一种水轮机模式液力透平叶片的优化设计方法

摘要

一种水轮机模式液力透平叶片的优化设计方法，利用可回收液体具有的水头H和流量Q，设计得到叶片的外形尺寸和叶片形状，包括：叶片进口直径D1、进口宽度b1、出口直径D2、转速n、叶片进口安放角β1、出口安放角β2以及进口安放角β1和出口安放角β2之间的变化规律，最终得到水轮机模式液力透平叶片；本发明方法可以快速得到满足要求、性能较优的液力透平叶片，设计成本大大减小，设计时间大大缩短，设计得到的液力透平叶片具有较高的效率，完全能满足用户要求，设计方法适用范围广，有显著的社会和经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及工业余压能量回收领域，特别是一种水轮机模式液力透平叶片的优化设计方法。

背景技术

工业生产中存在大量具有高余压的液体，采用液力透平装置可以有效利用这部分能量用于发电或驱动其它装置。目前，液力透平大多采用反转泵的模式，但是，由于工业环境中液体的流量、能量差别很大，导致采用反转泵作液力透平存在效率低、高效区窄等问题。因此，为了提高余压回收的效率，针对具体的工作条件，设计专用的水轮机模式液力透平非常有必要。

叶片是水轮机模式液力透平的关键部件，其设计优劣直接关系整个液力透平的性能。然而，水轮机模式液力透平叶片的现有设计方法过多依靠经验，设计过程繁琐，还要经过多次试算，叶片尺寸选取没有科学依据，导致设计耗时耗力，设计结果得不到保障。因此，针对多种多样的工业环境，需要为水轮机模式液力透平提供一种快速、有效的叶片优化设计方法，使其满足余压回收需求，并具有较高效率。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种水轮机模式液力透平叶片的优化设计方法，可有效解决传统设计方法过多依靠经验、设计过程繁琐、多次试算及叶片尺寸选择没有科学依据、效率低的问题。

为实现上述目的，本发明解决的技术方案是，一种水轮机模式液力透平叶片的优化设计方法，利用可回收液体具有的水头H和流量Q，设计得到叶片的外形尺寸和叶片形状，包括：叶片进口直径D

本发明方法可以快速得到满足要求、性能较优的液力透平叶片，设计成本大大减小，设计时间大大缩短，设计得到的液力透平叶片具有较高的效率，完全能满足用户要求，设计方法适用范围广，有显著的社会和经济效益。

附图说明

图1是叶片安放角沿流线变化规律。

图2是本发明实施例的叶片轴面图。

图3是本发明实施例的叶片安放角沿流线变化规律。

图4是本发明实施例的叶片形状。

图5是本发明实施例的液力透平性能变化规律；

其中：(a)水头H随流量Q的变化规律，(b)效率η随流量Q的变化规律。

具体实施方式

以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明一种水轮机模式液力透平叶片的优化设计方法，针对工业生产中液体余压回收的具体需求，利用可回收液体具有的水头H和流量Q，运用速度三角形和参数间对应关系，设计得到叶片的外形尺寸和叶片形状，包括：叶片进口直径D

(1)、根据工业生产中可回收液体的水头H和流量Q，计算转速n和叶片进口直径D

式中，H—水头，单位m、Q—流量，单位m

转速n和叶片进口直径D

1)同时满足式(1)-式(3)；

2)转速n取值为100的倍数；直径D

3)转速n和直径D

(2)、利用步骤(1)中得到的参数D

b

0.55D

式中，b

叶片进口宽度b

1)叶片进口宽度b

2)叶片出口直径D

(3)、利用步骤(1)中得到的参数n以及已知参数水头H和流量Q，计算叶片进口安放角β

式中，β

叶片进口安放角β

(4)、利用步骤(1)和步骤(2)中得到的参数以及已知参数流量Q，计算叶片出口安放角β

式中，β

叶片出口安放角β

(5)、叶片形状的形成：根据步骤(1)和步骤(2)得到的叶片外形尺寸，包括叶片进口直径D

叶片流线从进口到出口的安放角变化规律给定原则为：没有严格的数值要求，需满足图1所示的下凹趋势，并保证从叶片进口到出口的安放角光滑过渡。

本发明在在具体计算时，可由以下实施例给出。

实施例1

某化工厂冷却水尾水余压水头H＝11m、流量Q＝2m

(1)、根据可回收液体的具体需求(水头H和流量Q)，计算转速n和叶片进口直径D

将已知的水头H＝11m和流量Q＝2m

93.6≤n≤175.5

1.417≤D

132.6≤nD

转速n和叶片进口直径D

1)同时满足上述的取值范围；

2)转速n取值为100的倍数，直径D

3)转速n和直径D

根据上述取值原则，最终转速n＝100r/min，D

(2)：利用步骤(1)中得到的参数D

b

0.55D

将直径D

b

0.825≤D

叶片进口宽度b

1)叶片进口宽度b

2)叶片出口直径D

根据上述取值原则，最终叶片进口宽度b

(3)：利用步骤(1)中得到的转速n＝100r/min，已知水头H＝11m和流量Q＝2m

将转速n＝100r/min、水头H＝11m和流量Q＝2m

β

叶片进口安放角β

(4)：利用步骤(1)和步骤(2)中得到的参数D

将D

叶片出口安放角β

(5)、形成叶片形状：根据步骤(1)和步骤(2)得到的叶片外形尺寸：叶片进口直径D

根据上述方法得到叶片后，叶轮上冠、下环、导叶、蜗壳和尾水管均根据现有理论和设计方法得到，最后得到整个液力透平。

对整个液力透平流道进行三维建模、网格划分和数值计算后，得到采用本发明设计方法设计的叶片后液力透平的水力性能。图5为实施例得到的液力透平性能变化规律，图5(a)为液力透平水头H随流量Q的变化规律，由图可知，水头随流量的增大而增大，符合液力透平水头的变化规律；当流量Q＝2m

本发明还对其他余压回收需要的液力透平叶片进行设计计算，均取得了与实施例1相同或相近似的结果，设计得到的液力透平叶片既满足设计要求，又具有较高的效率，表明本发明方法稳定、可靠，这里不再赘述。

综上可知，本发明设计方法得到的水轮机模式液力透平叶片，完全满足设计要求，同时具有较好的性能，可以快速得到满足要求、性能较优的液力透平叶片，设计成本大大减小，设计时间大大缩短，设计得到的液力透平叶片具有较高的效率，完全能满足用户要求，设计方法适用范围广，有显著的社会和经济效益。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明创造的技术方法，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管采用了较好的实施例对发明进行了详细地说明，本领域的技术人员应该理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而未脱离本发明创造技术方案的等效实施例或变更均应在本发明的保护范围之内。