CN112901502B - 一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法，属于轴流泵导叶设计技术领域，包括以下步骤：S1.对叶轮流体域进行建模，然后划分网格，再设置边界条件；S2.计算叶轮出口圆周方向分速度vu2和轴面速度vm2；S3.分别对不同圆柱面的vu2和vm2进行关于相应周长的加权平均计算，得出各圆柱面上vu2和vm2的平均值。

Description

一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法
技术领域
本发明属于轴流泵导叶设计技术领域，具体涉及一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法。
背景技术
目前轴流泵导叶设计，一般采取流线法，流线法采用圆柱无关性假设，对每个圆柱层导叶入口安放角分别求解，以上导叶入口安放角的计算方法有以下缺点：
整个设计基于圆柱无关性这一基本假设，即各个圆柱层面流动状态互不相关，流动过程中无径向流动，但在实际的流动过程中，由于靠近轮缘位置势扬程远远大于靠近轮毂位置势扬程，流道内不可避免地存在明显的径向流动；
不考虑无滑移边界条件，假设各个圆柱面的轴面流速vm相同。但在实际的流动过程中，轮缘和轮毂由于无滑移边界的原因，其轴面速度为0m/s,且由流体力学可知，完全发展的管道流动，其轴面速度沿过流断面呈抛物线分布，各圆柱面之间轴面速度梯度明显，相差较大。
计算中，导叶入口圆周速度取vu3＝vu2(vu2为叶轮出口圆周方向分速度)，而vu2通过欧拉方程(
Figure BDA0002978714700000011
g：重力加速度；H：泵扬程；u：圆周速度；ηh：水力效率)计算而来，其中H为设计扬程，ηh由经验公式计算，然而实际情况是，一方面，囿于轴流泵设计方法依赖大量的经验系数，设计者在设计轴流泵叶轮时无法保证叶轮在设计点工况扬程与设计扬程相同，导致实际vu2与设计vu2偏差较大；另一方面，设计中，同一圆柱面上按设计值取vu2，然而轴流泵的叶片数有限，包角较小，其无法很好地控制流体沿着叶片方向流动，导致圆柱面上不同相位角处vu2不同，这同样导致实际vu2与设计vu2不同。
鉴于此，传统导叶入口安放角计算方法获得的结果与实际值存在较大偏差，进而导致导叶入口处冲击损失增大而降低轴流泵的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法，解决现有技术中导叶入口安放角计算方法获得的结果与实际值存在较大偏差，进而导致导叶入口处冲击损失增大而降低轴流泵的效率的技术问题。
本发明提供了一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法，包括以下步骤：
S1.对叶轮流体域进行建模，然后划分网格，再设置边界条件；
S2.计算叶轮出口圆周方向分速度vu2和轴面速度vm2；
S3.分别对不同圆柱面的vu2和vm2进行关于相应周长的加权平均计算，得出各圆柱面上vu2和vm2的平均值，
Figure BDA0002978714700000021
Figure BDA0002978714700000031
式中，C为圆周长；
S4.又：
Figure BDA0002978714700000032
式中
Figure BDA0002978714700000033
为导叶入口某一圆柱面轴面速度平均值，
Figure BDA0002978714700000034
为导叶入口某一圆柱面圆周方向分速度平均值，且
Figure BDA0002978714700000035
Figure BDA0002978714700000036
为叶片进口排挤系数得：
Figure BDA0002978714700000037
Figure BDA0002978714700000038
为导叶进口排挤系数。
S5.根据实际情况计算导叶入口不同圆柱面位置的排挤系数，便可得到相应圆柱面的导叶入口安放角。
进一步的，步骤S1中边界条件包括以下条件，假设条件：定常或非定常，不可压；湍流模型：RNG k-ε；进口：质量流；出口：Opening(自由出流)；壁面：No slip(无滑移)；近壁区：标准壁面函数；
进一步的，所述步骤S2中圆周方向分速度vu2和轴面速度vm计算方法为：取叶轮靠近出口位置由轮毂到轮缘三个(可取多个)不同半径(rh＜r＜rd)圆柱层a、b和c且每个圆柱层均分200份，根据计算流体动力学计算结果分别获取三个圆柱面上不同位置的圆周方向分速度vu2和轴面速度vm的分布情况。
本发明的有益效果为：
1.该方法充分考虑各圆柱层面之间的径向流动对流程结构的影响，更加符合实际情况；
2.该方法考虑轮毂和轮缘边界对轴面速度vm在不同圆柱面分布的影响，而不是基于圆柱无关性假设认为各圆柱面vm相同，该计算方法更加符合实际情况；
3.该方法并不采用经验公式计算叶轮出口圆周方向分速度vu2，而是根据计算流体动力学计算得到的实际流场结构，获取叶轮出口位置vu2，并充分考虑叶片数较少包角较小等引起叶片出口液流角偏离叶片出口安放角的情况，计算vu2值更加符合实际情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明叶轮出口圆柱面位置图；
图2为本发明轴流泵结构示意图；
图3为本发明轴流泵结构轮毂到轮缘三个半径不同的圆柱面a、b及c展开图；
图4为本发明导叶入口速度三角形图；
图5为本发明计算域模型图；
图6为本发明网格划分图；
图7为本发明叶轮出口圆周方向分速度分布图；
图8为本发明叶轮出口轴面速度分布图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明的实施方式提供了一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法，包括以下步骤:
S1.对叶轮流体域进行建模，然后划分网格，再设置边界条件，假设条件：定常或非定常，不可压；湍流模型：RNG k-ε；进口：质量流；出口：Opening(自由出流)；壁面：No slip(无滑移)；近壁区：标准壁面函数；
S2.计算叶轮出口圆周方向分速度vu2和轴面速度vm2：取叶轮靠近出口位置轮毂附近，流道中部以及轮缘位置三个圆柱层a、b和c且每个圆柱层均分200份，根据计算流体动力学计算结果分别获取三个圆柱面上不同位置的圆周方向分速度vu2和轴面速度vm的分布情况；
S3.分别对不同圆柱面的vu2和vm2进行关于相应周长的加权平均计算，得出各圆柱面上vu2和vm2的平均值；
Figure BDA0002978714700000071
Figure BDA0002978714700000072
Figure BDA0002978714700000073
Figure BDA0002978714700000074
Figure BDA0002978714700000075
Figure BDA0002978714700000076
式中，C为圆周长；
S4.将上两式带入式
Figure BDA0002978714700000077
中得导叶入口安放角为：
Figure BDA0002978714700000078
Figure BDA0002978714700000081
Figure BDA0002978714700000082
以上分别取排挤系数
Figure BDA0002978714700000083
经本设计方法从新设计的轴流泵空间导叶，整泵扬程、效率均得到响应提高，针对本泵效率提高2％。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对叶轮流体域进行建模，然后划分网格，再设置边界条件；
S2.计算叶轮出口圆周方向分速度vu2和轴面速度vm2；
S3.分别对不同圆柱面的vu2和vm2进行关于相应周长的加权平均计算，得出各圆柱面上vu2和vm2的平均值，
Figure FDA0003250643940000011
Figure FDA0003250643940000012
式中，
Figure FDA0003250643940000013
分别为叶轮出口同一圆柱面各个样点位置的圆周方向分速度和轴面速度，li为两个相邻样点之间的弧长，C为圆周长；
S4.又，
Figure FDA0003250643940000014
式中α’3为导叶入口液流角，
Figure FDA0003250643940000015
为导叶入口某一圆柱面轴面速度平均值，
Figure FDA0003250643940000016
为导叶入口某一圆柱面圆周方向分速度平均值，且
Figure FDA0003250643940000017
Figure FDA0003250643940000018
为导叶进口排挤系数得：
Figure FDA0003250643940000019
S5.根据实际情况计算导叶入口不同圆柱面位置的排挤系数，便可得到相应圆柱面的导叶入口安放角。
2.根据权利要求1所述的一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法，其特征在于，步骤S1中边界条件包括以下条件，假设条件：定常或非定常，不可压；湍流模型：RNG k-ε；进口：质量流；出口：Opening；壁面：No slip；近壁区：标准壁面函数。
3.根据权利要求1所述的一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法，其特征在于，所述步骤S2中圆周方向分速度vu2和轴面速度vm计算方法为：取叶轮靠近出口位置由轮毂到轮缘三个不同半径圆柱层a、b和c且每个圆柱层均分200份，根据计算流体动力学计算结果分别获取三个圆柱面上不同位置的圆周方向分速度vu2和轴面速度vm的分布情况。
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