CN112685887A - 一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，涉及流体机械领域，具体包括以下步骤：根据流线法设计符合要求原型叶片，将原型叶片的弦长进行延长得到长叶片；将长叶片与原型叶片间隔分布在叶轮流道中，得到叶轮的新型结构。该结构可以在保证效率和扬程变化不大的条件下有效降低小型鱼类通过时的撞击死亡概率。通过理论计算改进后的叶片前缘撞击概率与原型泵相比有大幅度下降，叶片撞击死亡率与原型泵相比也有所降低；通过CFD对改进前后的轴流泵进行数值计算，结果显示改进后的泵的扬程和效率及功率在设计工况点与原型泵相比相差不大。
Description
技术领域
本发明涉及到生态环境保护与水力机械设计技术领域，尤其涉及到一种可有效提高轴流泵过鱼性能的新型叶轮设计方法。
背景技术
轴流泵被广泛应用在调水工程的大流量、低扬程泵站中，轴流泵在运行过程中，鱼类随着水流通过轴流泵时会不可避免地受到损伤甚至死亡，这不仅对国家水体环境维护和濒危水生动物保护提出了挑战，也制约了我国水利工程生态型快速发展。为了保护生态环境的健康和河流中鱼类的数量，鱼类友好型轴流泵开始引起国家的重视。轴流泵的水流部件主要由进口喇叭、叶轮、导叶、出口段组成，鱼类通过轴流泵时受到的损伤概率占比最大的是叶片进口撞击概率，如何在满足扬程和效率条件下降低鱼类通过轴流泵时的死亡率显得尤为重要。
经检索，未发现与本发明所提出的一种可降低叶片进口撞击概率的方法相同的文献和专利。
发明内容
本发明的目的是针对现有轴流泵在运行时叶片进口撞击死亡率大的问题，对轴流泵叶轮进行改进。以WB型轴流泵为例，原型泵叶片数为四片相同形状的叶片，改型后的叶片为两个原型叶片和两个长叶片组成。改进后的叶轮使得鱼类撞击叶片的概率有所降低，且撞击死亡率也有所降低。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种可提高轴流泵过鱼性能的叶片设计，包括根据流线法设计处满足水力性能的叶片，在原型叶片上进行修改，原型叶片进口边进行延伸。
具体的：
一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，具体包括以下步骤：
步骤一：设计出符合扬程和流量要求的轴流泵原型叶片的三维叶型；
步骤二：根据步骤一)设计出的原型叶片设计出长叶片的的三维叶型；
步骤三：将步骤一设计出的原型叶片与步骤二设计出的长叶片间隔分布在轴流泵流道中。
进一步的，长叶片的叶片弦长安放角与原型叶片的叶片弦长安放角均为βL。
进一步的，长叶片轴向距离比原型叶片的轴向距离长L轴，长叶片弦长比原型叶片弦长长L轴/sinβL，其中，L轴为原型叶片轴向距离的1/10～1/6。
进一步的，长叶片前缘厚度等于叶轮轮缘的最大厚度。
进一步的，根据叶片撞击模型
Lf为鱼体长度；vm1为叶轮入口处液流轴面速度；Q为流量；A1为叶片入口过流断面面积；tf为流过叶轮进口处过流断面所需的时间。
原型叶片撞击概率为Pth，其中，tb为叶片通过叶片距时间；长叶片撞击概率为Pth-1/4Pth 2。
进一步的，叶片撞击模型中：
鱼体为无主观运动的僵直物体，即不产生主观游动也不发生形变；鱼体的运动方向与液流方向一致；忽略鱼体厚度的影响。
进一步的，根据监测数据回归分析得到撞击死亡率公式
其中，a、b为常系数，Lf为鱼体长度，d为轴流泵长叶片前缘厚度，v为平均撞击速度，va为叶片前缘任一点撞击速度；vm1为叶轮入口处液流轴面速；u1为叶轮进口的圆周速度；v随着不同的半径而改变；R2为叶片进口边轮缘的半径；R1为叶片进口边轮毂的半径。
进一步的，在增大长叶片前缘厚度d的条件下，鱼体长度Lf与长叶片前缘厚度d的比值与鱼体长度Lf与原型叶片前缘厚度d1比值相比减小，增大长叶片前缘厚度d可减小鱼类的撞击死亡率。
进一步的，鱼在经过长叶片后具有圆周速度u0，再经过原型叶片进口边的时相对与原型叶片进口边的圆周速度减小，和u1减小的效果一样，进而撞击速度va减小。
进一步的，长叶片与原型叶片各有2片，间隔分布方式为长叶片-原型叶片-长叶片-原型叶片。
本发明的有益效果是：
通过改变原型叶片的弦长得到长叶片，可以降低鱼类在叶片进口的撞击率。增加叶片前缘厚度可以降低鱼类的撞击死亡率。并经过理论计算这一改进理论上能降低叶片的撞击概率，甚至对于撞击概率接近100％的鱼类，撞击概率可以降低25％左右。
该结构可以在保证效率和扬程变化不大的条件下有效降低小型鱼类通过时的撞击死亡概率。通过理论计算改进后的叶片前缘撞击概率与原型泵相比有大幅度下降的，叶片撞击死亡率与原型泵相比也有所降低。通过CFD对改进前后的轴流泵进行数值计算，结果显示改进后的泵的扬程和效率及功率在设计工况点与原型泵相比相差不大。
附图说明
图1为原型叶片结构示意图；
图2为长叶片结构示意图；
图3为长叶片与原型叶片对比图；
图4为鱼类通过原型叶轮的过程图；
图5为鱼类通过改进叶轮的过程图；
图6为原始泵与改进泵的流量扬程曲线；
图7为原始泵与改进泵的流量功率曲线；
图8为原始泵与改进泵的流量效率曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对此发明进行说明
一种轴流泵，包括进口喇叭、叶轮、导叶、出口段。对叶轮叶片进行改进，主要改进为将原型叶片上进行改进，具体操作步骤为：
(1)按流线法设计出符合设计性能的原型叶片；
(2)将原型叶片的弦长进行延长，得到长叶片，其中，长叶片轴向距离比原型叶片的轴向距离长L轴，长叶片弦长比原型叶片弦长长L轴/sinβL，其中，L轴为原型叶片轴向距离的1/10～1/6；
(3)长叶片的叶片弦长安放角与原型叶片的叶片弦长安放角相同均为βL；
(4)对长叶片前缘厚度进行加厚，厚度可以加厚至与轮缘最大厚度相同；
(5)将长叶片与原型叶片间隔分布在叶轮流道中得到叶轮的新型结构，具体的，长叶片与原型叶片各有2片，间隔分布方式为长叶片-原型叶片-长叶片-原型叶片。
原型叶轮的叶片撞击概率为Pth，长叶片撞击概率Pth1＝1/2Pth+(1-1/2Pth)1/2Pth＝Pth-1/4Pth 2。
由叶片撞击死亡率公式
可以得到，加厚叶片前缘厚度可以降低Lf/d的值，因此通过增加长叶片前缘厚度进而降低长叶片对鱼类的撞击死亡率。
鱼类通过两个长叶片后，不仅具有轴向速度，还有圆周速度，面对两个原型叶片时，由于鱼类被长叶片作用具有圆周速度，在经过原型叶片时候与原型叶片进口边撞击的速度vs减小，进而降低了叶片的撞击死亡率。
将新型叶轮水体进行数值模拟，模拟结果显示，改进后的叶轮与原始叶轮相比，效率变化不大，扬程有略微的升高。
以WB型四叶片原型轴流泵为例。鱼类通过叶片前缘处过流断面的时间与叶轮转过叶片通过叶片距所需时间的比值为叶片进口的撞击概率，撞击死亡率与撞击速度、鱼类长度和叶片前缘厚度有关。
为更清楚的展示发明，以WB型号轴流泵为例，其设计流量Q＝5.10m3/s，扬程H＝6.8m，转速n＝370r/min,叶片为4片。
原型叶片与长叶片对比图如图1至3，长叶片与原型叶片的叶片弦长安放角βL相同，长叶片与原型叶片的弦长之差约为原型叶片弦长的1/6，如图4和5为鱼类经过原始叶轮和改进叶轮的对比图，设经过原始具有四个相同的叶片时，鱼类的撞击率为Pth，当经过两个长叶片时，鱼类的撞击概率为1/2Pth，假设总数为1，则还剩下1-1/2Pth，通过两片原始叶片的撞击概率最大为1/2Pth，则通过原始叶片的撞击个数为(1-1/2Pth)*1/2Pth＝1/2Pth-1/4Pth 2，加上长叶片的撞击个数1/2Pth，总的撞击个数为Pth-1/4Pth 2，与原型叶轮相比改进后的叶轮撞击率有所下降。
加厚长叶片进口前缘厚度，公式3中的Lf/d减小，鱼类通过长叶片时候的撞击死亡率减小。鱼类通过原型叶片时，由于叶片作用，鱼类具有一定的与叶片旋转方向相同的圆周速度，因此鱼类通过原型叶片时候的撞击死亡率也有所下降，综上，新型叶轮的撞击死亡率有所降低。
通过对改进后的叶轮与与原始叶轮建模并数值模拟得到的外特性曲线如图6-8。对改进型的轴流泵进行数值模拟得到其效率、扬程、功率曲线，新型泵的外特性曲线与原型泵的外特性曲线对比图如图所示。从流量效率曲线图中可以看出，改进型的轴流泵的效率在设计工况点比原型泵高1个百分点，在小流量工况点效率相差不大，在大流量工况点，改进后的轴流泵效率下降比原型泵更快。从流量扬程曲线图中可以看出，改进后的轴流泵在大流量工况点比原型泵低，在小流量工况点比原型泵高。从流量功率曲线图中可以看出，在设计工况下，改进后的轴流泵的功率与原型泵相比几乎没有变化，小流量工况下，改进后的轴流泵功率高于原型泵，大流量工况下，改进后的轴流泵功率略低于原型泵。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：设计出符合扬程和流量要求的轴流泵原型叶片的三维叶型；
步骤二：根据步骤一设计出的原型叶片设计出长叶片的的三维叶型；
步骤三：将步骤一设计出的原型叶片与步骤二设计出的长叶片间隔分布在轴流泵流道中。
2.根据权利要求1所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：长叶片的叶片弦长安放角与原型叶片的叶片弦长安放角均为βL。
3.根据权利要求2所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：长叶片轴向距离比原型叶片的轴向距离长L轴，长叶片弦长比原型叶片弦长长L轴/sinβL，其中，L轴为原型叶片轴向距离的1/10～1/6。
4.根据权利要求2所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：长叶片前缘厚度等于叶轮轮缘的最大厚度。
5.根据权利要求2所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：根据叶片撞击模型
Lf为鱼体长度；vm1为叶轮入口处液流轴面速度；Q为流量；A1为叶片入口过流断面面积；tf为流过叶轮进口处过流断面所需的时间。
原型叶片撞击概率为Pth，其中，tb为叶片通过叶片距时间；长叶片撞击概率为Pth-1/4Pth 2。
6.根据权利要求5所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：叶片撞击模型中：
鱼体为无主观运动的僵直物体，即不产生主观游动也不发生形变；鱼体的运动方向与液流方向一致；忽略鱼体厚度的影响。
7.根据权利要求6所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：根据监测数据回归分析得到撞击死亡率公式
其中，a、b为常系数，Lf为鱼体长度，d为轴流泵长叶片前缘厚度，v为平均撞击速度，va为叶片前缘任一点撞击速度；vm1为叶轮入口处液流轴面速；u1为叶轮进口的圆周速度；其中，v随着不同的半径而改变；R2为叶片进口边轮缘的半径；R1为叶片进口边轮毂的半径。
8.根据权利要求7所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：在增大长叶片前缘厚度d的条件下，鱼体长度Lf与长叶片前缘厚度d的比值与鱼体长度Lf与原型叶片前缘厚度d1比值相比减小，增大长叶片前缘厚度d可减小鱼类的撞击死亡率。
9.根据权利要求2所述的一种可提高轴流泵过鱼特征的轴流泵叶轮的设计办法，其特征在于：长叶片与原型叶片各有2片，间隔分布方式为长叶片-原型叶片-长叶片-原型叶片。
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