CN110008617A - 斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及灌溉排水工程技术领域，公开了一种斜式轴流泵在不同工况下的导叶域环量衰减度的估算方法，包括：斜式轴流泵设计参数和工作流量确定、导叶域特征断面位置指定、导叶域进口母环量计算、不同空间位置处环量沿展向分布曲线和环量衰减度沿流向变化曲线绘制。针对给定的斜式轴流泵站，本发明能快速估算斜式轴流泵在不同工况下导叶域内不同空间位置处的环量分布及环量衰减度沿流向的分布，简便而高效，可避免实验测试所面临的难度大、成本高、精确度低的问题，有利于指导斜式轴流泵的优化设计和流动控制。

Description

斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法

技术领域

本发明属于灌溉排水工程技术领域，尤其涉及一种斜式轴流泵在不同工况下的导叶域环量衰减度估算方法。

背景技术

斜式轴流泵简称斜轴泵，是我国灌溉排水工程领域使用的一种低扬程、大流量水泵，通常情况下其叶轮直径大于3m、流量大于30m³/s，具有进水流道水力损失小、叶轮进口流动均匀、泵段效率高等优点。然而，受出水流道前段双弯曲几何结构的影响，斜轴泵导叶域内环量沿流向的衰变过程较为复杂，导叶出口剩余环量呈现强非线性分布，会对水泵的优化设计和流动控制带来一定的困扰。截至目前，国内外对斜轴泵导叶域内环量衰减度的定量估算方法尚未见报道。

针对这一问题，本发明在深入分析斜轴泵导叶域环量衰变过程的基础上定量给出了环量衰减度的估算方法，可为斜轴泵的优化设计和流动控制提供更明确的分析手段。

发明内容

本发明提供一种斜式轴流泵导叶域环量衰减度的估算方法，目的是针对给定的斜式轴流泵站，快速估算斜式轴流泵在不同工况下导叶域内不同空间位置处的环量分布及环量沿流向的衰减度分布，从而指导斜式轴流泵的优化设计和流动控制。

本发明的技术方案为：一种斜式轴流泵导叶域环量衰减度的估算方法，包括以下步骤：

步骤一、确定斜式轴流泵的叶轮直径D₂、叶轮旋转角速度ω、设计流量Q_d、设计扬程H_d、实际工作流量Q，在导叶域内沿流向指定断面I、II、III，...，XI的位置；

步骤二、按下式引入轴流泵导叶进口母环量Γ_O以表征不同工况下水流的旋转特性：

式中，H_d为轴流泵设计扬程；g为重力加速度；ω为叶轮旋转角速度；β为叶片安放角度；h₁、h₂、h₃、h₄和h₅均为旋流修正因子；

步骤三、按下式计算所述步骤一中导叶域内各指定断面位置处的环量分布：

Γ_G＝(L_I·R_I+L_M·R_M+L_O·R_O)·Γ_O

式中，L_I、L_M和L_O为环量流向衰变函数，其计算式依次为：

R_I、R_M和R_O为环量展向拓变函数，其计算式依次为：

式中，l为所述各指定断面沿中轴线的流向相对坐标，r为各指定断面上的展向相对坐标；

步骤四、按下式引入并计算所述步骤一中导叶域内沿流向各指定断面位置处的环量衰减度C_a以描述不同工况下导叶域内环量的衰变过程：

进一步地，在所述步骤一中，断面I位于导叶域进口；断面XI位于导叶域出口；其余断面II～X则沿流向均匀分布，另外，导叶域内设有轮毂，故各断面均呈环形。

进一步地，在所述步骤三中，所述流向相对坐标表示沿导叶域中轴线的各指定环形断面到进口断面的长度与导叶域实际流向长度的比值，在进口断面即断面I处l＝0，在出口断面即断面XI处l＝1。

进一步地，在所述步骤三中，所述展向相对坐标表示各指定的环形断面内任一位置到环形断面内壁的距离与外壁到内壁距离的比值，在内壁即轮毂处r＝0，在外壁即轮缘处r＝1。

进一步地，在所述步骤二中，h₁、h₂、h₃、h₄和h₅取值依次为-0.0023、1、-3.1073、3.7428和0.3645。

本发明可以获得如下有益效果：

本发明的上述技术方案具有以下优点：

1)本发明针对给定的斜式轴流泵站，能快速估算斜式轴流泵在不同工况下导叶域内不同空间位置处的环量分布及环量沿流向的衰减度分布，简便而高效；

2)本发明避免了现有实验测试条件下难度大、成本高、精确度低等问题，有利于指导斜式轴流泵的优化设计和流动控制。

附图说明

本发明附图为：

图1为本发明的斜式轴流泵装置的整体结构示意图；

图2为本发明的斜式轴流泵的导叶域的断面布置图；

图3为本发明的斜式轴流泵的导叶域出口断面上环量沿展向分布曲线；

图4为本发明的斜式轴流泵的导叶域环量衰减度沿流向变化曲线；

图5为本发明的斜式轴流泵的导叶域环量衰减度估算方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种斜式轴流泵导叶域环量衰减度的估算方法，包括以下步骤：

步骤一、根据给定的斜式轴流泵，确定其叶轮直径D₂、叶轮旋转角速度ω、设计流量Q_d、设计扬程H_d、实际工作流量Q，并在导叶域内沿流向指定断面I、II、III，...，XI的位置。

步骤二、按下式引入轴流泵导叶进口母环量Γ_O，以表征不同工况下水流的旋转特性：

式中，H_d为轴流泵设计扬程，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s²；ω为叶轮旋转角速度，单位为rad/s；β为叶片安放角度，单位为°；h₁、h₂、h₃、h₄和h₅均为旋流修正因子，其取值依次为-0.0023、1、-3.1073、3.7428和0.3645。

步骤三、按下式计算所述步骤一中导叶域内各指定断面位置处的环量分布：

Γ_G＝(L_I·R_I+L_M·R_M+L_O·R_O)·Γ_O

式中，L_I、L_M和L_O为环量流向衰变函数，其计算式依次为：

R_I、R_M和R_O为环量展向拓变函数，其计算式依次为：

式中，l为流向相对坐标，具体表示沿导叶域中轴线的各指定断面到进口断面的长度与导叶域实际流向长度的比值，在进口断面处l＝0，在出口断面处l＝1；r为展向相对坐标，具体表示各指定的环形断面内任一位置到环形断面内壁的距离与外壁到内壁距离的比值，在内壁(轮毂)处r＝0，在外壁(轮缘)处r＝1。

步骤四、按下式引入并计算所述步骤一中导叶域内沿流向各指定断面位置处的环量衰减度C_a以描述不同工况下导叶域内环量的衰变过程：

在所述步骤一中，断面I位于导叶域进口，其流向相对坐标l＝0；断面XI位于导叶域出口，其流向相对坐标l＝1；其余断面II～X则沿流向均匀分布，即相邻两断面之间的流道中轴线的距离相同。

下面结合附图1-5对本发明的具体实施例作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

如图1所示的斜式轴流泵，包括进水流道、叶轮域、导叶域和出水流道等，其中，叶轮直径D＝300mm，额定转速n_d＝1450r/min，相应叶轮旋转角速度ω＝151.844rad/s，水泵设计流量Q_d＝335.38kg/s，设计扬程H_d＝7.12m。基于上述数据，本发明的斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法可按如下过程实施：

步骤一，根据给定的斜式轴流泵，若叶轮叶片安放角β＝-2°，实际工作流量Q＝319m³/s。在导叶域内沿流向指定断面I、II、III，...，XI的位置，如图2所示。

步骤二、按下式计算轴流泵导叶进口母环量：

步骤三、以导叶域出口断面XI为例，按下式计算并绘制该位置处环量沿展向的分布曲线如图3所示。

步骤四、以导叶域出口断面XI为例，按下式计算该位置处的环量衰减度。类似地，在获得各指定断面位置处环量沿展向分布规律后即可绘制环量衰减度沿流向变化曲线如图4所示。

表1实验结果与本专利计算结果对比表

根据上述实施例中的计算方法所确定的部分参数与实验值的对比如表1所示。显然，采用本专利的计算方法获得的参数值与实验值的相对误差均控制在5％以内，计算结果的精确度能够满足工程需要。另外，该方法简便而高效，可避免实验测试所面临的的难度大、成本高、精确度低的问题，能为斜式轴流泵的优化设计和流动控制提供有效依据。

最后需要指出的是：尽管上述通过举例说明，已经描述了本发明最佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓的前提下，任何修改和变化都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、确定斜式轴流泵的叶轮直径D₂、叶轮旋转角速度ω、设计流量Q_d、设计扬程H_d、实际工作流量Q，在导叶域内沿流向指定断面I、II、III，...，XI的位置；

步骤二、按下式引入轴流泵导叶进口母环量Γ_O以表征不同工况下水流的旋转特性：

式中，H_d为轴流泵设计扬程；g为重力加速度；ω为叶轮旋转角速度；β为叶片安放角度；h₁、h₂、h₃、h₄和h₅均为旋流修正因子；

步骤三、按下式计算所述步骤一中导叶域内各指定断面位置处的环量分布：

Γ_G＝(L_I·R_I+L_M·R_M+L_O·R_O)·Γ_O

式中，L_I、L_M和L_O为环量流向衰变函数，其计算式依次为：

R_I、R_M和R_O为环量展向拓变函数，其计算式依次为：

式中，l为所述各指定断面沿中轴线的流向相对坐标，r为各指定断面上的展向相对坐标；

步骤四、按下式引入并计算所述步骤一中导叶域内沿流向各指定断面位置处的环量衰减度C_a以描述不同工况下导叶域内环量的衰变过程：

2.如权利要求1所述的斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法，其特征在于，在所述步骤一中，断面I位于导叶域进口；断面XI位于导叶域出口；其余断面II～X则沿流向均匀分布，另外，导叶域内设有轮毂，故各断面均呈环形。

3.如权利要求2所述的斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述流向相对坐标表示沿导叶域中轴线的各指定的环形断面到进口断面的长度与导叶域实际流向长度的比值，在进口断面即断面I处l＝0，在出口断面即断面XI处l＝1。

4.如权利要求3所述的斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述展向相对坐标表示各指定的环形断面内任一位置到环形断面内壁的距离与外壁到内壁距离的比值，在内壁即轮毂处r＝0，在外壁即轮缘处r＝1。

5.如权利要求1所述的斜式轴流泵导叶域环量衰减度估算方法，其特征在于，在所述步骤二中，旋流修正因子h₁、h₂、h₃、h₄和h₅取值依次为-0.0023、1、-3.1073、3.7428和0.3645。