轴流泵叶轮水力模型设计参数

1轴流泵叶轮水力模型设计参数叶轮直径D=300mm；转速n=1450r/min；流量Q=380L/s；扬程H=6.0m；空化余量NPSHre7.0m2叶轮设计流程第一、确定转速n和比转速ns第二、估算泵的效率第三、确定叶轮主要结构参数（1）确定叶轮的轮毂比hd；（2）叶片数Z；（3）外径D。第四、叶片的设计（流线法、升力法、……）第五、叶片的绘型3叶轮基本参数的选择3.1比转速的确定已知转速n后，就可根据公式计算出比转速来。轴流泵的比转速ns一般为500-1200，但根据需要，可以超出此范围，有些资料介绍ns的范围为400-2000.851≈851.02=65.343HQnns3.2叶轮外径D和轮毂直径dh的确定叶轮直径D和轮毂直径dh应根据轴面速度Vm的大小来确定。轴面速度Vm的可按下面式计算：式中Q——设计流量n——转速Vm——液体进入转轮以前的轴面速度轮毂比Ddh与比转速sn有关，其值根据表1或图1选取:表1轮毂比Ddh与比转速sn的关系sn50060070080090010001100Dhd0.50-0.630.46-0.590.44-0.560.40-0.530.37-0.500.35-0.480.33-0.46smQnmV/495.6380.0145007.0307.0322图1轮毂比Dhd与比转速sn的关系曲线从图及表中可看出，轮毂比Ddh随比转速sn的减小而增大，这是因为：为了减小叶片在液流中的迎面阻力，必须使叶片后面不产生漩涡层，必须要使每一计算截面上围绕翼型流动的速度环量Γ1相等。所以根据以上叙述，选择轮毂比为3.3叶片数Z的选择轴流泵叶轮的叶片数Z与比转速sn有关，其统计数据列于表2表2叶片数Z与比转速sn的关系sn500500-800800Z65-44-3根据上表选择叶片数Z=44叶片各截面的叶栅计算（流线法）如果用半径为r和（r+dr）的两个同心圆柱面去切割轴流泵的叶轮，则得到一个包括翼型在内的液体圆环，如图2所示，如将这个圆环剖开并展开于平面上，则得到一个无限直列叶栅，如图3所示。。0.45Ddh。。mdmDdVmQDHh13111.00.30m≈29136.035.01495.6380.0414222图2用圆柱面切割叶轮示意图图3无限直列叶栅这个叶栅是由许多相同的翼型组成的，当液体流过叶栅时，每个翼型像单个翼型那样，会受到升力和迎面阻力的作用，但由于邻近翼型的相互影响，叶栅中翼型上的升力和迎面阻力的数值与作用在单个翼型上的升力和迎面阻力的数值不同。用流线法设计叶轮叶片时，按下述程序进行。4.1流线法设计叶片总体步骤流线法设计的总体详细步骤如下：（1）完成第3部分中的比转速、转速和叶轮外径的确定；（2）分流面（一般分为5个），流面间距一般相等，并且轮毂、轮缘可作为两个流面；（3）选择叶栅稠密度l/t，计算弦长l/tt=l；（4）确定容积效率V，各截面的容积效率V可以取同一值。（5）叶片厚度计算，轮毂处最大厚度，从轮毂到轮缘的叶片厚度按线性规律变化；HKDHDKH5.10.015~0.0125.10.015~0.012max（6）估算各截面的排挤系数max213sinLYt。叶弦角L一般可近似取轮缘处20，轮毂处40，从轮缘到轮毂按线性规律变化；（7）水力效率h，中间截面按(0.020.03)h确定，从轮缘到轮毂线性变化；（8）选定'2uV的修正系数，计算'22uuVV。（9）计算各截面进口液流角'1，选择冲角1，确定叶片进口角'111；（10）计算各截面出口液流角'2，'2mV认为等于各截面进口轴面速度；（11）确定叶片出口角'222，考虑有限叶片数等因素影响，2的选用范围为（0~3）；（12）确定叶弦安放角L，计算型线半径R。4.2分计算截面通常选取五个计算截面，如图4所示，各计算截面的半径按下列各式确定：R5=Hd/2+0.020D=0.131112/2+0.020×0.291363=0.071383mR1=D/2-0.020D=0.291363/2-0.020×0.291363=0.139854mR3=(R1+R5)/2=0.105619mR2=(R1+R3)/2=0.122736mR4=(R5+R3)/2=0.088501mD1=0.279708m；D2=0.245472m；D3=0.211238m；D4=0.177002m；D5=0.142766m；图4分计算截面4.3选定叶栅疏密度l/t,计算弦长l=t*l/t叶栅稠密度l/t是轴流泵叶轮的重要几何参数，他直接影响泵的效率，也是决定空化性能的重要参数。（1）从能量转换和空化性能考虑，不论叶片数多少，叶片都应当有一定的长度，用以形成理想的通道，所以选择还应当考虑叶片数的多少。根据研究，推荐一下几组外缘处的l/t值，供设计时参考：3,0.65~0.75lzt；4,0.75~0.85lzt；5,0.84~0.94lzt（2）另外应当适当减小外缘侧的，增加轮毂侧的，以减小内外侧翼型的长度差，均衡叶片出口扬程。推荐轮缘和轮毂翼型稠密度的关系为(l/t)轮毂=（1.3~1.4）(l/t)轮缘，轮缘和轮毂之间各截面的l/t按照线性规律变化。其主要依据是关醒凡教授给出了江苏大学系列模型用的叶栅稠密度统计图，如下图所示。也有文献推荐，按照图6所示的曲线(l/t)轮缘=f(KH)来确定轮缘处的l/t，KH按下式计算22HHKD式中H——泵的扬程n——转速D——叶轮外缘直径图6（l/t）轮缘与KH的关系曲线常取（l/t）轮廓=（1.2—1.3）（l/t）轮缘，并且从轮毂到轮缘的l/t是按线性规律变化的。4.4叶片厚度y的确定轮毂处叶片最大厚度可按下式粗略计算。mm12.1-9.7=1.5HKD0.015-0.012=maxY式中：D——叶轮外径（m）H——扬程(m)maxY——轮毂处叶片最大厚度（m）K为材料系数，近似取K=1轮毂处的叶片相对厚度lYmax通常为10%-15%左右。轮缘处的叶片厚度应尽量薄一些为好，通常按照工艺条件条件确定，相对厚度通常取为2%-5%。从轮毂到轮缘的叶片厚度按线性规律变化。以上公式仅用来作为叶片厚度的粗略计算，待叶轮设计完后，应进行强度校核计算。4.5确定进口轴面速度Vm1轴面速度'm1m1VV（考虑各截面的排挤影响）其中，进口前轴面速度'm1V可按下式计算：smdDQVH/29.798.013111.029136.0380.044V2222'm1式中Q——流量D——叶轮外径Hd——轮毂直径V——容积效率，各截面的容积效率V可以取同一值。容积效率通常按照V=0.96~0.99之间选择,此处取为0.98；——各截面的排挤系数max213sinLYt。叶弦角L一般可近似取轮缘处20，轮毂处40，从轮缘到轮毂按线性规律变化。叶轮环量Γ可根据泵基本方程式求得sm2t7077.2767.151667.681.92gH2=Γ式中g——重力加速度，g=9.81sm2——角速度tH——理论扬程tH=H/hh为水力效率=30n=151.767rad/s4.6确定出口圆周速度Vu2轴流泵叶轮的设计中，有一种叶片出口流动为自由旋涡模式（constRVur）的设计理论。按照自由旋涡设计理论算得的相对液流角，轮缘侧小，越到轮毂侧越大，叶片的扭曲角0h很大，影响泵的效率，尤其在非设计工况下，泵的效率下降的比较快，泵的高效率范围窄。有关专家根据不同比转速模型不同出口环量分布试验结果，为了提高轮缘侧环量，减小轮毂侧环量，给出了一种从轮缘到轮毂按照线性变化修正环量分布的规律，如下所示：'22uuVV式中，'2uV——按'2uVRconst计算的旋转分速度,m/s；2uV——修正后旋转分速度,m/s；——'2uV修正系数，=0.9~1.1。如图7所示图7修正系数分布图对于出口圆周分速度'2uV，可按照下式计算：0.90.9511.051.101轮毂轮缘m6.667=6/0.9=H/=Hht'12TuugHuvVu1uhgHvu式中，u——圆周速度，60nDu(D-研究圆柱流面的直径)H——扬程,m；HT——理论扬程,m；HT=H/h1uV——进口圆周分速度，1uV由吸入条件决定，通常1uV=0；h——水力效率。水力效率h，中间截面按(0.020.03)h确定，从轮缘到轮毂线性变化。4.7确定各截面叶片进出口角1和2（1）计算各截面叶片进口角1一般是，计算各截面进口液流角'1，选择冲角1，确定叶片进口角'111。按照速度三角形，'11arctanmVu。冲角1的选用范围为0~3，从轮毂到轮缘增加，比转速大着取小值。此处取为0~1.2°由内至外线性分布。（2）计算各截面叶片出口角2一般是，计算各截面出口液流角'2，选择冲角2，确定叶片出口角'222。按照速度三角形，计算各截面出口液流角'222arctanmuVuV。通常，12uuu，21mmmVVV，即认为2mV等于各截面进口轴面速度。考虑有限叶片数等因素影响，2的选用范围为（0~3）；此处取为1°。4.8确定叶弦安放角L，计算型线半径R叶片型线是连续曲线，通常采用单圆弧或抛物线，如图8所示：图8叶片型线示意图对于圆弧叶片，各角度关系为：1L，2/)(21L，2L，12，2/型线的高度H：)2sin(sin21llHL型线的拱度h：1cos()()2sin2tan2sinlllhRRh型线的半径R：2112coscos2sin2sin22llHR222()()2lRRh，21()82lhRh4.9选择翼型轴流泵设计中所用到的翼型技术资料，有的是从飞机翼型资料中得来的，有的是从水洞中研究的来的，一般飞机翼型的能量性能可能是较好的，但抗空化性能可能很差，而利用水洞对翼型进行研究，其主要目的是寻找适用于水力机械的翼型。要求翼型上的负荷均匀，以便改善翼型的抗空化性能。最大厚度在（0.45-0.5）l处的翼型负荷分布均匀，最小压力较高，有利于改善叶栅的抗空化性能。选择翼型的原则：1)要求设计出来的叶轮效率高；2)要求设计出来的叶轮抗空化性能良好。翼型资料详见参考文献《叶片泵设计手册》第268-278页内的各种翼型。4.10实例流程5叶片各截面的叶栅计算（升力法）如果用半径为r和（r+dr）的两个同心圆柱面去切割轴流泵的叶轮，则得到一个包括翼型在内的液体圆环，如图2所示，如将这个圆环剖开并展开于平面上，则得到一个无限直列叶栅，如图3所示。图2用圆柱面切割叶轮示意图图3无限直列叶栅这个叶栅是由许多相同的翼型组成的，当液体流过叶栅时，每个翼型像单个翼型那样，会受到升力和迎面阻力的作用，但由于邻近翼型的相互影响，叶栅中翼型上的升力和迎面阻力的数值与作用在单个翼型上的升力和迎面阻力的数值不同。用升力法设计时，按下述程序进行。5.1分计算截面通常选取五个计算截面，如图4所示，各计算截面的半径按下列各式确定：R5=Hd/2+0.020D=0.131112/2+0.020×0.291363=0.071383mR1=D/2-0.020D=0.291363/2-0.020×0.291363=0.139854mR3=(R1+R5)/2=0.105619mR2=(R1+R3)/2=0.122736mR4=(R5+R3)/2=0.088501mD1=0.279708m；D2=0.245472m；D3=0.211238m；D4=0.177002m；D5=0.142766m；图4分计算截面5.2确定轴面速度mV和叶轮环量Γ通常