮的高速流体收集起来，并将其动能转换为压力能。3）消除叶轮速度环量作用。2.2水轮机蜗壳流道的数字化设计2.2.1

水轮机蜗壳的流体动力学设计理论根据水电站水头高低选择蜗壳H≥40m金属蜗壳H≤40m金属蜗壳或混凝土蜗壳根据水轮机形式选择蜗壳径流式和混流式圆形或者椭圆形蜗壳轴流式梯形断面混凝土蜗壳蜗壳的三种设计方法：①切向速度矩为常数的设计方法；（常采用）②切向速度为常数的设计方法；③切向速度沿蜗壳断面递减设计方法。水轮机蜗壳流体动力学数字化设计的主要任务

根据水轮机设计参数选定蜗壳型式、包角及进口断面流速，在给定的设计水头、设计流量、导水机构高度及座环尺寸条件下，确定蜗壳各断面的形状和尺寸，以数字化定义蜗壳流道的过流表面曲面。在实际工程中，通常要求设计给出单线图（轴面截线）来表示蜗壳过流表面的空间形状。2.3.2水轮机蜗壳流道的数字化设计模型

具体定义见教材p51以水轮机金属蜗壳设计为例，假定流体均匀进入水轮机，蜗壳某断面的流量定义为从蜗壳鼻端开始逆时针方向测得角度为的函数来描述。断面设计法数学模型：（1）蜗壳常数C的确定(式2.3)（2）

圆形断面尺寸的确定(式2.4~6)（3）椭圆形断面尺寸的确定(式2.7)（4）计算蜗壳临界幅角(式2.8)2.3.3

水轮机蜗壳流道的数字化设计软件开发教材P53图2-3开始水轮机基本工作参数，蜗壳参数及流速参数，座环及蝶形边参数输入：1、水轮机基本参数2、蜗壳设计参数3、座环与蜗壳联接型式及相关参数计算蜗壳进口断面参数和蜗壳系数，蜗壳常数根据蜗壳与座环联接型式计算蜗壳的临界幅角交互输入圆整的蜗壳进口断面半径计算蜗壳其它圆断面的参数，并图形显示检查计算蜗壳椭圆断面的参数，并图形显示检查按数据对进口钢管直径标准化，显示有关信息确认按规律保存各断面特征数据绘制蜗壳断面单线图，尺寸标注绘制蜗壳平面单线图，尺寸标注结束蜗壳过流面三维几何造型水轮机金属蜗壳流道的数字化设计计算流程图

水轮机金属蜗壳单线图

金属蜗壳过流表面三维形状

2.3

离心泵蜗壳流道的数字化设计离心泵、压缩机广泛采用螺旋型蜗壳作为压出室。螺旋型蜗壳一般由断面逐渐增大的螺旋线流道和扩散段组成。螺旋型蜗壳广泛用于单级单吸式离心泵、单级双吸式离心泵和水平中开式离心泵。2.4.1离心泵蜗壳流道的数字化设计模型

蜗壳流道过流断面面积F及高度H的计算(式2.10~14)过流断面圆角的计算(式2.15)各过流断面几何尺寸和的计算(式2.16~17)2.4.2离心泵蜗壳流道的数字化设计软件开发根据蜗壳流道设计的数字化模型，在程序设计时可以首先交互输入基本设计参数条件，通过计算结果调整各过水断面圆角值，然后将调整的各过水断面圆角值作为输入已知条件，再进行校核计算并显示图形。分析检查过流断面面积沿螺旋线的变化规律，判断设计结果的合理性。通过交互式修改设计，直到对设计结果满意后为止。最后绘制蜗壳流道的单线图，并将蜗壳流道的断面数据按规律保存为数据文件，供蜗壳三维几何造型。程序设计思路：设计结果表达方式蜗壳设计流程蜗壳进口

d4,b4横截面形状

rectangle,trapezoid,circle,free-form蜗壳几何

contourcalculation扩散器

direction,length,shape3D几何

visualization,export蜗壳设计流程蜗壳设计软件界面蜗壳设计流程蜗壳进口参数给定手工输入/读入叶轮设计文件进口直径、宽度……蜗壳设计流程径向扩压段蜗壳进口参数给定平行/锥形蜗壳设计流程蜗壳进口参数给定体积效率、流量因子环形腔室几何参数……蜗壳设计流程蜗室横截面形状圆形、矩形、梯形对称、非对称蜗壳设计流程蜗室横截面形状圆形、矩形、梯形对称、非对称蜗壳设计流程蜗室型线形状各过水断面形状积叠、面积变化规律面积比、隔舌位置定义Pfleiderer：Cu*Rx=const蜗壳设计流程Stepanoff:Cu=const蜗室型线形状各过水断面形状积叠、面积变化规律面积比、隔舌位置定义蜗壳设计流程蜗室型线形状用户自定义面积变化规律蜗壳设计流程