水泵水力设计_CH5.ppt.ppt

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第五章轴流泵的水力设计,主要内容,轴流泵概述液体在叶轮中的运动分析机翼与叶栅的升力理论叶轮的设计计算导叶的设计计算吸水室的设计计算,5-1轴流泵概述,一、特点,流量大、扬程低、比转速高Q：

0.370（m3/s）当Q8（m3/s）时，属大型轴流泵H：

1.015（m）D:

0.25（m）ns:

5001600例：

南水北调东线，从长江调水1000m3/s，35座泵站，几乎全部用轴流泵,二、结构型式,按叶片的安放角度是否可调，分为：

固定式叶片轴流泵：

叶片固定在轮毂体上（一体结构），角度不可调半调节叶片轴流泵：

停机拆下叶轮后可调整叶片的角度全调节叶片轴流泵：

借助调节机构，在泵运行时可自动调节叶片角度,三、组成,基本部件：

1、叶轮2、导叶3、轴4、进水喇叭管5、出水弯管结构划分：

调节机构转轮室轮毂体扩散管,四、叶轮设计方法,1、升力法以翼型的绕流特性并依据实验数据进行修正的叶片设计法，是一半理论、半经验的方法2、圆弧法利用无限薄的圆弧翼型叶栅代替叶片栅，借助绕流圆弧翼型叶栅的积分方程式的解，来计算叶片。

程序简单、实用3、奇点分布法采用分布的奇点系列（涡、源、汇）代替叶片,5-2流体在叶轮中的运动分析,一、圆柱层无关性假定,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。

即液体质点运动的Vr=0.圆柱面即是流面。

二、直列叶栅,因为无关性假定，所以，流动可简化为研究圆柱面上的流动，用dr截取微小圆柱层，取出后沿母线切开，展为平面，叶片截面（翼型）组成平面直列叶栅。

考虑到翼型等距，所以，可视为平面无限直列叶栅。

这样，轴流泵内的流动，可简化为研究对应几个圆柱流面的叶栅中的绕翼型的流动。

叶栅的主要性能参数：

1、列线栅中翼型对应点的连线2、栅轴与列线垂直的直线3、栅距翼型间的距离t4、稠密度翼弦l与栅距t之比5、安放角翼弦与列线的夹角e6、冲角无穷远处来流方向与弦夹角7、叶轮直径D，轮毂直径dh,三、速度三角形,1、进口速度三角形,2、出口速度三角形,或：

（进出口速度三角形可重叠画在一起）,注意：

一般,3、,在叶栅计算时，取叶栅前后相对速度W1，W2的平均值W，作为无穷远处来流的速度。

Vm可用Vm代替：

其中：

k为排挤系数，可按下式计：

四、径向平衡理论,由于沿半径方向上各个流面（基元级）上的流动不是相互独立的，因此，要建立之间的联系。

本章引入如下简化（假定）：

（1）介质的流动是理想的稳定流动，与外界没有热交换，并略去策略影响。

（2）圆柱层无关性假定，即（3）流动是轴对称的，即,由达朗倍尔原理，作用在流体微元上的压力与离心力相平衡，则可推得：

该式即为径向平衡方程（详细过程见教科书P.231，还可通过流体运动微分方程式来推导，自学推导过程）。

由于假定了Vr=0,故称之为简化的径向平衡方程，据此条件的设计，叫简化三元设计。

将压力p用扬程H表示后，有：

五、流型与叶片扭曲规律,流动参数沿径向的分布必须满足径向平衡方程，不能任意给定，但满足这个条件的分布并不是唯一的。

流动参数沿径向的分布就称之为流型。

不同流型所对应的叶片形状不同。

常用的流型主要有：

等环量级、等反作用度级、变环量级。

1、等环量级（自由旋涡级）等环量级或称自由旋涡级，是指环量（或）沿半径方向不变。

当假定各流面上的翼型产生相同的扬程，则由前式有：

该结果也可由无旋运动微分方程式中得到（见教科书P235，自学推导过程）。

因此，又叫自由旋涡级。

下面讨论在等环量级中各流动参数沿半径的变化。

这里以平均半径处（下标为av）的参数为基础。

故wu随着半径的增加而减少，说明等环量级叶片在叶根处弯曲度在，而在轮缘处弯曲度小。

（1）Wu沿半径的变化在某一半径r处，有：

而,且理论扬程沿半径方向不变，则有：

故切向速度随着半径的增加而减少，轴向速度沿径向不变。

（2）Vu和Vm沿半径的变化由（沿半径方向不变），有：

进口处：

出口处：

所以，当半径r增加时，绝对流动角1和2均增加。

（3）流动角沿半径的变化,所以，当半径r增加时，绝对流动角1和2均减小。

（4）等环量级的优缺点优点：

沿半径扬程和轴向速度不变，计算简单具有无旋运动的形式，可以认为效率比较高计算值与实际情况较接近缺点：

轮毂处的安放角很大，叶片扭曲严重，绘型、铸造困难沿半径相对速度增加较快，会使NPSHr的值增加，降低抗汽蚀性能改进：

一般降低轮毂处的，这样使叶片平坦，水力性能变好,2、等反作用度级,反作用度的定义：

一般在0至1之间，当=0.5时，进出口速度三角形是对称的。

3、变环量级,考虑到等环量级的缺点，当轮毂比较小时，为改善叶片过分扭曲的弱点，采用变环量来设计。

在该流型中，扬程（负荷）沿半径增加，一般可按下述规律给定：

可在+1-1间变化，一般=01。

若=+1，即等环量级流型。

若=-1，就是“刚体旋转”（亦称“强迫旋涡”）流型。

有时，采取其它的环量分布规律，如叶片中部的环量较大。

a）进口处的Vm沿半径分布b）出口处的Vm沿半径分布c）速度环量沿半径的分布,4、实际采用的流型,5-3机翼与叶栅的升力理论,一、单个翼型的升力理论,1、翼型的几何参数翼型中线（骨线）翼弦（l）厚度（）挠度（f）翼展（b）前缘的方向角（x1）后缘的方向角（x2）翼型弯曲角（=x1+x2）翼型前缘至最大挠度处的距离（a）翼型前缘至最大厚度处的距离（e）,2、单个翼型的流体动力特性翼型在水中受到二个作用力：

与无穷远处来流方向垂直，升力，Py与无穷远处来流方向平行，迎面阻力，Px合力为R,与翼型的几何形状、冲角、雷诺数有关，由见洞试验得到。

希望Cy1,Cx1。

因此：

为了鉴别翼型质量，绘制Cy1/Cx1，并标出相应冲角，在切点处，Cy1/Cx1取max值。

将切点附近区域称为翼型的最高质量区。

设计时选用的冲角应位于此区域，。

定义R与Py1的夹角为。

将1/tg定义为翼型质量。

3、常用翼型的动力特性

（1）RAF翼型其截面见表格（x,y为弦长的百分值）动力特性如图,

（2）NACA翼型NACA翼型几何参数如表,NACA翼型的动力特性,二、叶栅计算中的修正值,由于栅中翼型间的相互影响，导致叶栅中翼型特性与单个翼型并不完全相同，因此，作用于栅中翼型上的升力Py和迎面阻力Px可为：

Cy,Cx与翼型型号、相对栅距t/l、e有关。

可借助平板叶栅的修正资料来修正Cy1，有：

因为Cx较小，且栅中翼型对此影响较小，故不对Cx1进行修正，即：

三、叶栅的流体动力基本方程,因为Pz对叶轮不产生转矩，所以，用Pu来计算叶栅对液体所做的功。

单位时间内叶栅对液体的功为：

另一方面，单位时间内流过叶栅的液体所获得的能量可表示为：

再由于：

将Pu的表达式及上式代入

（1）得：

上式即为叶栅液体动力基本方程式，或升力法设计叶轮的基本方程式。

它表示了叶栅特性参数与液流运动参数之间的关系。

设计时，必须满足该方程，才能保证所需要的能量转换。

有两种用法：

（1）选择l/t，代入基本方程（假定=1）得Cy，修正后得到Cy1，由所选择的翼型特性得到，从而得e=+

（2）给定，选择翼型，确定Cy1，修正后有Cy，代入基本方程式，得到l/t,5-4叶轮的设计计算,为了方便计，我们可以用不同的方法对轴流式叶轮的水力损失分类。

轴流式结构中没有离心泵那样的密封装置，因此一般不讨论它的容积损失。

1、翼型损失指翼型表面的边界层所引起的摩擦损失和尾迹涡流损失，亦即翼型阻力Px所引起的损失。

一、叶轮的损失,2、二次流损失在叶轮内部由高压区向低压区的液体流动所造成的损失。

3、叶端损失在轴流式叶轮的损失中占有较大比重，即通过叶端间隔的流动所引起的轴向旋涡，这也是一种二次流损失。

4、环面损失在叶轮室与叶轮之间所形成的环形通道表面上由于摩擦和旋涡流动所引起的损失。

1、轮毂比,查表确定；高ns泵,dh/D小.,原因：

（1）从水力性能看，缩小轮毂比，可以增加过流面积，减小水力摩擦损失，并有利于抗汽蚀性能的改善。

但过分减小轮毂比，将会增加叶片扭曲，当QQd时，造成流动紊乱，出口处形成二次回流，效率下降，高效区变窄。

比转速越低，此现象越严重。

（2）从结构及强度考虑，比转速低的泵，叶片数多，若轮毂比过小，可能会出现调节困难及强度不够的情况。

二、叶轮主要结构参数的确定,2、叶轮外径D,由叶轮进口前的轴面速度Vmo来定:

或者，由下式先计算u2，然后得到D:

Ku2查曲线,3、叶轮数,比转速500-600700-9001000叶片数5-643,4、叶栅稠密度l/t,

（1）l/t对性能（效率、汽蚀）的影响减小l/t：

叶片总面积，摩擦，效率，两面压力差，抗汽蚀性能增加l/t：

能量损失，效率，抗汽蚀性能因此，要综合考虑,

（2）轮缘处l/t的确定轮缘处的l/t，可根据扬程系数KH来定,此外，还可根据重迭系数来确定,（3）轮毂与轮缘处l/t的关系一般要求VuR在出口处各流线上相同，但由于轮毂处（根部）叶片较短，因此，就提高轮毂处的l/t，即：

（l/t）轮毂=（1.31.4）（l/t）轮缘中间线性变化,三、叶轮的水力效率,在叶栅绕流时，叶栅对液体所做的功为:

而液体克服迎面阻力所消耗的能量为:

所以，叶栅的水力效率为:

由此可见，合力R与升力Py之间的夹角越小，则叶栅效率越高，通常将1/tg定义为翼型质量。

某种翼型，均有一最小的角。

要使叶栅效率高，应选用最高质量区冲角。

叶轮的水力效率，可通过叶栅的水力效率求出（根据流过各叶栅流量的大小取平均值）:

（注意，轮缘处翼型质量影响大）,四、升力系数与汽蚀性能的关系,汽蚀部位：

翼型汽蚀：

多发生在叶片进口边背面及转轮叶片与轮毂连接处，及导叶进口部位等。

间隙汽蚀：

轮缘处工作面与背面压力差所致，在存在于轮毂的间隙处,升力系数越大，升力就越大，发生汽蚀的危险也就越大。

所以，在叶轮设计时所采用的升力系数是受汽蚀条件限制的。

作用于翼型上的升力，应为翼型两面平均压力差p与翼型面积和乘积：

而汽蚀与Pmin有直接关系，所伯努力方程有：

翼型前的Po与Pmin之差为：

定义翼型汽蚀系数如下：

则：

若令：

则：

即：

因此：

这样，汽蚀系数与升力系数成正比，即升力系数越小，抗汽蚀性能越好。

翼型的K值越小，抗汽蚀性能越好。

当翼型在叶栅中工作时，系数稍有降低。

通常取其值与单翼相等，是偏安全的。

五、轴流泵叶轮的设计计算程序（升力法）,设计时，泵的流量Q、扬程H、转速n和NPSHr等由用户提出。

设计过程分计算和绘型两部分。

（一）计算,1、计算比转速ns、校核转速n（同离心泵设计一章）,2、估算效率按经验公式进行，水力效率可用下式估算：

3、确定叶轮几何参数按前述方法确定轮毂比dh/Do、叶片数Z和外径Do,4、确定计算截面通常选取5个截面（柱面或球面），内外留有间隙，一般沿径向均布。

5、确定轴面速度Vm（Wm）和速度环量的分布规律,6、作各截面的速度三角形根据三角形，求出W和,7、选择翼型各截面最好选同一系列的翼型,8、选定翼型相对厚度先定轮毂处的（按强度条件）：

轮毂处的相对厚度一般为：

轮缘处的相对厚度由工艺条件定，应尽量薄：

中间线性变化。

等叶轮设计完成后，进行强度校核。

9、进行叶栅计算,利用基本方程式，逐次逼近。

先算轮缘截面，再算轮毂截面，最后中间截面这是因为：

轮缘（A-A截面）是主要过流区，对整个叶轮的效率和汽蚀性能有较大影响，因此，应保证其具有最高的效率和汽蚀性能，而轮毂处的要求可适当降低。

（1）轮缘处（A-A截面）的翼型设计过程：

a.假定=1b.预选l/tc.从翼型特性曲线上的最高质量区内，选取冲角，并查出Cy1d.修正后得到Cye.代入基本方程，得到l/tf.重复ce步骤，直到l/t相差不多。

否则，可考虑改变冲角，或重新选择翼型,

（2）轮毂处（E-E截面），冲角往往不易满足，因此从强度和汽蚀性能出发，主要设计过程：

a.确定l/t=（1.251.4）（l/t）轮缘b.代入基本方程，得到C