CN105971931B - 一种离心式叶轮分流叶片的设计方法 - Google Patents

一种离心式叶轮分流叶片的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种离心式叶轮中分流叶片的设计方法，确定叶轮的中间横截面、前盖板横截面和后盖板横截面；在三个横截面上依据分流点两边流量相等原则分别确定出三个横截面上的三个分流点，得到三个横截面上的三条骨线，将三条骨线混合扫描成曲面，将该曲面向叶轮的前盖板和后盖板延伸直至分别与前盖板和后盖板相交，得到分流叶片的工作面，将该工作面增加厚度尺寸得到分流叶片的背面；设计出的分流叶片能将相邻两长叶片间流道内的水流均分成流量相等的两半，能有效改善叶轮出口处的速度分布、减少叶轮内的水力损失、提高离心式叶轮的扬程和效率。

Description

一种离心式叶轮分流叶片的设计方法
技术领域
本发明涉及一种应用于流体机械中的离心式叶轮技术，具体涉及离心式叶轮中分流叶片的设计方法。
背景技术
离心式叶轮是流体机械中应用最为广泛的一种叶轮，如离心泵、离心式风机、离心式制冷压缩机等的叶轮均为离心式的叶轮。离心式叶轮的叶片由长叶片和分流叶片组成，分流叶片布置在相邻两个长叶片之间，在相邻两个长叶片间加设分流叶片（即短叶片）有着以下重要意义：分流叶片不仅能冲刷尾流、有效防止尾流产生和发展、有效防止长叶片负压面（长叶片的背面）上流体的分离和脱流，还可以减小离心式叶轮进口的排挤系数、提高泵的扬程；其次，分流叶片可以改善叶轮内的速度分布、减小叶轮内部的水力损失、提高泵的水力性能，使泵在实际工作过程中有一个最佳工作效率。然而，现有的分流叶片的骨线形状都是圆弧柱形，径向截面是圆弧状，轴向截面是柱形，在设计过程中，分流叶片的长度、进口偏置角大小、出口偏置角大小都是依据经验公式给出，缺乏成熟的理论支持；其次，由于相邻两个长叶片间的流道为复杂的三维流道，这种圆弧柱形的分流叶片对流道的分割不符合叶轮内流场分布规律，无法真正将流道内的水流均分成流量相等的两半。因此，现有分流叶片的结构形式和设计方法皆存在严重不足。
发明内容
本发明的目的是为改进现有离心式叶轮分流叶片的结构形式和设计方法存在的问题，提出一种三维扭曲型的分流叶片的设计方法，所设计的分流叶片的骨线呈现扭曲型，能将相邻两个长叶片间的空间流道严格按照流量相等的原则分割成两半，提高分流叶片的工作效率，增强分流叶片的作用。
本发明一种离心式叶轮分流叶片的设计方法采用的技术方案是是依次包括以下步骤：
A、确定叶轮的三个横截面，分别是在叶轮出口的轴向正中间的中间横截面，在前盖板和叶片相接处的前盖板横截面，在后盖板和叶片相接处的后盖板横截面；
B、在三个横截面上，以叶轮中心为圆心，分别作半径R1=0.45R、半径R2=0.75R的两个圆，两个圆在相邻两个长叶片之间的流道内划过的圆弧分别为L1、L2，三个横截面上的最大外圆在相邻两个长叶片之间所占的圆弧均为L3，R为叶轮的半径；
C、依据分流点两边流量相等原则，分别确定出三个横截面上的圆弧L1、L2、L3上的三个分流点，分别将同一横截面上的三个分流点M1、M2、M3用圆弧相连，得到中间横截面上的骨线M1M2M3、前盖板横截面上的骨线A1A2A3和后盖板横截面上的骨线C1C2C3；
D、将三条骨线A1A2A3、M1M2M3、C1C2C3混合扫描成曲面，将该曲面向叶轮的前盖板和后盖板延伸直至分别与前盖板和后盖板相交，得到分流叶片的工作面，将该工作面增加厚度尺寸得到分流叶片的背面。
进一步地，步骤C中，将同一横截面上的三个分流点M1、M2、M3用圆弧相连的方法是：先分别作点M1、M2的连接线a、点M2、M3的连接线b，再分别作线段a、b的中心垂线c、d，以垂线c、d的交点O为圆心，以该圆心O到M1点的距离为半径作圆，该圆通过三个分流点M1、M2、M3划过的圆弧即骨线。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：本发明是基于分流点（将叶轮流道中水流分开的点）两边流量相等原则提出的，根据分流点两边流量相等的原则给出分流叶片骨线的绘制方法，设计出的扭曲型骨线形状的分流叶片能将相邻两长叶片间流道内的水流均分成流量相等的两半，能有效改善叶轮出口处的速度分布、减少叶轮内的水力损失、提高离心式叶轮的扬程和效率。其次，该分流叶片的设计立足于高精度的叶轮内流场数值模拟，弥补了原有分流叶片设计主要依赖于设计人员的经验的不足，使得流道分割更符合叶轮内流场的实际分布规律。
附图说明
图1是离心式叶轮中的长叶片和分流叶片的径向布置示意图；
图2是离心式叶轮的轴向截面图；
图3是图2中的中间横截面F-F的截面图；
图4是图3中分流骨线M1M2M3的确定方法示意图；
图5是图2中的前盖板横截面E-E的截面图；
图6是图2中的后盖板横截面G-G的截面图。
图中：1.叶轮前盖板；2.叶轮后盖板；3-1、3-2.长叶片；4.分流叶片；5.分流叶片工作面；6.分流叶片背面；7.分流叶片进口边；8.分流叶片出口边；M1、M2、M3.中间横截面上分流点；A1、Ａ2、Ａ3。前盖板横截面上分流点；C1、C2、C3.后盖板横截面上分流点。
具体实施方式
参见图1，离心式叶轮中的分流叶片4至于相邻的两个长叶片之间，分流叶片4由工作面5、背面6、进口边7、出口边8组成，工作面5是朝向离心式叶轮的中心轴Z的侧面，背面6是与工作面5相对的背离中心轴Z的侧面，进口边7靠近中心轴Z的一端，出口边8远离中心轴Z的一端。
参见图2，离心式叶轮的外部由前盖板1和后盖板2组成，分流叶片4位于前盖板1和后盖板2之间。在叶轮的轴向方向上，长叶片和分流叶片4分别与前盖板1和后盖板2相接。在离心式叶轮中，确定出垂直于中心轴Z有三个径向横截面，分别是中间横截面F-F、前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G，其中，中间横截面F-F位于叶轮出口的轴向正中间，即在宽度处，b 2为叶轮出口轴向宽度，前盖板横截面E-E在前盖板1和叶片相接处，与中间横截面F-F间隔的轴向距离，是叶轮的出口轴向宽度，后盖板横截面G-G在后盖板2和叶片相接处，且与中间横截面F-F间隔的轴向距离，中间横截面F-F在前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G的正中间。
利用Proe软件先对需要加设分流叶片4的离心式叶轮水体部分进行三维实体建模，然后运用ICEM软件对所建立的实体模型进行结构网格划分；最后，按照叶轮设计参数，给定叶轮进出口及边界条件，运用ANSYS CFX软件分别对前盖板截面E-E、中间横截面F-F和后盖板横截面G-G上的水流速度场进行提取，得到三个面上的水流速度分布情况，如此，通过这种高精度的内流场数值模拟获得需要加设分流叶片4的离心式叶轮的内部水流速度分布情况，为分流点两边流量相等原则奠定数值基础。分流点两边流量相等原则即是水流速度乘以与该速度方向垂直的过流面面积相等原则，通过三个面上的速度分布情况，再结合过流面面积，就可确定出分流点，该分流点两边流量相等。
参见图3所示的中间横截面F-F的截面图，离心式叶轮的半径为R，也是长叶片和分流叶片4在截面上的最大外圆的半径，该最大外圆在相邻两个长叶片3-1、3-2之间所占的圆弧为L3。以该截面上叶轮的中心为圆心（该圆心在中心轴Z上），分别作半径R1=0.45R、半径R2=0.75R的两个圆，这两个圆在相邻两个长叶片3-1、3-2之间的流道内划过的圆弧分别为L1、L2。
依据分流点两边流量相等原则，确定圆弧L1、L2、L3上的分流点分别是M1、M2、M3，将三个分流点M1、M2、M3用圆弧相连即可得到中间横截面F-F上分流叶片的骨线M1M2M3。
其中，连接三个分流点M1、M2、M3的圆弧的确定方法如图4所示：首先，经过分流点M1、M2作两点的连接线a；然后，经过分流点过M2、M3两点的连接线b；其次，分别经线段a、b的中心作两个线段a、b的中心垂线，分别是中心垂线c、d，最后，以中心垂线c、d的交点O为圆心，以该圆心O到M1点的距离为半径作圆，该圆通过M1、M2、M3划过的圆弧即是中间横截面F-F上分流叶片的骨线M1M2M3。
参见图5所示的前盖板横截面E-E的截面图与图6所示的后盖板横截面G-G的截面图，长叶片和分流叶片4在前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G上的最大外圆的半径也是R，最大外圆在前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G上相邻两个长叶片3-1、3-2之间所占的圆弧也是L3。同样地，以前盖板横截面E-E和后盖板横截面G-G上的叶轮的中心为圆心（该圆心在中心轴Z上），分别作半径R1=0.45R、半径R2=0.75R的两个圆，这两个圆在相邻两个长叶片3-1、3-2之间的流道内划过的圆弧分别也是L1、L2。
同样地，依据分流点两边流量相等的原则，分别确定出图5所示的前盖板横截面E-E上的分流叶片4的骨线A1A2A3和图6所示的后盖板横截面G-G上的分流叶片4的骨线C1C2C3。
在Proe软件中，运用其自带的功能（混合扫描功能、曲面延伸功能），将获得的分流叶片4的三条圆弧骨线A1A2A3、M1M2M3和C1C2C3混合扫描成曲面，并将该曲面向离心式叶轮的前盖板1和后盖板2延伸直至分别与前盖板1和后盖板2相交，相交后，在前盖板1和后盖板2之间的曲面即为分流叶片4的工作面5，参见图1。其次，根据从分流叶片4的进口边7到出口边8的厚度变化规律：，其中，是分流叶片的厚度，H是叶轮单级扬程（mm），Z是叶片数，R是叶轮半径（mm），A是系数，与泵的比转速ns和材料有关，其数值参见下表1；将分流叶片4的工作面5按照厚度变化规律增加相应的厚度尺寸就可以得到分流叶片的背面6，进而得到三维扭曲型的分流叶片4结构。
表1 系数A的具体数值
。
需要说明的是，图3、图5、图6中只是以叶轮中的两个相邻长叶片3-1、3-2为例，离心式叶轮中的长叶片的个数和流道的个数根据实际情况确定，每个分流叶片的设计方法均与本发明的设计方法相同。

Claims (4)

1.一种离心式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是依次包括以下步骤：
A、确定叶轮的三个横截面，分别是在叶轮出口的轴向正中间的中间横截面，在前盖板和叶片相接处的前盖板横截面，在后盖板和叶片相接处的后盖板横截面；
B、在三个横截面上，以叶轮中心为圆心，分别作半径R1=0.45R、半径R2=0.75R的两个圆，两个圆在相邻两个长叶片之间的流道内划过的圆弧分别为L1、L2，三个横截面上的最大外圆在相邻两个长叶片之间所占的圆弧均为L3，R为叶轮的半径；
C、依据分流点两边流量相等原则，分别确定出三个横截面上的圆弧L1、L2、L3上的三个分流点，分别将同一横截面上的三个分流点M1、M2、M3用圆弧相连，得到中间横截面上的骨线M1M2M3、前盖板横截面上的骨线A1A2A3和后盖板横截面上的骨线C1C2C3；
D、将三条骨线A1A2A3、M1M2M3、C1C2C3混合扫描成曲面，将该曲面向叶轮的前盖板和后盖板延伸直至分别与前盖板和后盖板相交，得到分流叶片的工作面，将该工作面增加厚度尺寸得到分流叶片的背面。
2.根据权利要求1所述一种离心式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：步骤C中，将同一横截面上的三个分流点M1、M2、M3用圆弧相连的方法是：先分别作点M1、M2的连接线a、点M2、M3的连接线b，再分别作线段a、b的中心垂线c、d，以垂线c、d的交点O为圆心，以该圆心O到M1点的距离为半径作圆，该圆通过三个分流点M1、M2、M3划过的圆弧即骨线。
3.根据权利要求1所述一种离心式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：步骤D中，从分流叶片的进口边到出口边的厚度，H是叶轮单级扬程，Z是叶片数，R是叶轮半径，A是系数，系数A与泵的比转速和材料有关。
4.根据权利要求1所述一种离心式叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：步骤A中，前盖板横截面、后盖板横截面均与中间横截面间隔的轴向距离，是叶轮的出口轴向宽度。
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