西華大學碩士學位論文 軸流泵葉輪的改進升力法設計及內部流場計算 流體機械及工程專業 研究生張青指導教師宋文武 軸流泵廣泛應用于國民經濟各領域 提高軸流泵的研究和設計水平 對國民經濟的發展及節約能源將產生重要的影響 要提高軸流泵效率 擴大其工況范圍及提高其可靠性 必須對泵內部流動進行深入的研究 本文基于此 對傳統的軸流泵葉輪設計方法 升力法進行進一步研究 考慮流動邊界層以及葉輪輪緣間隙流動等的影響 對升力法模型進行改 進 提出改進后的升力法模型 通過編程計算 用上述兩種方法分別對 z w x b 系列軸流泵葉輪進行了水力計算與設計 并以z w x b l 2 0 0 軸流泵為 例采用c f d 技術 對設計完成的水力模型進行了內部流場分析與數值計 算 得到改進升力法設計的水力模型的性能指標較傳統升力法好 這充 分說明在考慮了葉片端部靠近外殼和輪轂等區域的實際流動 以及靜止 外殼壁面上的環狀邊界層流動 轉動葉片表面上的邊界層以及葉片端部 和外殼之間的間隙流動等的相互干涉等問題后 改進的升力法設計的葉 輪葉片在葉端及葉根部分采用了加長前傾的扭曲形狀 從而有效地控制 外殼和輪轂表面上的環狀邊界層的發展及葉片負壓面上邊界層的分離 同時減少了葉片端部載荷 降低間隙流動的影響 使葉片的形狀更好地 與實際流動相符 改善了葉片之間的二次流動以及各種旋渦對流動的影 晌 從流動數值計算的結果來看 采用改進升力法設計的軸流泵葉輪葉 片的效率要比傳統升力法設計的軸流泵效率 在各個工況下平均要高 1 5 左右 本文還對軸流泵葉輪葉片外緣間隙內的流動進行了計算 考查了間 隙分別為1 5 m m 和2 5 m m 時間隙中的流動情況 以及間隙的改變對葉輪 性能的影響 同時得到了各工況下葉片上的速度與壓力的分布規律 本文提出的改進升力法設計軸流泵的模型是正確的 從而為軸流泵 設計提供了新的設計理念和方法 關鍵詞 軸流泵 改進升力法 數值模擬 間隙流動 l 西華大學碩士學位論文 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 西華大學碩士學位論文 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 西華大學碩士研究生學位論文 聲明 本人聲明 所呈交的學位論文是在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包括其他人已 經發表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得西華大學或其他教育機構的學 位或證書而使用過的材料 與我同意工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示謝意 本學位論文成果是本人在西華大學攻讀碩士研究生期間在導師指導下取 得的 論文成果歸西華大學所有 特此聲明 作者躲磬專川年歲月礦日 翩簽名私武沖朋仞日 西華大學碩士研究生學位論文 第一章概述 泵是使用最廣泛的通用機械之一 耗電量約占全國總電量的2 5 其中軸 流泵又占有相當大的比例 在大中型水利工程及眾多的機電排灌站中 大部分 都使用了軸流泵機組 軸流泵的特點是流量大 揚程低 主要用于農田排灌 防洪排澇 城市給排水和跨流域調水工程 我國南方大部分地區江河縱橫 湖 泊遍布 汛期需要排水 遇旱需要灌溉 是使用軸流泵最多的地方 在農田排 灌方面 小塊田地的灌溉采用可移動式小型軸流泵 防洪排澇則采用大中型軸 流泵 在水利建設 跨流域調水方面采用大型軸流泵 在電站建設中 電站冷 卻汽輪機冷凝用循環水采用軸流泵 其他如城市給水和排水 大型鋼鐵聯合企 業生產用水和船塢進排水 淺水船舶的推進 通常也采用軸流泵 設計一種高 質量的軸流泵無疑是從節能上或是從效率的角度 都能給國家和社會帶來巨大 的經濟效益 在全面改革的今天 圍繞價值 以最低的成本為目標 設計出一 種經濟 高效 安全 可靠 實用的泵 無疑是擺在泵業設計人員面前的一項 艱巨而有現實的任務 我國軸流泵葉輪水力模型的效率 從總體上比國外先進水平低l 3 主 要原因是對軸流泵內的真實流動現象研究不夠深入 設計方法不夠先進 軸流 泵的葉輪葉片是軸流泵關鍵部件 他們對軸流泵葉輪葉片都是采用現有通常的 升力法或奇點分布法進行設計 這些設計方法均未考慮到葉片端部靠近外殼和 輪轂等區域 靜止的外殼壁面上的環狀邊界層與轉動葉片表面上的邊界層以及 通過葉片端部和外殼之間的間隙流動相互干涉 以及葉片之間的二次流 形成 的包括分離在內的復雜的非定常流動 產生的馬蹄形渦 泄露渦及尾渦等各種 旋渦 上述這些復雜流動因素 造成現有軸流泵水力模型效率偏低 水力損失 很大 本論文采用了改進升力法設計軸流泵葉片 考慮了葉片輪轂區域的邊界 層流動和輪緣區域的間隙流動 提高了軸流泵的效率 1 1 課題來源及名稱 課題來源 自貢工業泵有限責任公司 課題名稱 z w x b 系列軸流泵的水力模型研究 西華大學碩士研究生學位論文 1 2 課題研究的目的和意義 眾所周知 泵 鼓風機 通風機等葉輪機械是動力機械中非常重要的組 成部分 其中 軸流泵在國民經濟各部門中占有非常重要的地位 特別是冶 金 石油化工 天然氣輸送 制冷 動力以及農業灌溉等工農業部門中獲得 了廣泛的應用 因此 提高軸流泵葉輪效率以及提升軸流泵的設計水平 具 有重大的社會效益和經濟效益 而葉輪作為軸流泵的關鍵部件 其性能直接 影響著軸流泵的工作性能 因此軸流泵設計的主要任務是設計出能保證各項 性能要求的高效率葉輪 在軸流泵輪緣區 間隙的存在導致葉輪頂端泄漏 形成間隙流動現象 i n o u e 8 1 對軸流式壓氣機 吳克啟 1 對斜流風機葉輪出口流場 采用熱線風速 儀進行了深入的試驗研究 表明間隙流動對葉輪性能和出口流場結構產生很 大的影響 l a k s h m i n a r a y a n a 8 1 對軸流式壓氣機葉輪輪緣和輪轂區損失和葉 型損失進行了研究 指出葉片頂部輪緣和輪轂區的損失既朝展向延伸 更朝 周向擴展 以至影響整個通道 而由于間隙流場的測試工作相對困難 進行 廣泛的試驗研究受到試驗條件限制 采用數值模擬方式準確預測這些復雜流 動現象 逐漸成為新的研究途徑和手段 本論文為了考查軸流泵輪緣區域的 邊界層流動和輪轂區域的間隙流動現象 在不同頂端間隙條件下 基于n s 方程 采用標準k 一 湍流模型 及s i m p l e c 算法對軸流泵區域的邊界層流動和 輪轂區域的間隙流動特性進行了數值研究 1 3 國內外現狀和發展趨勢 我國軸流泵的發展走了一條由仿制到自主開發的道路 2 0 世紀6 0 年代初 我國開始生產軸流泵 當時主要按蘇聯的水力模型進行仿制 制造了葉輪直 徑為1 5 4 0 m m 的6 4 z l b 5 0 型泵 2 0 世紀7 0 年代末至8 0 年代初 我國研制了一 批優秀的軸流泵模型 其水力性能己與當時先進國家軸流泵模型性能不相上 下 2 0 世紀9 0 年代以來 我國軸流泵產量逐年上升 至1 9 0 年代末基本上維持 在年產1 0 0 0 0 臺左右 生產的大中型軸流泵共計有4 0 多種型號 5 0 多種不同規 格 流量范圍q 0 0 2 5 6 0 m 3 s 揚程范圍h 2 0 2 1 8 m 其中 屬于大型的 有1 0 多種型號 1 5 種規格 已經能制造口徑d 4 5 0 0 m m 揚程h 7 m 流量 q 5 7 5 m 3 s 的大型軸流泵 近年來 為滿足我國東部沿海地勢低洼地區排灌 2 西華大學碩士研究生學位論文 業和 南水北調 東線工程的需要 國內有關科研單位研制出了一系列比轉 速的軸流水力模型 同時進行了大型低揚程軸流泵裝置模型的開發研究 在 泵裝置的能量特性 空蝕特性方面取得了較大進展 研制出了一批高比轉速 低揚程軸流泵裝置新型式 如 軸伸式軸流泵 1 5 0 斜式軸流泵 4 5 0 斜式軸 流泵 豎井貫流泵等 其中 兩種斜伸式軸流泵均已在泵站投入運行 情況 良好 1 0 1 0 泵的水力設計方法也取得了一些重大進展 在國外 荷蘭 日本和 前蘇聯等國的大型軸流泵有很大發展 泵的設計制造技術水平較高 如荷蘭 大型軸流泵葉輪直徑d 3 6 m 設計揚程h i 2 m 設計流量q 3 7 5m 3 s 配 套功率9 2 5 k w 齒輪變速傳動 1 0 1 在日本開發的最大口徑軸流泵中 電業社 研制的立式可調軸流泵 e l 徑3d 6 0 0 r n m q 3 5 4 5m 3 s 荏元制作所研制 的立式軸流泵 e l 徑d 4 6 0 0 m m q 5 0m 3 s 1 0 l 原蘇聯生產的軸流泵主要用于 調水工程 葉片不可調和可調型立式軸流泵 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 美國g o u l d s 公司生產的臥式 軸流泵 口徑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 同時 臥式的貫流式軸流水泵也被開發出來1 1 0 1 2 0 世紀7 0 年代初 日本生 產了一種泵 電機功率1 3 0 0 k w 葉輪直徑d 4 2 m 流量q 4 0m 3 s 設計揚程 h 2 6 m 原蘇聯和北歐也推廣這種泵 1 0 1 在二十世紀五六十年代 流體機械的設計基礎是由l o r e n t z 提出的通流 理論 即假定葉輪是由無數多 無限薄葉片組成 這樣就把葉輪內的復雜三 維流動轉化為軸對稱流動 根據軸面流動規律的不同假設有一元理論和二元 理論以及三元理論的設計方法 其構成流動理論的基礎是流動質量守恒 動 量守恒 能量守恒 對于軸流式流體機械 基于圓柱層無關性假設 通常應 用升力法 圓弧法 奇點分布法和保角變換法等平面葉柵設計方法進行葉型 設計 升力法就是應用機翼翼型的繞流特性并依據實驗數據進行適當修正的 葉片設計法 這是最早用來設計軸流泵葉輪的設計方法 目前仍廣泛應用 我國科技人員提出了軸流泵出口環量分布的設計方法 采用變環量設計是為 了適應軸流泵內實際流態的一種有效方法 其關鍵在于根據具體設計要求來 合理地選擇環量分布規律1 1 11 任意變環量設計 實質上就是沿葉輪葉片徑向 的不等功設計 該種設計方法使用面還不廣 還需要進一步積累和完善設計 經驗 現階段我國工程設計中較多采用的仍是這些方法 而對于亞音速不可 西華大學碩士研究生學位論文 壓縮流動的軸流式流體機械來說 葉輪的研究方法主要有 1 正問題 利用給定流體機械流場的幾何邊界條件 初值條件和適合流 場方程 求解流場分布 2 反問題 利用給定流場的流體參數分布 求解葉片的幾何參數 也就 是設計問題 3 雜交問題 利用給定部分幾何參數和部分物理參數分布 求解葉片另 一部分幾何參數和另一部分物理參數 4 最優化問題 不給定幾何形狀 參數分布 而是給定一定的設計約束 達到最佳設計方案 z w x b 系列軸流泵系軸流式蒸發循環泵 廣泛運用于大流量 低揚程 的地方 如真空制鹽蒸發強制循環泵 芒硝蒸發強制循環泵 氧化鋁蒸發系 統強制循環泵等 還可用于大型輸水工程 其輸送介質溫度在0 18 0 c 之 間 流量范圍q 5 6 0 1 2 2 0 0 0 m 3 h 揚程范圍為h i 5 6 m 它與蝸殼軸流 泵相比 1 在結構上具有自身的特點 例如采用懸臂彎管式結構 懸掛式安 裝 無泵基礎 管線上無膨脹節 泵軸采用對焊或包覆工藝 滿足傳動強度 和耐磨蝕性能要求 零部件的安裝 拆卸均方便 泵運行可靠 整機壽命高 振動小 噪音低等 而對z w x b 系列軸流泵葉輪的設計研究主要是采用升力 法來進行的 沒有考慮葉片輪緣和輪毅對液流的影響 也沒有對輪緣處間隙 的大小對泵效率的影響進行研究 1 4 本課題的主要研究內容及技術路線 課題內容 對傳統的軸流泵葉輪設計方法一升力法進行進一步研究 考慮流動邊界 層以及葉輪輪緣間隙流動等的影響 對升力法模型進行改進 提出改進后的 升力法模型 對z w x b 系列軸流泵進行葉輪水力模型的設計 再利用流動分 析軟件f l u e n t n u m e c a 進行流動模擬 以驗證改進的升力法模型的正確性 同時考查葉輪輪緣間隙的改變對軸流泵性能 流動以及壓力等的影響 途徑及技術路線 1 傳統升力法設計軸流泵葉輪的設計思想 4 西華大學碩士研究生學位論文 2 研究邊界層及葉輪間隙處的流動情況以及它們對泵性能的影響 3 考慮流動邊界層以及葉輪輪緣間隙流動等的影響 對升力法模型進行 改進 提出改進后的升力法模型 4 應用升力法模型和改進的升力法模型設計計算z w x b 系列軸流泵葉 輪的水力模型 5 具體以z w x b l 2 0 0 泵為例 利用g a m b i t 等軟件建立該泵的幾何模型 在n u m e c a 軟件的i g g o m 模塊中進行幾何模型處理和采用結構化網 格進行網格劃分 并在 m e c a 軟件的f i n e 模塊進行流動模擬 最后運用其后處理模塊c f v i e w t m 對計算結果進行軸流泵性能 流動 以及壓力等的分析比較 驗證改進升力法模型的正確性 同時考查葉 輪輪緣間隙的改變對軸流泵性能 流動以及壓力等的影響 西華大學碩士研究生學位論文 第二章軸流泵葉輪水力設計 實際工程中應用的軸流泵葉片的設計理論都是二維流動理論 二維流動 理論的計算假定是 1 流體是不可壓的理想流體 運動是定常的 2 流動是軸對稱的 3 液體的絕對運動無旋 4 流體在不同的圓柱形流面上運動 即絕對 相對速度的徑向分速度為 零 5 軸向 面 速度為常數 2 1 平面葉柵奇點法設計理論 在均勻流場中 可以用布置在無厚度的翼型骨線上強度連續變化的奇點 一點渦來代替平面直列葉柵 點渦強度沿骨線的分布規律可以選擇 其數學 表達式中的若干系數由已知的繞翼型的環量確定 目前根據假設的骨線形狀 的不同 有2 種奇點法 1 圓弧骨線法 2 任意曲線骨線法 1 圓弧骨線法 設計軸流泵葉輪的圓弧法是圓弧骨線奇點積分法的簡稱 這種方法是用 圓弧薄翼型葉柵 用無限薄的圓弧組成的葉柵 簡稱圓弧葉柵 代替葉輪的翼 型葉柵 借助于繞流圓弧薄翼型葉柵的積分方程式的解 設計軸流泵葉片 圓弧薄翼型葉柵的幾何參數主要有四個 翼型的弦長 柵距t 柵中翼 型安放角尾和翼型曲率角 表示圓弧曲率大小的角度 從圓弧的末端作圓 弧的切線 該切線與翼弦之間的夾角即為曲率角口 在圓弧骨線法中 研究者已經根據葉柵流動解 做出了兩類曲線族供設 計者使用 一類是由葉柵稠度倒數t l 為橫坐標 以翼型安放角履為參數 以r l 眈z 萬為縱坐標表示的曲線族 其中r 1 為繞一個翼型的環量 萬為圓弧 7 骨線的曲率角 骨線的拱度與曲率角的關系為 廠 三 二 竺墮 2 1 2s i n 萬 該曲線族用于計算骨線拱度 另一類是以骨線曲率角艿為橫坐標 以葉 柵稠度倒數t l 為參數 以沖角口為縱坐標表示的曲線族 該曲線族主要用于 計算沖角口 得到沖角后重新計算翼型安放角盧 盧 口 交替運用這兩族 西華大學碩士研究生學位論文 曲線 直到翼型安放角尾變化很小為止 骨線確定后加厚骨線 就得到了葉 片剖面 2 任意曲線骨線法 在任意曲線骨線法中 先假設骨線為直線 在骨線上等距離選7 個計算點 或控制點 然后計算所有點渦在這計算點的誘導速度 計算點的速度等于虬 與誘導速度的矢量和 合成后的速度應與骨線相切 根據該條件得到7 個關于 計算點流動角的線性方程 求解對應的線性方程組 可以到7 個計算點的流動 角 從而得到新的葉片骨線 重復上述過程 直到骨線形狀變化很小為止 骨線形狀確定后 用一定的厚度分布規律加厚骨線 就得到了翼型剖面n 副 奇點法通過點渦強度分布規律來控制葉片表面流速和葉片形狀 但是可 選擇的點渦強度分布規律很少 不靈活 不容易控制葉片形狀 所以奇點法 的應用范圍受到限制 2 2 升力法設計理論 升力法是最早用來設計軸流泵葉輪葉片的方法 目前仍然廣泛采用 升 力法設計葉片的假定是 葉輪葉片數很少 在葉輪葉片柵中的液體繞流接近 于繞單個機翼的繞流 因而葉輪柵中翼型相互作用對繞流特性影響不大 根據上述假定 可以把軸流式葉輪葉片柵中的每一個翼型看作是孤立的 并應用在風洞中進行單個翼型的試驗結果來設計葉片 但是上述假定具有一 定的近似性 為此 在設計中 根據經驗資料 對流體繞流柵中翼型與單獨 機翼的差別進行修正 所以 這種方法在很大程度上依賴于實驗數據 是一 個半理論半經驗的方法 可利用平板直列葉柵的修正系數d 1 進行修正 從其中查得修正系數l 則 p l p 三 2 2 式中p y l 單獨機翼翼型的升力系數 p y 柵中翼型的升力系數 i 一修正系數 在采用升力法設計葉片的過程中 要用到一些翼型的基本概念和流體動 7 西華大學碩士研究生學位論文 力特性 2 2 1 翼型及其特性 1 翼型幾何參數 骨線 翼型上下兩邊中點的連線 翼弦 通過翼型后端點d 和 翼型中線與前端交點c 的連線 z 稱為弦長 厚度 在垂直弦線方向翼 型上下邊間的距離 用萬表示 相對厚度 厚度和弦長之比 用占 表示 其中的萬通常指最大厚度 拱度 翼型骨線與弦線間的距離 用h 表示 相對拱度 拱度與弦長之比 用h 蘭表示 其中h 通常指 最大相對拱度 空氣動力沖角 繞流翼型不產生環量的來流方向與弦 間的夾角 用f 表示 沖角 無窮遠來流 未受翼型擾動 方向與弦間 的夾角 用a a 表示 曲率角 翼型末端中線的切線與弦線間的夾角 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 圖2 1 翼型幾何參數 f i g2 2p r o f i l ef o r c e 圖2 2 翼型受力 西華大學碩士研究生學位論文 2 翼型動力特性 當實際液體繞流單翼時 在翼型上產生作用力r 圖2 2 將該力分 解為兩個互相垂直的力 只 升力 垂直于來流方向 只 阻力 平行于來流方向 升力和阻力可分別用下式計算 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 無窮遠來流速度 未受翼型影響的速度 p 繞流翼型液體的密度 c 們 單翼的升力系數 c 單翼的阻力系數 e c 們的大小和翼型幾何參數 來流的沖角及雷諾數有關 對每一種 翼型 這些系數值均可通過風洞試驗確定 并將試驗結果畫成e c 與 沖角的關系曲線 稱為翼型的動力特性曲線 因此每種翼型均帶有本身的特 性曲線 有時將c y f a a 和e f a a 曲線綜合為一條曲線 稱為翼型的極線 圖 曲線上的每一點注有對應的沖角a a 每種翼型也均有本身的極線圖 升力系數c y 和阻力系數e 比值最大的區域稱為最高質量區 設計時所選用 的沖角 最好位于最高質量區 以提高泵的效率 合力與升力之間的夾角兄 圖 2 2 稱為升力角或滑翔角 此角越小升力越大 阻力越小 翼型質量越高 t g z c l cv 1 2 2 2 常用翼型資料 目前 設計軸流泵多借用航空翼型 其中有的翼型沒有空蝕特性資料 所以對于空蝕性能難以預測 一 翼型資料應包括的內容 1 翼型厚度變化規律坐標 o 西華大學碩士研究生學位論文 2 動力特性 e c 們和沖角及幾何參數的關系 曲線或公式 3 估算空蝕系數的曲線或公式 4 修正單翼和柵中翼型差別的曲線或公式 二 常用翼型如下 1 哥丁根 g o t t i n g e n 翼型 這是1 9 2 1 年在德國哥丁根試得的 翼型資料見參考文獻t 3 1 2 b h f m 翼型 這是全蘇水力機械研究所專為水力機械研制的翼型 翼型資料見參考文 獻t 7 l 3 n a c a 4 4 0 6 4 4 1 5 翼型 這是美國航空咨詢委員會研制的翼型 數字的含義是 第一位數字4 表 示翼型的最大相對拱度為4 第二位數字4 表示翼型最大厚度處離前緣的 距離為弦長的十分之四 即4 1 0 后兩位數字表示最大的相對厚度的百分數 6 1 5 4 7 9 1 翼型 該翼型的動力特性可借用r a f 6 翼型資料進行估算 生產實踐 證明該翼型具有較好的效率和抗空蝕性能 該翼型也可以作為圓弧翼型使用 對于葉輪直徑3 0 0 m m 模型葉片 翼型頭部圓角半徑 0 2 o 5 m m 尾 部r 2 o 1 5 0 4 r a m 大泵按工藝條件確定 5 圓弧翼型 圓弧翼型的骨線為一段圓弧 骨線半徑按下式計算 r 2 去 2 r 一 2 2 5 二 r 蘭 旦 2 6 8 j i z2 式中卜一弦長 矗 拱度 翼型特性可借用下式估算 該式也可用來估算一般翼型的特性 q l o 1 a 口 l o 粵 口的單位為 1 2 7 l o 西華大學碩士研究生學位論文 f 西 0 0 1 2 0 0 2 魚 0 0 8 魚 2 8 fz 6 翼型選擇的原則 1 翼型資料應完整 準確 2 根據不同要求 如對空蝕有無特殊要求等 選擇不同的翼型 3 采用的沖角最好位于最高質量區 4 翼型的動力特性曲線是對應一定的相對厚度 拱度 得到的 所用 翼型與其不同時 翼型動力特性發生變化 這時可按表示翼型特性的公式進 行修正 2 2 3 升力法設計軸流泵葉輪葉片的基本方程式 要保證能量轉換 泵的性能參數 q h n 應與葉片的幾何參數之間 有確定的關系 繞流葉柵中的翼型由于翼型的相互影響 和繞流單獨翼型的特性不完全 相同 柵中翼型的升力 阻力和單翼類似 用下式表示 e q 戶車f 2 9 w 2 只 cx p 詈f 二 式中 q 柵中翼型的升力系數 q 柵中翼型的阻力系數 2 1 0 w 曲 無窮遠來流的相對速度 將用r 和r d r 圓柱面所截得的流面層展開成厚度為d r 的微元葉柵 在 柵中翼型上作用的合力r 液體對翼型的作用力 可分解為升力p 和阻力只 因為液體對翼型的作用力和翼型對液體的作用力大小相等方向相反 因此可 以用r 力來計算葉柵對液體所做的功率 葉柵單位時間內對液體作的功應當等于流過葉柵的液體單位時間內所獲 得的能量 單位時間內d r 微元葉柵對液體所做的功率為 1 1 西華大學碩士研究生學位論文 d p r u u z 2 1 1 單位時間內流過微元葉柵的液體所獲得的能量為 d p p g h 坦 由此 r u g p g h d q h t r 強u u d z 主 一o o 由圖 r 哈力r 圓周分量 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 對于微元葉柵可以寫成 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 蘭 吃2 一 1 u a v 2 一吃1 2 1 8 g g 式中 皿 理論揚程 流過微元葉柵的流量d q 可以寫成 a o 2 r c r d r z 枷 f 2 r r z 將r a o 表達式代入式 q q 案專27 l 駕 1 2 2 1 9 2 2 0 西華大學碩士研究生學位論文 或 c 三 一一竺壘 2 7 v 2 9 記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 則 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 上式是升力法設計葉片的基本方程式 它是根據能量轉換關系而推得 方程式表示葉柵特性 c i t 允等 和液體運動參數 凡 k 眈 之間的關系 因為泵的性能參數 h q n 是泵內運動參數的外部表現形 式 所以基本方程式的實質是泵性能參數和葉柵幾何參數之間的關系式 設計軸流泵葉片 必須滿足此方程方能保證能量轉換 但是可以用不同 葉柵的參數組合來實現規定的性能參數 其組合之好壞直接影響葉片的效率 和抗空蝕性能 升力法設計葉片的步驟是 選擇z 代入方程算出c y 將其修正為單翼 升力系數 有時近似認為q q 而不加修正 由選擇翼型的特性確定沖角 a a 則葉片安放角為 成 口 或者與上述相反 給定沖角 口 按翼 型特性確定c 并修正 或不修正 到c 代入基本方程計算 f 總之 程序可以靈活掌握 最終只要滿足方程即可 采用傳統升力法模型 通過m a t l a b 編程計算 其計算程序如下 q q 1 3 6 0 0 h h 1 n n 西華大學碩士研究生學位論文 d d l z z l 1 1 s 3 6 5 木n 棗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 書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 鼉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 西華大學碩士研究生學位論文 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 設計的z w x b 系列軸流泵葉輪水力計算表如表2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 所示 1 5 西華大學碩士研究生學位論文 表2 1z w x b 6 0 0 水力計算表 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 廁了麗麗 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 西華大學碩士研究生學位論文 表2 3z w x b 8 0 0 水力計算表 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 緲 圪2 g h u 尾 t g 一吒i u v2 2 t d 冗 z ln k 廁了i j 孑萬 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