一种高效螺旋后掠轴流叶轮水力模型的设计方法

摘要

本发明公开了一种高效螺旋后掠轴流叶轮水力模型的设计方法，属于水动力工程设计技术领域，包括轮毂、均匀设置在轮毂圆周上的叶片，针对潜水轴流泵的结构特点及实际运行工况提出合理的轮毂比、nD值、稠密度等几何参数，采用合理的环量及轴面速度变化规律对叶片进行设计，翼型堆叠形式按等变角螺旋线变化的前缘堆叠，叶片形式采用后掠式，加入叶片前弯并应用相应的优化手段优化出最佳前弯角。本发明设计的轴流泵叶轮，能较好的输运颗粒悬浮物、纤维、或生物絮凝物等介质，无堵塞及防缠绕能力出色，在实际污水处理中取得了很好的效果，适宜的弯掠还能改善轴流泵中容易出现的“驼峰区”，使泵内流动更加平稳，提高轴流泵的运行性能。

说明书

技术领域：

本发明涉及水动力工程设计技术领域，具体涉及一种高效螺旋后掠轴流叶轮水力模型的设计方法。

背景技术：

随着经济社会的不断发展，潜水轴流泵在污水处理市场具有较大的需求量，在农田灌溉、市政给排水、调水工程、电厂循环水等领域应用广泛。

目前，国内生产的潜水轴流泵，所用水力模型普遍为国内研制较成熟的干式轴流泵优秀水力模型，其综合水力性能可与国外产品相媲美，有些指标甚至超过了国外同类产品。但将这些水力模型应用到潜水轴流泵中，其水力性能大幅度下降，效率降低10％～20％，造成电力能源的极大浪费，增加了泵的运行成本，不节能也不经济。另一方面，干式轴流泵输送介质为清水，工作时不考虑实际工况中叶轮部件的磨损、异物缠绕及堵塞等。

潜水轴流泵结构为电动机与水泵联为一体，电动机在水泵的上方，介质流经电动机外壁的环形流道。由于电动机的外壁尺寸是由功率和转速决定的，这就限制了导叶体的出口尺寸，也就限定了导叶扩散角。由于电机的下法兰尺寸较大，轮毂尺寸较小，导叶扩散角通常情况偏大很多，这就造成导叶体中很大的扩散损失，降低了水泵的效率。

综上述，干式轴流泵叶轮的设计方法，无法应用于高效潜水轴流泵叶轮的设计中，因此，必须考虑潜水轴流泵的结构及实际运行工况；因此，对比潜水和干式两种潜水轴流泵的结构形式，适应实际运行工况的介质要求，探索适用于潜水轴流泵高效节能的水力模型设计方法，迫在眉睫。

发明内容：

为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种高效螺旋后掠轴流叶轮水力模型的设计方法，具有高效节能、抗汽蚀性能好、防堵耐磨及防缠绕性好等优良性能。

本发明的技术方案如下：

高效螺旋后掠轴流叶轮水力模型的设计方法，其特征在于，包括如下步骤，

1)、叶轮形状采用后掠式的结构形式，叶片后掠角度在15°～30°范围变化，翼型堆叠采用前缘堆叠，叶片前缘按等变角螺旋线规律变化，叶片按变环量分布规律设计；

r＝r₁·e^θtanβ；式中：

—后掠角，度；

r₁—进口与轮毂相交流面半径，单位：米；

r₂—进口与轮缘相交流面半径，单位：米；

β—等角变化角度，单位：度；

r—流面半径，单位：米；

θ—流面与进口边交点的包角，单位：度；

2)、修正叶轮外径：将轮毂形状设计为锥形，外轮廓与导叶相适应，在保证汽蚀的前提下对叶轮外径进行修正，采用增大轮毂比d_h/D方式，以满足潜水轴流泵实际运行中性能参数，即按照比转速ns对应的轮毂比d_h/D取值，并保证nD值范围与比转速ns范围值对应：

式中：

D—叶轮外径，米；

d_h/D—叶轮轮毂比；

Q—流量，立方米每小时；

n—转速，转每分钟；

2)、叶轮水力模型选取叶片数：在兼顾效率与汽蚀的前提下，选择合理的叶栅稠密度，增加根部翼型长度，减小轮缘翼型长度，均衡各流面的能量转换，保证叶片数z按照比转速ns进行选取；

式中：

l/t—叶栅稠密度；

r—流面半径，单位：米；

H—扬程，单位：米；

n—转速，单位：转/每分钟；

r—叶轮半径，单位：米；

K—修正系数；

3)、叶片按变环量分布规律设计：将叶片总环量平均分配到每个叶片上，再按变环量分布规律将环量分配到每个流面上，使每个流面环量按一定规律沿径向变化，使根部和外缘处叶片负载小，中间流面叶片负载大；

K_j＝0.768g4.618(r/R)-2.848(r/R)²，式中：

K_j—环量分布系数；

r—流面半径，单位：米；

R—叶轮半径，单位：米；

4)、采用升力力法设计升阻比，并选用与所需升力系数相匹配的翼型加厚，选用NACA系列翼型本并对叶轮轴面投影图进行前弯优化，前弯角度一般为8°～14°，找出最优角。

本发明的优点是：

本发明设计的轴流泵叶轮，能较好的输运颗粒悬浮物、纤维、或生物絮凝物等介质，无堵塞及防缠绕能力出色，在实际污水处理中取得了很好的效果，适宜的弯掠还能改善轴流泵中容易出现的“驼峰区”，使泵内流动更加平稳，提高轴流泵的运行性能。

附图说明：

图1为本发明潜水轴流泵叶轮轴面投影图；

图2为本发明的轴流泵叶轮的平面投影图。

图3为本发明不同比转速ns下的轮毂比取值表。

图4为本发明不同比转速ns取值与不同nD取值对应表。

图5为本发明不同比转速ns与不同叶片数z、修正系数K对应表。

附图标记：1、叶轮叶片；2、叶轮轮毂，3、叶片进口边，4、叶片出口边，5、叶轮轮毂直径dh，6、叶轮外径D，7—流面半径r，8、后掠角9、进口与轮缘相交流面半径r2，10、流面与进口边交点的包角θ，11、流面半径r，12、进口与轮毂相交流面半径r1。

具体实施方式：

参见附图：

本发明采用叶片后掠式，翼型沿前缘按等变角螺旋线规律变化，各流面之间采用变环量、变轴面速度的升力法设计，以下为操作原理：

1、轮毂的形状和大小影响着流体接触叶片前的流态，也就间接影响叶轮的效率，本发明轮毂形状采用锥形轮毂，轮廓线配合导叶流道形状，使流动很顺畅。由于潜水轴流泵下法兰较大，导叶扩散角太大，为减小扩散损失提高效率，轮毂比d_h/D适当加大，不同比转速ns下的轮毂比取值可参见附图3：

2、叶轮外径D和转速n是轴流泵重要几何参数，实际运行中潜水轴流泵性能参数均有不同程度下降，需对原有叶轮外径计算公式进行修正，计算公式如下，但nD值分析了水泵能量和汽蚀特性的联系，必须保证泵nD值不超过一个合理范围，不同比转速具体取值参见附图4。

式中：

D—叶轮外径，单位：米；

d_h/D—叶轮轮毂比；

Q—流量，单位：立方米/每小时；

n—转速，单位：转/每分钟；

3、叶片数z按比转速ns选取，参考国外优秀水模型，取值参照下表。叶栅稠密度l/t是影响泵效率与汽蚀性能的重要参数，稠密度过大使摩擦损失增大，效率降低，稠密度过小则需相应增大拱度与叶片安放角，增大汽蚀危险，在兼顾效率与汽蚀的情况下适当增加叶根的叶栅稠密度，尽量保证和外缘翼型相同程度的能量转换，均衡叶片出口扬程，减小径向流动，提高效率，具体取值参考下式，其中K为修正系数，取值参见附图5。

式中：

l/t—叶栅稠密度；

r—流面半径，单位：米；

H—扬程，单位：米；

n—转速，单位：转/每分钟；

r—叶轮半径，单位：米；

K—修正系数；

4、叶片设计时基于叶片无限翼展及各流面层互不干涉的假设，采用更符合潜水轴混流泵实际流态的变环量变轴面速度设计方法，选择合理的叶片环量变化规律，使每个流面环量按一定的规律沿径向变化，使根部和外缘处叶片负载较小，中间流面叶片负载较大，环量分布系数K_j推荐用下列下式计算：

K_j＝0.768·4.618(r/R)-2.848(r/R)²，式中：

K_j—环量分布系数；

r—流面半径，米；

R—叶轮半径，米；

5、叶片后掠角度越大，叶片压力面上固相体积分数越小，且固相径向流动越明显，大幅降低叶片压力面的磨损，提高了轴流式叶轮在污水处理中的使用寿命和运行可靠性，但叶片后掠角越大，扬程和效率越低，故叶片后掠角度在15°～30°范围变化，具体值可根据下式计算：

式中：

—后掠角，单位：度；

r₁—进口与轮毂相交流面半径，单位：米；

r₂—进口与轮缘相交流面半径，单位：米；

β—等角变化角度，单位：度；

6、后掠式叶轮翼型的推荐选取NACA系列翼型，在汽蚀性能达标的情况下采用较大的升阻比，并选用与所需升力系数C_y匹配的翼型进行加厚，升力系数C_y按下式计算。实际设计中翼型推荐NACA16，其升力系数C_y值为0.4～0.6，与轴流泵实际工况较接近。

7、翼型堆叠采用前缘堆叠，按等角螺旋线规律变化，控制型线如下式，叶片轴面图采用简单贝塞尔曲线进行前弯设计，前弯角度一般为8°～14°，可通过优化找到最优角度：

r＝r₁·e^θtanβ，式中：

r₁—进口与轮毂相交流面半径，单位：米；

β—等角变化角度，单位：度；

r—流面半径，单位：米；

θ—流面与进口边交点的包角，单位：度；

下面将提供本发明方法的具体实施过程，设计适用于输送污水的潜水轴流泵叶轮步骤如下：

1、叶轮外径D和转速n是轴流泵重要几何参数，nD值分析了水泵能量和汽蚀特性的联系，必须保证泵nD值不超过一个合理范围。

2、轮毂的形状和大小影响着流体接触叶片前的流态，也就间接影响叶轮的效率，本发明轮毂形状采用锥形轮毂，轮廓线配合导叶流道形状，使流动很顺畅；由于潜水轴流泵下法兰较大，导叶扩散角太大，为减小扩散损失提高效率，轮毂d_h适当取大，可以在干式轴流泵轮毂基础上增大5％；

3、叶片数参考国外优秀水模型，1000比转速一下取4片，1000比转速以上取3片。叶片设计时基于叶片无限翼展及各流面层互不干涉的假设，采用更符合潜水轴混流泵实际流态的变环量变轴面速度设计方法，选择合理的叶片环量变化规律，使每个流面环量按一定的规律沿径向变化，使根部和外缘处叶片负载较小，中间流面叶片负载较大；

4、叶栅稠密度对潜水轴流泵性能影响较大，稠密度过大使摩擦损失增大，效率降低，稠密度过小则需相应增大拱度与叶片安放角，增大汽蚀危险。在兼顾效率与汽蚀的情况下适当增加叶根的叶栅稠密度，尽量保证和外缘翼型相同程度的能量转换，均衡叶片出口扬程，减小径向流动，提高效率；

5、叶片后掠角度越大，叶片压力面上固相体积分数越小，且固相径向流动越明显，大幅降低叶片压力面的磨损，提高了轴流式叶轮在污水处理中的使用寿命和运行可靠性，但叶片后掠角越大，扬程和效率越低，故叶片后掠角度根据实际工况选定；

6、翼型堆叠采用前缘堆叠，按等变角螺旋线规律变化，采用较大的升阻比，并选用与所需升力系数匹配的翼型进行加厚，叶片轴面图采用贝塞尔曲线进行前弯设计，可通过优化找到最优点。

本发明采用上述方法进行设计，得出的叶轮模型能较好的适应潜水轴流泵的结构及应用场合，使潜水轴流泵更高效，防堵塞及防缠绕能力更强，减小了泵的运行成本，降低了故障率，使潜水轴流泵能长期安全可靠的运转。