第2章蝸殼的流體動力學數字化設計主要內容蝸殼的作用與分類水輪機蝸殼流道的數字化設計離心泵蝸殼流道的數字化設計2.1

蝸殼的作用與分類大中型水輪機：圓和橢圓斷面的金屬蝸殼、梯形斷面的混凝土蝸殼兩種類型。作用：保證流體在導水機構前形成一定的環量，流體能軸對稱進入導水機構，流量沿導水機構圓周均勻分配。離心泵：梯形與圓弧組合成的梯形斷面蝸殼。作為擴壓元件：1）保證流體在壓出室流動是軸對稱，以保證流體葉輪內形成穩定的相對運動。2）必須將流出葉輪的高速流體收集起來，并將其動能轉換為壓力能。3）消除葉輪速度環量作用。2.2水輪機蝸殼流道的數字化設計2.2.1

水輪機蝸殼的流體動力學設計理論根據水電站水頭高低選擇蝸殼H≥40m金屬蝸殼H≤40m金屬蝸殼或混凝土蝸殼根據水輪機形式選擇蝸殼徑流式和混流式圓形或者橢圓形蝸殼軸流式梯形斷面混凝土蝸殼蝸殼的三種設計方法：①切向速度矩為常數的設計方法；（常采用）②切向速度為常數的設計方法；③切向速度沿蝸殼斷面遞減設計方法。水輪機蝸殼流體動力學數字化設計的主要任務

根據水輪機設計參數選定蝸殼型式、包角及進口斷面流速，在給定的設計水頭、設計流量、導水機構高度及座環尺寸條件下，確定蝸殼各斷面的形狀和尺寸，以數字化定義蝸殼流道的過流表面曲面。在實際工程中，通常要求設計給出單線圖（軸面截線）來表示蝸殼過流表面的空間形狀。2.3.2水輪機蝸殼流道的數字化設計模型

具體定義見教材p51以水輪機金屬蝸殼設計為例，假定流體均勻進入水輪機，蝸殼某斷面的流量定義為從蝸殼鼻端開始逆時針方向測得角度為的函數來描述。斷面設計法數學模型：（1）蝸殼常數C的確定(式2.3)（2）

圓形斷面尺寸的確定(式2.4~6)（3）橢圓形斷面尺寸的確定(式2.7)（4）計算蝸殼臨界幅角(式2.8)2.3.3

水輪機蝸殼流道的數字化設計軟件開發教材P53圖2-3開始水輪機基本工作參數，蝸殼參數及流速參數，座環及蝶形邊參數輸入：1、水輪機基本參數2、蝸殼設計參數3、座環與蝸殼聯接型式及相關參數計算蝸殼進口斷面參數和蝸殼系數，蝸殼常數根據蝸殼與座環聯接型式計算蝸殼的臨界幅角交互輸入圓整的蝸殼進口斷面半徑計算蝸殼其它圓斷面的參數，并圖形顯示檢查計算蝸殼橢圓斷面的參數，并圖形顯示檢查按數據對進口鋼管直徑標準化，顯示有關信息確認按規律保存各斷面特征數據繪制蝸殼斷面單線圖，尺寸標注繪制蝸殼平面單線圖，尺寸標注結束蝸殼過流面三維幾何造型水輪機金屬蝸殼流道的數字化設計計算流程圖

水輪機金屬蝸殼單線圖

金屬蝸殼過流表面三維形狀

2.3

離心泵蝸殼流道的數字化設計離心泵、壓縮機廣泛采用螺旋型蝸殼作為壓出室。螺旋型蝸殼一般由斷面逐漸增大的螺旋線流道和擴散段組成。螺旋型蝸殼廣泛用于單級單吸式離心泵、單級雙吸式離心泵和水平中開式離心泵。2.4.1離心泵蝸殼流道的數字化設計模型

蝸殼流道過流斷面面積F及高度H的計算(式2.10~14)過流斷面圓角的計算(式2.15)各過流斷面幾何尺寸和的計算(式2.16~17)2.4.2離心泵蝸殼流道的數字化設計軟件開發根據蝸殼流道設計的數字化模型，在程序設計時可以首先交互輸入基本設計參數條件，通過計算結果調整各過水斷面圓角值，然后將調整的各過水斷面圓角值作為輸入已知條件，再進行校核計算并顯示圖形。分析檢查過流斷面面積沿螺旋線的變化規律，判斷設計結果的合理性。通過交互式修改設計，直到對設計結果滿意后為止。最后繪制蝸殼流道的單線圖，并將蝸殼流道的斷面數據按規律保存為數據文件，供蝸殼三維幾何造型。程序設計思路：設計結果表達方式蝸殼設計流程蝸殼進口

d4,b4橫截面形狀

rectangle,trapezoid,circle,free-form蝸殼幾何

contourcalculation擴散器

direction,length,shape3D幾何

visualization,export蝸殼設計流程蝸殼設計軟件界面蝸殼設計流程蝸殼進口參數給定手工輸入/讀入葉輪設計文件進口直徑、寬度……蝸殼設計流程徑向擴壓段蝸殼進口參數給定平行/錐形蝸殼設計流程蝸殼進口參數給定體積效率、流量因子環形腔室幾何參數……蝸殼設計流程蝸室橫截面形狀圓形、矩形、梯形對稱、非對稱蝸殼設計流程蝸室橫截面形狀圓形、矩形、梯形對稱、非對稱蝸殼設計流程蝸室型線形狀各過水斷面形狀積疊、面積變化規律面積比、隔舌位置定義Pfleiderer：Cu*Rx=const蝸殼設計流程Stepanoff:Cu=const蝸室型線形狀各過水斷面形狀積疊、面積變化規律面積比、隔舌位置定義蝸殼設計流程蝸室型線形狀用戶自定義面積變化規律蝸殼設計流程