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    轴流泵参数化设计及CFD试分析pdf

      发布时间:2019-05-18 02:28

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      东北大学 硕士学位论文 轴流泵参数化设计及CFD试分析 姓名:苗玉苹 申请学位级别:硕士 专业:流体机械及工程 指导教师:李福忠;张世伟 2003.3.1 东北大学硕士学位论文 摘要 轴流泵参数化设计及CFD试分析 摘要 Aided 年来,计算机辅助谢t(Computer Design,简称CAD)技术在机械行业 广泛的应用。机械CAD己由初始的“甩掉图版”工程向标准化、智能化和 集成化发展,各种各样的机械CAD商业软件不断出现,功能也日趋完善,在提高 设计水平和设计效率上,CAD发挥着积极的作用。 参数化设计和特征建模技术是CAD技术继续发展和适应工业发展要求的两项 重要技术。参数化设计技术有利于建立和管理产品零件库,极大的提高产品的开 发效率。而应用特征建模技术建立的产品特征模型,从产品整个生命周期各阶段 的不同要求来描述产品,完整了提供了产品信息,使得各应用系统可以直接从产 品模型中抽出所需的信息。这就极大的满足了CAD,CAM/CAE集成系统的要求。 轴流泵是一种历史悠久的传统机械,但又是新技术最先引进的装备之一。因 此,其发展是非常迅速的。直到今天,在国民经济各领域中仍起着重要的作用。 虽然前人设计出了一些轴流泵的CAD软件,但基本是二维图形设计,三维造型几 乎没有,不能满足现代工业发展的需要。所以一本文中作者进行了轴流泵的三维 7 参数化设计。 作者阐述了轴流泵的特点、结构、设计方法,在Pro/E中作出了轴流泵的叶轮 和导叶的实体模型。在升力法的基础上,作者采用了VB和Pro/E相结合的编程方 法,实现了轴流泵的三维参数化设计,大大提高了设计效率,缩短了产品周期。 为.轴流泵的计算机集成制造系统的发展铺平了道路。 Fluid 计算流体动力学(Computational 代起伴随着计算机技术的发展而迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展,这 门学科已相当成熟,应用范围不断扩大,至今,CFD的应用早已超越传统的流体 力学和流体工程的范畴,如航空、航天、船舶、动力等,而扩展到化工、建筑、 环境等相关领域中了。 虽然CFD技术的应用不断向广度和深度发展,但从文献部分来看,CFD在轴 流泵的数值模拟方面,还研究的少之又少,至于把有限元分析软件ANSYS用在轴 流泵的分析上,几乎没有。所以,本文中,作者使用ANSYS对设计出的一种轴流 泵进行了试分析。包括对轴流泵入口流道、轮毂面、轮缘面、设计截面进行了数 值模拟,得到了比较合理的结果。 关键词轴流泵CAD参数化CFD Il 查!!垄兰堡主兰堡垒查 垒!!坚竺! Parametric ofAxial Design Flow Pump AndTentative ofCFD Analysis Abstract Recentl aided is in y,the design usedmechanical computer widely industry. MechanicalCADhas been from the alreadydevelopedinitiallydiscarding drawing boardto and kindsofmechanicalCAD standard,intellectual being integrated.All into theirUSeSbecomemoreand overall.CAD softwarehavecomebeing,and more rolein leveland efficiency design ofproducts. playsveryimportantimproving ParametricandFeature arethetwo design Moldingtechnology important in ofCAD.,西e development parametricdesigntechnology technologiessubsequent is and of anditCan favorofestablishment managementproducts improvedesign of featuremodelestablishedFeature efficiencyproducts.孙eproduct by Modeling describesthe fromtheeach inlife,and whole technology product stage provides the Can itsinformationfrom mold of information product product.Everysystemgain the ofCAD/CAM andthisCansatisfied system. requirement itisofleofthe onwhich flow isarchaic the Axialpump machine,but equipments most is it fast.Atthistimeof advanced introduced,and very technology develops day, fieldsof actionin national axialflow very many income. plays important pump CADsoftwareofaxialflow mostofallaretwo have some Peopledesigned pump,but dimensional threedimensionalsoftwareare short,and design,and design exceedingly the thisCannotsatisfiedthe ofmodem author requirementindustry.Soperformances ofaxialflow design pump. parametric 111eauthor the methodsabout specialties,structure,and expatiates design and ofaxial axial-flow drawthemoldsof flow On pump,and impellorguide pump. author bothVB the of and base method,the design compilesprogramusing realizethe ofaxial-flow design pump.Parametricdesign Pro/engineer,andparametric andshorten period. designefficiency product improvesproduct Fluid isthe which fast Dynamicssubject develops Computational very according withthe of inthesixtiesof technology 20“century.More computational development have andthe hasbecomemoreandmoreoverall.At than this fiftyyears past subject has theclassical as timeof ofCFDoutdone fields,suchaviation, application day,the HI 塑坠塑塑圭 塑型 extendedtoother spaceflight,watercraft,power,and as fields,such sources. energy chemistry,surroundings. The ofCFD has applicationtechnology very and developed widely y,but deepl fromthe that havebeen useonaxial papers published,its flow is few.The pumpvery finite element notbeen usedto the analysissoftware,ANSYS,Was floWcaseof analysis axial flow inthis author tentative pump.Sopaper,the simulation performances digital onaxialflow the simulationof pump using ANSYS,includingdigital entrance,hub surface andsurface.Theresultsarecorrect to surface,designtip theory. according words Axial flow CADParametric Key pump CFD 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作过的同学对本研究所做的任何贡献已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名:为匆荔 日期:渺≥,习,中 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三;百y匕 中国加入WTO以及全球制造业向中国的转移,使国内制造业面临全球化的市 场和竞争。在日益激烈的、全球性的市场竞争中,竞争的焦点是如何利用不断涌 现的新技术,在最短的时间内开发出高质量、低成本、高附加值的新产品。 CAD技术是计算机应用技术中推广应用最为深入和广泛的专业应用领域之 一,特别在制造业中的影响力更为突出。随着传统CAD系统在工业界的应用普及 以及现代设计问题的复杂化、智能化,人们不再仅仅满足于用计算机取代人进行 手工绘图。随着信息时代的来临,计算机图形学、人工智能、计算机网络等基础 技术的发展和计算机集成制造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的出 现,使得CAD系统也由单纯二维绘图向三维智能设计、参数化设计方向发展。 正在经历着一场前所未有的革新。【l,21 泵是把原动机的机械能转换为抽送液体能量的机器。原动机通过泵轴带动叶 轮旋转,对液体做功使其能量增加,从而使液体从吸入池经泵的过流部分,输送 到一定的高度。泵的种类很多,按作用原理可分为叶片式泵、容积式泵和其他类 型泵。而叶片式泵又分为离心泵、混流泵、轴流泵;容积式泵分为柱塞泵、齿轮 泵、螺杆泵等;其他类型泵有射流泵、水锤泵等。 1.1轴流泵 1.1.1轴流泵的特点、分类及过流部件 轴流泵是液体轴向流入轴向流出的泵,是一种高比转数泵,其比转数一般为 500~1400。近年来,轴流泵的比转数有提高的趋势,已研制出比转数为2000左右, 甚至更高的轴流泵。轴流泵的特点是流量大,扬程低,轴流泵叶轮直径可达 150—6000mm,扬程1-20m,流量O.02~100m3/s。 按照轴的安装位置可将轴流泵分为立式、卧式和斜式三种。立式轴流泵占地 面积小,叶轮淹没在水中,无需灌水,可省去真空引水设备,起动方便。目前我 国大多数轴流泵均采用立式结构。卧式轴流泵虽然占地面积较大,但可降低厂高 度,有利于采用中开式结构,便于维护和检修。显然,对大型轴流泵来说,采用 卧式结构是不经济的。斜式结构兼有立式和卧式结构的特点,但是斜式结构只有 东北大学硕士学位论文 苎二兰竺笙 用于尺寸较小的轴流泵,才能充分发挥其优点,尺寸越大 在斜坡上安放和移动 越困难。 轴流泵亦可按叶片角度可否改变和如何使之改变来分类。 一般的说,小型轴流泵(250mm以下)的叶片和轮毂铸成一体,叶片角度是不 能改变的,这种轴流泵可称为固定叶片式轴流泵。由于这种泵结构简单,体积小, 重量轻,移动方便,使用于农村河网地区。 中型轴流泵(300mm)-般采用半调式叶轮结构,这种结构与固定式结构相比, 其区别不在于泵安装后能否改变叶片角度,而在于半调式结构可以扩大泵的使用 范围,减少泵的品种,有利于泵的成批生产,降低成本。 大型轴流泵均采用靠液压传动的结构来调节叶片角度。 轴流泵的主要过流部件是吸水室、叶轮和压水室。 轴流泵吸水室又称进水流道,它是指将吸水池中的水直接引向叶轮进口的管 道。叶轮进口处的叶流是否平衡,流速和压力分布是否均匀。对泵的性能有很大 的影响。因此,对吸水室的设计要求是在水力损失最小的条件下将液体引向叶轮 进口,并保证液体流入叶轮时速度分布均匀。 中小型轴流泵常用的是喇叭管和直收缩管吸水室,大型轴流泵常用的是肘型 和钟型吸水室。喇叭管吸水室,其结构简单,水力性能良好。其进口部分呈圆弧 形,圆弧半径R=以和n矽D(D为叶轮直径)。叶轮直径不超过1米的轴流泵常采 用这种吸水室。 轴流泵的压水室采用导叶的形式。 1.1.2轴流泵的应用及水力设计方法 轴流泵在国民经济一些部门得到了广泛应用。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,电站冷却气轮机冷凝用循环水 采用轴流泵。如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。轴流泵还广泛用在医学领域,如微电脑输液泵具有容量调节、 速率调节、阻塞报警、进气、完毕自动报警等多重功能,有效地保证了药物和液 体的准确、顺利输入,大大减轻了护理人员的劳动强度,保证了各项治疗的顺利 实施‘3】;动力性主动脉瓣的基本设计思想是将一推进叶轮植入到主动脉瓣的位置, 由体外提供的电磁场驱动,根据输入的功率不同分别发挥机械性瓣膜或辅助性血 泵两种不同的功能‘41;用转轮泵作为非搏动性血流的长期辅助循环驱动源。 轴流泵水力设计方法中,一般有升力法、圆弧法和奇点分布法。前两种方法 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 应用比较普遍。 升力法就是应用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。这是轴流泵叶轮和导叶的水力设计中使用最广泛的一种方法。 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,就 是为了适应轴流泵内实际流态的一种有效手段,其关键在于根据具体设计要求来 合理的选择环量分布规律。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。这种设计方法使用还不广,还需要进一步完善和积累设计经验。15J 有人在研究传统升力法设计轴流泵经验的基础上,提出了规范化升力设计法。 此方法就是对现有轴流泵优秀水力模型参数和有关资料进行数理统计和回归分 析,得出叶轮结构和叶栅几何参数的计算公式,使设计有关参数值选取规范化的 一种方法,简单易行,可操作性强。161 1.1.3水泵的基本参数 n1流量 流量是在单位时间内所抽送的液体量,有体积流量和质量流量之分,但通常 所说的流量是指体积流量。用Q表示,单位是米3/秒(m3/s)。 (2)扬程 扬程是指单位重量液体通过水泵后所获得的能量,即水泵吸入口处与压出口 处单位重量液体的机械能之差,用H表示,单位是米(m)。 f3)转速 水泵的转速是指水泵转子每分钟旋转的转数,用n表示,单位是转/分(r/rain)。 (4)汽蚀余量 水泵的汽蚀余量是表征水泵汽蚀性能好坏的参数,用NPSH表示,单位为米 (m)。国外称为净正吸入水头。 (5)功率和效率 水泵的功率是指水泵的输入功率,即是原动机传到水泵轴上的功率,用N表 示,单位为瓦(w)。 水泵的输出功率是指液体流过水泵时,由水泵传递给它的有效功率,也就是 质量流量与单位质量流体流过水泵时所增加的能量的乘积,用N。表示。因此水泵 的有效功率为: 巩=OpgH(W)=器(㈣ (13) 输入功率和输出功率之差是水泵内的损失功率,损朱的大小用水泵的效率来 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 计量。 Ⅳ。 水泵效率 ,7 2育 (1.4) (6)比转数 在水泵设计中,一种常用的设计方法是选择一台性能良好的模型泵来进行模 型换算,如果实型泵与模型泵几何相似,设计点的工况也相似,那么就可以用模 型泵的性能来预测所要设计的水泵的性能。在设计水泵时,一般都给定了流量Q, 扬程H,转速n,因而希望能给出一个相似判别数,这个相似判别数即可以用设计 参数q,H,n计算出来,又可以用来判别水泵是否相似,作为选择模型泵的依据, 这个相似判别数称为比转数,一般用n。表示。 =———i— LI·)J(1.5) FIs:—3.6—5_n~[Q Ⅳ4 应当指出,同一台水泵在不同的工况下具有不同的比转数值,但一般所说的 水泵的比转数是指该水泵在最高效率点工况下的比转数值,因此,一台水泵只有 一个比转数。由于比转数可以大致的代表叶轮的形状,所以用比转数可对水泵进 行分类。通常把叶片泵分为低比转数离心泵,中比转数离心泵,高比转数离心泵、 混流泵及轴流泵。 1.2国内外轴流泵CAD技术研究 CAD技术起步于50年代后期。进入60年代,随着在计算机屏幕上绘图变为 可行而开始迅速发展。在CAD软件发展初期,CAD的含义仅仅是图板的替代品, Aided Drawing(orDrafting)而非现在我们经常讨论的 即:意指Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD的发展经历了几个阶段。 CAD(Computer (1)曲面造型系统 60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造 型系统只能表达基本的几何信息,不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺 乏形体的表面信息,CAM及CAE均无法实现。 (2)实体造型技术 SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的 CAD/CAE软件…I—DEAS。由于实体造型技术能够准确表达零件的全部属性,在 理论上有助于统一CAD\CAE\CAM的模型表达,给设计带来了惊人的方便性? 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 (3)参数化技术 . 进入八十年代后期,PTC公司发布了世界上第一个基于约束的参数化造型软 十年代,参数化变得比较成熟起来,充分体现出其在许多通用件、零部件设计上 存在着简便易行的优势。可以认为,参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第 三次技术。 (4)变量化技术 Series Master SDRC公司于1993年推出了欠约束的变量化设计软件一I—DEAS 软件。变量化技术既保持了参数化技术原有的优点,又克服了它的不利之处。它 的成功应用,为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。 目前流行的CAD技术基础理论主要是以Pro/E为代表的参数化造型理论和以 SDRC/I.DEAS为代表的变量化造型理论两大流派。它们都属于基于约束的实体造 型技术。 1.2.1国外轴流泵CAD技术的发展状况 进入九十年代以来,国外轴流泵CAD技术的硬件由以个人机为主转入以工作 站为主。主要原因是进入八十年代后期以来,计算机发展很快,现在的工作站在 计算速度、计算精度和存储器容量方面已达到或超过小型机水平。目前国外轴流 Station2GT、DECStation/5000/240、 泵CAD用的工作站主要有SPARC Station HP9000.M750PVRX及POWERM540等。p1 ~个完整的CAD系统,其软件由三部分组成:系统软件、支撑软件、和应用 软件。系统软件主要指计算机的操作系统和开发应用软件使用的高级语言。目前, 国外轴流泵CAD用工作站几乎均采用UNIX操作系统,在使用高级语言开发CAD 应用软件方面,国外趋向于使用C/C++语言。支撑软件是CAD系统的核心,它直 接决定着CAD系统的规模和水平【9】。国外很重视支撑软件的选择,比较著名的CAD 支撑软件有ANVIL一4000/5000、EUCLID、 ORACLE等软件既可单独使用,也可纳入CAD的支撑系统。Il叫 国外在轴流泵的水力设计中,以非粘性不可压三元流动计算为基础的三元设计 方法已经进入实用阶段。国外轴流泵CAD的应用软件都是保密性质的,其内容涉 及到水力设计、性能预测等诸多方面。据报道,欧洲威尔泵业公司(Weir Ltd.) Pumps 的CAD系统输入参数后,可直接输出刀具的走刀路线,并在图形终端上模拟刀具 的行进轨迹。[tll 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1.2.2我国轴流泵CAD技术的发展水平 我国泵计算机辅助设计(CAD)的研究工作尽管起步较晚,但经过众多学者和工 程技术人员20余年的不断努力,目前在采用一元设计理论进行二维水力设计和绘 型方面已经比较成熟。从20世纪70年代末到90年代中期,主要研究离心泵水力 CAD,并且开发成功了基本实用的离心泵水力设计CAD软件。进入90年代后, 开始对轴流泵CAD展开研究。据文献报道: 行了轴流泵装置的水力设计开发,为轴流泵的转轮、导叶体、进出水流道的水力 设计提供了灵活通用的计算机辅助设计及绘图系统; 为CAD系统的支撑环境,采用简化的三元流动模型、可任意控制的环量径向分布, 运用平面叶栅法开发了轴流泵水力模型CAD/cAM: 江苏理工大学的郭娟、杨敬江、关醒凡【15J应用面向对象技术,利用ObjectARX 类库、MFC类库和编程环境VC”作为软件调试工具,开发了轴流泵CAD软件, 包括叶轮和导叶的水力设计部分,进水流道和出口流道的结构设计部分。 虽然,轴流泵CAD作为泵CAD的一个组成部分,已逐渐被重视,并且不断 发展起来。但是,还是存在一些问题。 1.2.3我国轴流泵CAD技术存在的不足 我国轴流泵CAD技术发展中存在以下几方面的不足: (11二维水力设计和绘型研究的相对较多,而三维实体造型研究的相对较少。 这种作法的一个主要缺点是,各个视图间不能保持尺寸的一致性,即在一个视图 上对某一尺寸的修改,不能自动反映在对应的视图上。 (2)缺乏实用的具有三维实体造型功能的轴流泵CAD软件。现有的水力设计 软件在完成水力设计后,基本上没有进行三维实体造型和CFD分析的功能。 (3)没有将CAD与CAPP、CAM系统进行集成,形成CIMS。 (4)没有将CAD和CFD技术相结合。 (5)缺乏合作,研究方向严重重合。国内有多家单位进行过或正在进行泵CAD 的研究,由于技术保密等原因,其间合作甚少,有些甚至进行的是重复性的研究 工作,这无疑是一种资源浪费,也影响了我国泵CAD的发展速度。 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1.3轴流泵CFD的发展状况分析 Fluid 计算流体动力学(Computational 代起伴随着计算机技术的发展而迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展,这 门学科已相当成熟,应用范围不断扩大,至今,CFD的应用早已超越传统的流体 力学和流体工程的范畴,如航空、航天、船舶、动力等j而扩展到化工、建筑、 环境等相关领域中了。(161 CFD是对所需分析的问题先抽象出其流场的控制方程,然后再用计算数学的 算法将其离散到一系列空间网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制一切 流体流动的基本定律是:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们 可以分别导出连续性方程、动量方程(又称纳维尔一斯托克斯方程)和能量方程。由 它们可以联立得到纳维尔一斯托克斯方程组,简称为N.s方程组。N—S方程组是 流体流动所需遵守的普遍规律。【17】 CFD的数值计算解法多种多样,大体可分为差分法(FDM)、有限元法(FEM)、 发展,计算流体力学越来越受到重视,一些大型商业化通用软件相继问世。如 Fluid ComputationalDynamics 件;Fluent Ltd. Dynamics 公司推出的STAR—CD软件;PHOENICS软件以及ANSYS软件等。 关于CFD技术在轴流泵上的应用,检索的文献是少之又少,几乎是空白。只 有几家单位作了研究。其中: 华中科技大学的羌卫中、张克危【l8】等应用通用流动分析软件STAR—CD作为计 算工具,对一种高扬程排污泵内部流场和外特性进行预测,根据预测的结果进行 改进,直到预测的结果基本满足要求后再进行试验。 清华大学的张宝宁、国家自然基金科学委员会的盂庆国等flgl应用计算机求解 三维N.s方程,对某型血泵叶片通道间内部流场进行了数值仿真。研究分析结果 表明,血泵中流体具有非常复杂的流动情况,为避免流动中分离造成流体升压比 下降和血细胞破坏,对通道的进口和小叶片的安放位置以及叶片高度的变化都提 出了很高的要求。充分应用计算流体力学的发展来推动人工血泵的研究具有非常 广阔的前景。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1.4本课题研究的目的和主要内容 1.4.1本课题的研究目的和意义 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸,或修改已定义好 的零件参数,自动完成对图形中相关部分的改动,从而实现对图形的驱动。【7】 目前我国轴流泵CAD技术还处在二维水力设计水平,生成的模型几何数据不 能直接用于计算机JJNI(CNC),也不能直接用于对模型本身作各种分析(如有限元 计算)。这样势必造成CAD与CAM的脱节。随着机械产品制造技术的发展,计算 机集成制造技术将会在轴流泵生产中得到应用,三维造型系统是CIMS中的关键 技术之一。而参数化设计又是轴流泵发展的必然趋势。实现参数化设计可以极大 的改善图形的修改手段,提高轴流泵设计的柔性,将会在轴流泵的动态设计、公 差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用,体现出很高 的应用价值。 因此,作者提出了“轴流泵的三维造型参数化设计”思想,不仅要实现轴流 泵的三维造型,而且要参数化。 虽然CFD技术的应用不断向广度和深度发展,但从文献部分来看,CFD在轴 流泵的数值模拟方面,还研究的少之又少,至于把有限元分析软件ANSYS用在轴 流泵的分析上,几乎没有。所以,本文中,作者使用ANSYS对设计出的一种轴流 泵进行了试分析。 1.4.2本课题的主要研究内容 本课题的主要内容包括: (1)采用升力法对轴流泵的叶轮和导叶部分进行水力设计。升力法是利用单翼 的实验资料通过修正来设计轴流泵叶片的一种半理论半经验的设计方法。是目前 轴流泵水力设计中用的最广泛的一种方法,发展比较成熟。 (2)采用Visual 三维参数化设计。使用户能方便快捷的设计出不同参数的轴流泵。 (3)将CFD技术应用在轴流泵的数值模拟当中。运用有限元分析软件ANSYS 中的FLOTRAN模块对轴流泵的入口流道部分、轴流泵叶轮叶片的轮毂面、轮缘 面、设计截面进行数值模拟。 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 第二章轴流泵的水力设计 2.1轴流泵水力设计的任务与要求 2.1.1水力设计的任务 轴流泵水力设计的基本任务是根据给定的扬程、流量、效率等设计参数,设 计出具有良好能量转换特性和汽蚀特性的水泵流道形状。 2.1.2水力设计的要求 为了保证所设计的轴流泵具有良好的能量特性和汽蚀特性,水力设计应满足以 下几方面的要求: (1)应使轴流泵内的水力损失最小,以保证泵具有最高的水力效率。 水流流过泵的过流部件时,会产生各种损失。例如在叶轮入口处的冲击损失、 叶片表面的沿程摩擦损失、叶片出口处负压面侧的脱流和旋涡所引起的能量损失 等,水力设计的主要任务之一就是确定最佳的过流部件流道形状,使泵在不同工 J 况下工作时,泵内的各种水力损失之和最小。【2l f2)应保证轴流泵具有必要的汽蚀性能 轴流泵的汽蚀性能是一项很重要的指标。汽蚀不仅会破坏叶轮的流道表面,而 且影响泵的运转特性,当汽蚀严重时,泵的流量、扬程、效率均会显著下降,同 时还伴随着噪声和振动,使泵不能正常工作。近年来,为了减小轴流泵的体积和 重量,一般倾向于提高泵的转速,但转速增加的结果必然会造成汽蚀性能的下降, 因此,在设计中,如何保证泵具有良好的汽蚀性能是一项重要的课题。[211 (3)应使轴流泵具有符合要求的性能曲线 轴流泵是一种通用机械,其应用范围很广,不同的使用条件,对其性能曲线 有不同的要求。在非设计工况下使用时,要求泵的高效范围宽广;为了保证泵系 统运行稳定,要求减小泵性能曲线上出现的驼峰;低比转数的潜水电泵常常因过 载而毁坏电机,所以要求泵的功率曲线尽量平坦,并具有极大值。【20J 9 蔓苎查兰堡主兰!圭垫一 苎三主塑堕至塑坐垄堡苎 2.2液体在轴流泵叶轮中的运动分析f211 液体在轴流泵叶轮中的运动是一种复杂的空间运动,而任何一种空间运动都 可以认为是由三个相互垂直的运动分量的合成。因此,在研究液流在轴流泵叶轮 中的运动时,引入圆柱坐标厂(,,0,?)表示,其中,轴为半径方向;o为圆周方向; z和泵的轴线重合。通常在分析和计算轴流泵叶轮时,采用了圆柱层无关性假设, 即在叶轮中液体质点是在以泵轴线为中心的圆柱面上流动,且相邻各圆柱面上液 体质点的运动互不相关。也就是说v.:0。 液体在轴流泵叶轮中圆柱流面上的流动是一种复合运动,叶轮内任何~点处 液体质点的绝对运动的速度v是该点处牵连速度“与相对速度w的向量和。绝对运 动速度V的大小和方向可按照平行四边形法则确定,圆周速度“沿着叶轮旋转的圆 周方向,液体随叶轮以角速度缈旋转,如该点与轴线的距离为,,则其圆周速度的 值为:甜=甜。W的方向和叶片表面方向有关。为了计算方便,把绝对速度分解为 两个相互垂直的分量v。和v,。v。是沿轴面方向的分量,称为轴面速度,其值和泵 的流量有关。这两个量是容易确定的。 实际上常用的是叶轮进、出口速度三角形,在给定的条件下,可以做出这两 个速度三角形。在设计叶片时,通常按照“、v。和v。做出速度三角形,以确定相 对速度w的方向从而确定叶片安放角。 对于轴流式叶轮,叶栅前后的圆周速度“相同。由于液流的连续性,叶栅前后 的轴面速度v。也相等。因此,可将叶轮进出口的速度三角形重叠在一起,如图2.1。 卜髓 I 自 ● 一 l¨I f hI一 ‘ ¨, I .% j ● 一 图2.1 叶轮叶栅和导叶叶栅速度三角形 and Fig.2.1velocity va//e vatle ofimpellor triangles guide 10 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 2.3轴流泵叶轮的水力设计 2.3.1基本假设 根据轴流泵叶轮内水流运动的特点,可以采用圆柱层间无关性假设,即假定 水流在叶轮中沿着圆柱面流动,各圆柱层问的水流没有相对流动。这样就将轴流 泵叶轮内复杂的空间流动简化为平面直列叶栅的绕流问题,因而轴流泵叶轮叶片 的设计就归结为叶栅的设计。本文采用升力法设计轴流泵的叶轮和导叶部分。升 力法是利用单翼的实验资料通过修正来设计轴流泵叶片的一种半经验半理论的设 计方法。 2.3.2翼型几何参数 翼型的几何尺寸如图2-2【201所示。图中: 骨线一翼型内各内切圆中心的连线; 翼弦一翼型后缘点D和翼型骨线与翼型鼻端的交点C的连线: 厚度一翼型上下面在与翼弦垂直方向上的距离,用占表示; 拱度一骨线与翼弦之间的距离,用h表示; 曲率角一翼型后缘点处骨线的切线与翼弦的夹角,用y表示; 相对拱度一最大拱度与弦长之比; 翼展长度一机翼的横向宽度,用b表示 2.3.3翼型的某些流体动力特性 如图2.312伽所示,若将一翼型置于液流之中,在翼型上就将有作用力R。若 将力R分解为两个相互垂直的力,一个是垂直于无穷远处液流方向的力L,叫做 升力;另一个是与无穷远液流方向相平行的力D,叫做迎面阻力。 L和D可由下式计算: 上:QP车F,D-cDp竿F (2.1) 式中 C,一单翼的升力系数。 C。一单翼的阻力系数; p一流体的密度,单位为(千克/米3); ll 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 u。一无穷远来流速度,单位为(米/秒); F一机翼的最大投影面积,单位为(米2)。 无穷远来流方向和翼弦间的夹角称为冲角,用Aa表示。t96=C。/C。称为阻 升比,5称为升力角。 口 图2.2翼型几何参数 ofaerofoi[ geometricalparameters Fig.2.2 ‘ 图2.3绕流液体对翼型的作用力 force onaerofoil the offloatingliquid Fig.2.3 2.3.4轴流泵叶轮的水力设计 m)、 (1)确定扬程(H)、流量(Q)、转速(n)等基本设计参数,并估算机械效率(n 水力效率(n。)、容积效率(n,)。 (2)计算比转数 L‘。,(2.2) HJ。—ij万一 怫=13.65n矿√rQ 12 苎苎查鲎塑主鲎堡笙圭 苎三兰塑鎏墨塑查垄堡茎 (3)确定轮毂比(V一以/4)和轴面速度v。 轮毂比和比转数的关系见图24。【201 使用SPSS软件拟合成的公式为: V一0.94506一O.001n#十6.277xlO。7疗,2—1.6323xlO一1。一。3(23) V。可以从图2.5口01中查出ku2后,由式2.41201确定: v。。丸:√芝;万 (2.4) v 们 \ t 、 ¨ \ \ ¨ 。\ \ \ \ 吣 0 200 600 1000 1400 I帅0 22帅 2600 nl 图2.4轮毂比和比转数的关系图 and therelationofhubratio Fig.2.4 figure specific speed / / / / / / / / , / 5S0 1.30 ,t0 图2.5k。2和以的关系 therelation coefficientand specific ofvelocity speed Fig.2.5 figure 使用SPSS软件拟合成的公式为: k。2—1.6+00078(n。一478) (2.5) 13 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 (4)确定叶轮内径d。和外径d 吐= 4笺dh/d,)2]] (2.6) dh=吐(d^/d,) (2.7) (5)确定叶片数z,叶栅稠密度l/t 叶片数z可按表2.1L20l选取 ‘ 表2.1比转数与叶片数的关系 Table2.1therelationtable z between一,and ns 500 700 1000 1400 Z 5~6 4~5 3~4 3 A.H巴比尔在理论分析和实践数据综合的基础上得到叶轮轮缘叶栅稠密度 外缘与扬程系数的关系[2l】: 扬程系数: 耻寿 (2.8) 叶栅外缘稠密度 (护s瑚铲oo。 (2.9) 叶栅根部稠密度 (小。一zs“s粉 f2.10) 轮毂和轮缘之间各截面的稠密度可按直线规律或光滑曲线规律变化。 栅距t可由下式求出: t=刀d/: (2.11) (6)计算流面的确定 通常选5个计算流面,各计算截面的半径按式2.12.2.14[21】确定: r5=dt/2一(0.015~0.025)d, (2.12) ,I=dh/2+(0.015~O.025)a, (2.13) 州,z√华,屹=孚,_=半 ∽㈣ (7)确定时栅出口绝对速度圆周分量V心 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 在直径为d的流面上,叶轮叶片的圆周速度为 “=azln/60 f2.151 叶栅出口绝对速度圆周分量为: V。2=gHm/u=gn/“玑 r2.16) (8)确定相对速度脚。及其液流角风 由图2.6【201可知,(19。2=v。2+(“一v。2/2)2 f2.171 (2.18) Ⅳ一p.,Z tg凡2高矗/ 瓤 乏译4弧 。 』^叫。I ’ ^vo 。 I 图2.6叶轮叶片叶栅和导叶叶栅中的速度三角形 and vane of vaneguide velocitytrianglesimpellor Fig.2.6 (9)确定叶轮叶片的升力系数CL长L口o】 a.三可由下式确定: 亿∽ ? Lt警蔷sin(酱v。 p。+s) 占可预选为l度,以后在进行校核。由于前面已经确定了三,故C,也可以求 ‘ 出,最后根据己确定的t求出,。 (10)选择翼型,确定冲角 设计轴流泵所用翼型技术资料,大多数系借用航空翼型,也有从水洞试验研 究得来的。下面为目前常用的几种翼型。本文所建立的翼型库见附录。 11哥廷根翼型 这种翼型因早年在哥廷根实验室进行试验而得名。 15 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 2)RAF.6翼型 3)NACAl6和NACA66翼型 5) 4)NACA翼型(4406.441 该翼型系列由美国航空咨询委员会研制,数字中第一位数表示翼型的最大相 对拱度:第二位数表示最大拱度离翼形前缘的距离,以弦长的十分之几表示;第 三、四位数表示翼型的最大相对厚度(与弦长的百分比)。 各计算流面上的翼型应考虑叶片的强度条件,汽蚀性能,加工工艺条件等选 定。叶片翼型应尽量薄,以提高叶片的汽蚀性能并减轻叶片重量,而按强度和工 艺结构考虑又要有适当的厚度。[191 根据NACA系列翼型的c,一Aa图,用SPSS软件拟合的公式为: Aa=-4+10.1626c, (2.20) (11)确定翼型安放角声 ∥=成+△口 (2.21) 2.4轴流泵导叶的水力设计 导叶的作用是消除叶轮出口液流的环量,并将液流的动能转换为压力能。导 叶进口边一般与叶轮叶片出口边平行,其间距为(O.05~0.1)D,间距过小时容易造 成运转不稳定,而间距过大时,则会增加水力损失。目前常用的导叶设计方法有 流线法、圆弧法和升力法。本课题采用升力法设计。 (1)确定导叶液流角卢。’为: 识2志 r2.22) (2)确定导叶叶片数z’和栅距r。 导叶叶片数比叶轮叶片数要多,常取5~10片为了防止动静叶栅间的相互 干涉,叶轮叶片数与导叶叶片数应互为质数。 栅距t’由式2.23求得: t。:耐+/z+ (2.23) (3)确定导叶的升力系数c, 16 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 先初定导叶的升力角s’,由式2.241201得: 兰鳖竺!!!!璺& q‘[爿= 佗.24) V,sin(fl。’+占’) 求出c。丫1]后, 选取一适当的Z’,q。即可确定。 ‘Lr/ (4)选取翼型,确定冲角△“’ 由于导叶叶片还起支撑件的作用,因而在选择翼型时应考虑强度要求。翼型 选定后,根据该翼型的C。一Aa曲线确定冲角Aa。,同时检查初选的升力角是否适 当。 (5)确定导叶安放角∥。 卢’=成’+△口’ (2.25) 2.5程序的编制 2.5.1轴流泵水力设计中的数据处理 在轴流泵的水力设计中,没有一系列的标准数据库,设计数据以三种形式出 现:一种是公式;另一种是给出范围,用户自行选择;再一种是以图表的形式出现。 为了程序设计的需要,应该把图表转换成公式,再程序化。本课题中采用 forSocial Package Science)软件来实现图表的公式化。 SPSS(Statistics forSocial SPSS(StatiStics Package Science)是世界上最优秀的统计分析 10.0for 软件之一,SPSS Windows是它的最新版本。SPSS已广泛应用于自然科 学、社会科学中,其中涉及的领域包括工程技术、应用数学、经济学、商学、金 融、生物学、医疗卫生、体育、心理学、农林等等,可以说只要有需要对各种数 据如数值型、字符型、逻辑型等进行统计分析的地方,就有SPSS。 2.5.2程序的编制 轴流泵叶轮和导叶的水力设计程序框图如图2.7所示。本文中的水力设计程序 是用VB编制的。 17 东北走学硕士举位论丈 第二章轴流泵的水力设计 图2.7轴流泵设计流程图 2.7theflowchatofaxial—flow designation Fig pump 18 东北大学硕士学位论文 第二章轴流泵的水力设计 VB是一种可视化程序设计语言,所谓“可视化程序设计”是指一种开发图形 用户界面(GUI)的方法,使用这种方法,程序员不需编写大量代码去描述界面元 素的外观和位置,只要把预先建立的界面元素(如按钮、列表框等)用鼠标拖放 到屏幕上适当的位置即可。VB是在原有Basic语言的基础上进一步发展,至今包 含了数百条语句、函数及关键词,其中很多和Windows GUI有直接关系。 从1991年至今,VB已经“升级”到6.0的版本。它之所以发展如此迅速,是 因为具有以下特点: (1)真正的面向对象编程,使开发人员在维护系统运行时只需修改很少的代 码,同时也加快了系统开发的速度。 (2)可视化的编程方法,以及向导的功能,使开发人员几乎不用加入太多代码 就可以开发出标准的Windows应用程序。 (3)数据访问特性允许对包括MicrosoftServer和企业数据库在内的 SQL 大部分数据库格式建立数据库和前端应用程序。 Word 字处理器,MicrosoftExcel电子数据表及其他Windows应用程序,甚至可以直接 使用VisualBasic创建的应用程序和对象。 程序。 f6)已完成的应用程序是真正的.exe文件,供运行时的可自由发布的动态链 接库(DLL)。 下面为本文中计算比转数时的一段程序代码。 PrivateSub Command2_Click0 q=Val(Textl(1).TexO H=Val(Text2(1).Text) n=Val(Text3(1).TexO jx=Val(Text4(1).Text) rx=Val(TextS(1).Text) . SX=Val(Text6(1).Tex0 ns=3.65+n+(q“(1/2

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