CN105715582A - 一种抑制空化的特殊叶片结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种抑制空化的特殊叶片结构及其设计方法，属于水力机械的设计与制造领域。该抑制空化的特殊叶片结构由轴系、叶片、叶片表面水孔、叶片内部空腔、轴系内部空腔和连接空腔组成；轴系内部设有轴系内部空腔；叶片附着于轴系上，其内部设有叶片内部空腔，叶片内部空腔和轴系内部空腔由连接空腔连接；叶片吸力面上设有叶片表面水孔；流体依次通过轴系内部空腔叶、连接空腔和叶片内部空腔，进入叶片内部，再由叶片表面水孔喷出；沿流体流动方向，叶片内部空腔的起始位置位于叶片前端和叶片中弧线最高点之间，径向方向叶片内部空腔的长度接近叶片顶端。本发明能够达到延迟空化发生和抑制回射流，达到减小空化对水力机械性能影响的效果。

Description

一种抑制空化的特殊叶片结构及其设计方法

技术领域

本发明属于水力机械的设计与制造领域，包含一种抑制空化的特殊叶片结构及其设计方法。

背景技术

空化是指在工质中或者固体表面上发生的液相与气相之间的相互转化，并且常常伴随有振动和噪声的一种现象，严重时会造成固体表面的破坏。空化会导致水力机械性能明显降低。

泵是水力机械的一种主要形式，广泛应用于电力、冶金、农业和国防等领域。根据用途和工作条件的不同，有不同的性能特点和工艺要求，其制造水平的高低直接反映了国家的工业水平。以核主泵为主要代表的高端水泵，其与空化相关的性能十分重要。核主泵承担核反应堆芯冷却任务，是核电站的核心设备，其设计性能的好坏直接影响到核电站运行的安全和稳定。在目前先进的核装置设计中，明确提出核主泵要满足极端环境下超长高效使役60年的要求，明确提出在任何常规运行工况下完全杜绝空化发生的苛刻条件。

考虑空化的泵的设计，主要是对泵进行改进以使空化对泵性能的不利影响降到最低，或者在空化依然存在的情况下通过其他方法提高泵的性能。目前研究的方向主要都是以降低空化带来的影响为主，传统的应用于旋转机械中抑制空化的常用方法可分为两种，一种是在离心泵或者斜流泵叶轮进口上游安装诱导轮，另一种是采用超空化转桨式叶片，主要应用于螺旋桨的设计领域。目前，对空化存在的条件下，使用特殊叶片结构对泵运行和性能影响方面尚未有充足的认识，相关的产品和设计方法还属于空白。

发明内容

本发明可以应用于水力机械的开发和设计领域，针对空化带来的负面作用，提出了一种抑制空化的特殊叶片结构及其设计方法。本发明的技术方案是通过在叶片表面布置射流水孔，基于水翼表面流体微流动控制形式，对固体边界附近产生的反向射流进行控制和抵消，从而达到抑制空化的目的。

本发明的技术方案：

一种抑制空化的特殊叶片结构，包括轴系、叶片、叶片表面水孔、叶片内部空腔、轴系内部空腔和连接空腔；

轴系是整体或套装的转子结构，其是水力机械中传递动力的部件，其内部设有轴系内部空腔；

叶片附着于轴系上，其内部设有叶片内部空腔，叶片内部空腔和轴系内部空腔由连接空腔连接；叶片吸力面上设有叶片表面水孔；

流体依次通过轴系内部空腔叶、连接空腔和叶片内部空腔，进入叶片内部，再由叶片表面水孔喷出；沿流体流动方向，叶片内部空腔的起始位置位于叶片前端和叶片中弧线最高点之间，径向方向叶片内部空腔的长度接近叶片顶端；

叶片表面水孔分布于叶片的吸力面上，将通过叶片内部空腔输送来的流体喷入流场，根据空化流场特性分析结果，叶片表面水孔设置在叶片弦长的20％-85％之间；叶片表面水孔的宽度或直径为弦长的2％-8％；叶片表面水孔的排列方式可以是单排或多排；形式可以是长条形的槽道、规律排列的圆孔或其他形式；流体喷出方向与水力机械内流体主流方向的夹角为35°-90°；流体从水孔中喷出的速度为主流速度的5％-200％。

包括以下步骤：

步骤1、根据对水力机械的具体需求，使用传统设计方法确定无射流水孔条件下水力机械结构和叶片外形；

步骤2、对步骤1设计得到叶片建立三维模型，使用计算流体力学方法对三维模型模拟分析，取得空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征。

步骤3、对步骤2得到空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征进行分析，得到的空化流场特性；根据空化流场特性，设计叶片内部空腔和叶片表面水孔；叶片表面水孔设置在叶片弦长的20％-85％之间；叶片表面水孔的排列方式可以是单排或多排；形式可以是长条形的槽道、规律排列的圆孔或其他形式；叶片表面水孔的宽度或直径为弦长的2％-8％；流体喷出方向与水力机械内流体主流方向的夹角为35°-90°；流体从水孔中喷出的速度为主流速度的5％-200％。根据叶片表面水孔喷出流体的流量，轴系内部设有轴系内部空腔。

本发明的有益效果：

(1)延迟空化发生。由于空化是由局部压力小于当前温度下饱和压力造成的，从空隙喷出压力较高的流体可以改变局部压力，延缓空化的发生。

(2)抑制回射流。由于工作状态的需求，在空化不可避免的发生时，随着空化程度的不断加深，回射流的存在会促进空泡的脱落，从孔隙内喷入的流体可以阻挡回射流对空化区域稳定性的影响，阻止空泡脱离的发生。

附图说明

附图是一种抑制空化的特殊叶片结构示意图。

图中：1轴系；2叶片；3叶片表面水孔；4叶片内部空腔；5连接空腔；6轴系内部空腔。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图所示，本发明包含一种抑制空化的特殊叶片结构，由轴系1、叶片2、叶片表面水孔3、叶片内部空腔4、连接空腔5、轴系内部空腔6组成：

(1)根据设计的需要，选择的原始叶片2结构为NACA66(MOD)翼型，叶片迎流角为4°，来流速度为11.83m/s，来流压力101.325kPa，温度为25℃，工质为水，此时的空化数为0.91。

(2)针对设计中未布置叶片表面水孔3的NACA66(MOD)翼型，通过物理和数学建模，开展空化流场的数值分析，取得空化发生发展的具体状态，以及边界层、回射流的流动特征。模拟结果发现由回射流造成空泡脱离，极大地影响流场的稳定流动状态，需要设置叶片表面水孔3。

(3)根据上述空化流场特性分析结果，基于水翼表面流体微流动控制形式，设计叶片内部空腔4的位置，空腔起始于15％弦长，末端位于85％弦长、结构为无加强筋的空腔结构，空腔内壁到叶片2表面的垂直距离基本相等；叶片表面水孔3的位置、水孔的形状、流体从叶片表面水孔喷出角度和速度等参数。叶片表面水孔3设置在叶片弦长的35％处，形式为长条形的槽道，槽道宽度为弦长的5％；流体经由轴系1中的轴系内部空腔6，进入连接空腔5，再进入叶片内部空腔4，并从叶片表面水孔3中喷出，流体垂直于叶片表面喷出，与主流流体的速度夹角为90°，流体喷出的速度为主流速度的30％。

(4)建立水翼表面的微流动设计结构模型，并考察该设计结构对于减少空化发生和发展的显著效果。结果发现叶片2表面的空泡区与未设置叶片表面水孔3相比有了明显的缩小，空泡体长度缩短约50％，空泡体的脱离受到了明显的抑制。表明这种改进对空化的发生和发展有良好的抑制作用。

Claims (10)

1.一种抑制空化的特殊叶片结构，其特征在于，该特殊叶片结构包括轴系、叶片、叶片表面水孔、叶片内部空腔、轴系内部空腔和连接空腔；

轴系是整体或套装的转子结构，是水力机械中传递动力的部件，其内部设有轴系内部空腔；

叶片附着于轴系上，其内部设有叶片内部空腔，叶片内部空腔和轴系内部空腔由连接空腔连接；叶片吸力面上设有叶片表面水孔；

流体依次通过轴系内部空腔叶、连接空腔和叶片内部空腔，进入叶片内部，再由叶片表面水孔喷出；沿流体流动方向，叶片内部空腔的起始位置位于叶片前端和叶片中弧线最高点之间，径向方向叶片内部空腔的长度接近叶片顶端。

2.根据权利要求1所述的特殊叶片结构，其特征在于，所述的叶片表面水孔设置在叶片弦长的20％-85％之间。

3.根据权利要求1或2所述的特殊叶片结构，其特征在于，所述的叶片表面水孔为长条形的槽道或圆孔，叶片表面水孔的宽度或直径为弦长的2％-8％。

4.根据权利要求1或2所述的特殊叶片结构，其特征在于，流体从叶片表面水孔喷出方向与水力机械内流体主流方向的夹角为35°-90°；流体从叶片表面水孔中喷出的速度为主流速度的5％-200％。

5.根据权利要求3所述的特殊叶片结构，其特征在于，流体从叶片表面水孔喷出方向与水力机械内流体主流方向的夹角为35°-90°；流体从叶片表面水孔中喷出的速度为主流速度的5％-200％。

6.根据权利要求1、2或5所述的特殊叶片结构，其特征在于，所述的叶片表面水孔的排列方式是单排或多排。

7.根据权利要求3所述的特殊叶片结构，其特征在于，所述的叶片表面水孔的排列方式是单排或多排。

8.根据权利要求4所述的特殊叶片结构，其特征在于，所述的叶片表面水孔的排列方式是单排或多排。

9.权利要求1、2或5所述的特殊叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、根据对水力机械的具体需求，使用传统设计方法确定无射流水孔条件下水力机械结构和叶片外形；

步骤2、对步骤1设计得到叶片建立三维模型，使用计算流体力学方法对三维模型模拟分析，取得空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征；

步骤3、对步骤2得到空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征进行分析，得到的空化流场特性；根据空化流场特性，设计叶片内部空腔和叶片表面水孔；叶片表面水孔设置在叶片弦长的20％-85％之间；叶片表面水孔的排列方式可以是单排或多排；形式可以是长条形的槽道、规律排列的圆孔或其他形式；叶片表面水孔的宽度或直径为弦长的2％-8％；流体喷出方向与水力机械内流体主流方向的夹角为35°-90°；流体从水孔中喷出的速度为主流速度的5％-200％；根据叶片表面水孔喷出流体的流量，轴系内部设有轴系内部空腔。

10.权利要求3所述的特殊叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、根据对水力机械的具体需求，使用传统设计方法确定无射流水孔条件下水力机械结构和叶片外形；

步骤2、对步骤1设计得到叶片建立三维模型，使用计算流体力学方法对三维模型模拟分析，取得空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征；

步骤3、对步骤2得到空化发生发展的具体状态、边界层和回射流的流动特征进行分析，得到的空化流场特性；根据空化流场特性，设计叶片内部空腔和叶片表面水孔；叶片表面水孔设置在叶片弦长的20％-85％之间；叶片表面水孔的排列方式可以是单排或多排；形式可以是长条形的槽道、规律排列的圆孔或其他形式；叶片表面水孔的宽度或直径为弦长的2％-8％；流体喷出方向与水力机械内流体主流方向的夹角为35°-90°；流体从水孔中喷出的速度为主流速度的5％-200％；根据叶片表面水孔喷出流体的流量，轴系内部设有轴系内部空腔。