CN114396393A - 一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法及灯泡贯流泵导叶 - Google Patents

一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法及灯泡贯流泵导叶 Download PDF

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赵旭涛
孙龙月
杨港
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Abstract

本发明涉及一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法及灯泡贯流泵导叶，方法包括：基于导叶轴面图，在保证导叶轴向高度不变的前提下，赋予导叶体不同轮毂扩散角度下的导叶出口角变化规律。当导叶体扩散角因装置结构发生变化时，通过调整轮毂侧导叶型线出口安放角取值大小，并结合所设计的导叶出口角递增规律，可快速便捷地设计出适应灯泡贯流泵导叶体内流动的导叶形状。利用本发明设计方法设计出的导叶，可减弱或消除导叶出口叶根处的涡流及脱流现象，降低导叶的水力损失，提高导叶段与灯泡体段流场的匹配性，保证灯泡体段及出水流道内的流动稳定性，同时还可以保证速度环量的回收效果，提高灯泡贯流泵装置的水力性能及流动稳定性。

Description

一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法及灯泡贯流泵导叶
技术领域
本发明涉及一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法及灯泡贯流泵导叶，属于 流体机械技术领域。
背景技术
灯泡贯流泵是一种适用于扬程低、流量大场合的经济型泵，具有流道顺直、 水力损失小、装置效率高等优点。灯泡贯流泵装置主要由进水流道、叶轮段、 导叶段、灯泡体段及出水流道五部分组成。水流由进水流道流入叶轮，通过高 速旋转的叶轮获得能量，导叶体将从叶轮流出水流所具有的一部分圆周速度， 也就是速度环量进一步转化为压力能，使水流平稳地轴向流经灯泡体与出水流 道。
目前，贯流泵所采用的导叶体结构一般是由传统轴流泵导叶设计方法设计 所得，由于灯泡贯流泵电机尺寸的限制，叶轮与灯泡体之间的导叶体轮毂母线 往往与泵轴中心线具有一定的夹角，导致导叶体内的流动不再是传统轴流泵中 的轴向流动，而是由径向流动与轴向流动合成的扩散流动，这种由泵装置结构 特点所产生的流动差异性导致由传统方法所设计的导叶与灯泡贯流泵结构的匹 配性低，其水力性能很难满足大型灯泡贯流泵装置的要求。
导叶体作为灯泡贯流泵装置关键的水力部件之一，不仅其自身会产生一定 的水力损失，还会影响在其之后灯泡体段及出水流道内的流态，进而对整个贯 流泵装置的水力性能产生不可忽视的影响。本发明结合灯泡贯流泵装置的结构 特点，提出了一种能自适应扩散导叶体结构，减弱甚至消除导叶体内不良流态， 提升灯泡贯流泵装置水力性能的灯泡贯流泵自适应导叶设计方法。
发明内容
为了进一步提高导叶体与灯泡贯流泵装置结构的匹配性，减少灯泡贯流泵 导叶体内部的水力损失，改善导叶体整流及回收速度环量的效果，优化灯泡贯 流泵内部的流态及提升泵装置整体的水力性能，本发明提供了一种适合大型灯 泡贯流泵的导叶自适应设计方法及灯泡贯流泵导叶。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种灯泡贯流泵导叶自 适应设计方法，根据贯流泵装置结构确定导叶的轴面图，将导叶进、出口边沿 半径方向等分，确定导叶流面个数；根据导叶基本结构参数按轴流泵导叶设计 方法计算得到各流面上的导叶进口角α3，基于导叶轴面图，保证各流面导叶型 线高度H不变，针对不同轮毂扩散角下的导叶体结构，按线性或非线性规律赋 予各流面导叶型线从轮毂至轮缘逐渐增大的出口安放角，此时根据式(1)，在导 叶型线高度H保持不变的前提下，各流面导叶型线的弦长l根据导叶进、出口 安放角有所不同；
Figure BDA0003342144420000021
式中：H为导叶型线高度，毫米；l为导叶流面型线弦长，毫米；α3为导叶 叶片进口角，度；α4为导叶叶片出口角，度。
上述方案中，根据式(2),基于导叶进口安放角、导叶出口安放角、导叶流面 型线高度或导叶流面型线弦长的具体数值计算出各流面型线的半径，绘制出导 叶的工作面型线；
Figure BDA0003342144420000022
式中：R为导叶翼型剖面型线半径，毫米。
上述方案中，各流面导叶型线的进口角始终保持一致。
上述方案中，当贯流泵导叶轮毂侧的单边扩散角α＝13°～18°时，轮毂侧流面 导叶型线的出口安放角θ0＝79°～82°；当贯流泵导叶轮毂侧的单边扩散角 α＝19°～25°时，轮毂侧流面导叶型线的出口安放角θ0＝75°～78°。
上述方案中，轮毂侧导叶型线出口安放角与轮缘侧导叶型线出口安放角之 间的角度差值为10°；轮毂侧导叶型线出口安放角至轮缘侧导叶型线出口安放 角之间的角度递增变化规律包括三种，如式(3)、(4)、(5)所示：
Δθ1(r*)＝10·r* (3)
Δθ2(r*)＝-10·(r*)2+20r* (4)
Δθ3(r*)＝10·(r*)2 (5)
式中：r*表示导叶体轮毂至轮缘位置的无量纲相对半径，其范围为0～1； Δθ(r*)表示以轮毂侧流面导叶型线出口安放角为基准，各流面导叶型线出口安 放角随相对半径变化的增量，其范围为0°～10°；其中Δθ1(r*)为线性递增变化 规律，Δθ2(r*)和Δθ3(r*)为非线性递增变化规律。
上述方案中，从轮毂至轮缘各流面导叶型线出口安放角可表示为
θ(r*)＝θ0+Δθi(r*)(i＝1,2,3) (6)
式中：θ(r*)为导叶出口安放角从轮毂至轮缘随相对半径的变化规律； Δθi(r*)为三种不同的导叶出口安放角递增规律。
上述方案中，当导叶体轮毂侧扩散角发生变化时，可通过调整轮毂侧流面 导叶型线出口安放角取值与不同的导叶出口角递增规律相匹配，得到适应导叶 体扩散流场的导叶出口角值。
上述方案中，按照791翼型加厚规律对所确定的各流面导叶型线进行从工 作面至背面的加厚。
上述方案中，各流面导叶型线的出口角从轮毂至轮缘按设计的线性或非线 性规律递增变化时，始终保持各流面导叶型线高度H保持不变，即：保证了导 叶轴面图的不变，只通过导叶进、出口角变化引起的型线弦长及型线半径的变 化来调整各流面导叶型线的形状，除此之外，导叶型线的加厚规律也始终保持 不变。
本发明还提供了一种灯泡贯流泵导叶，该贯流泵导叶的叶片数为7片，导 叶出口安放角从轮毂侧至轮缘侧按式(7)所示规律逐渐递增，
θ(r*)＝θ0+Δθ1(r*)＝80°+10·r* (7)。
本发明的有益效果：(1)本发明所述的灯泡贯流泵导叶自适应设计方法解 决了传统轴流泵导叶不适应贯流泵导叶体扩散流动的问题。通过参数化不同的 导叶出口角变化规律，当导叶体轮毂侧扩散角随灯泡体结构发生变化时，可根 据所述方法自适应地设计出适应导叶体扩散流动的导叶，从而可减弱甚至消除 导叶出口叶根周围的涡流，降低导叶的水力损失，保证灯泡体段及出水流道内 的流动稳定性，且随着导叶出口角沿轮毂至轮缘方向按一定规律的不断增大， 可保证导叶回收速度环量的效果。(2)本发明所述导叶自适应设计方法可提高 灯泡贯流泵装置的水力性能，增加其流动稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，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的附图。
图1是大型灯泡贯流泵装置单线示意图。
图2是本发明所述导叶设计方法实施例的导叶轴面图。
图3是贯流泵导叶翼型参数示意图。
图4是本发明所述导叶设计方法的导叶出口角变化规律示意图。
图5是本发明所述导叶设计方法的实施例与传统导叶设计方法所设计导叶 的翼型对比图。
图6为本发明所述导叶设计方法的实施例的装配结构示意图。
图7为本发明所述导叶设计方法的实施例与传统导叶设计方法所设计导叶 在相对半径0.1处的流场对比图。
图中：1.进水流道；2.叶轮；3.导叶；4.灯泡体；5.出水流道；6.导叶外壳 体；7.导叶叶片轴面；8.圆锥型导叶轮毂。
具体实施方式
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清 楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。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 性劳动的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。
实施例：以一个大型灯泡贯流模型泵装置为例，如示意图1所示，模型泵 主要包括进水流道1，叶轮2，导叶3，灯泡体4和出水流道5，该模型泵装置 叶轮外径为300mm，转速为1450r/min，额定工况流量为410.9L/s，额定工况下 扬程为4.11m。根据贯流泵装置整体结构确定了导叶的轴面图，并进行了流面划 分，如图2所示，共有5个流面。图3为导叶翼型剖面主要参数的示意图，基 于初始设计参数，利用导叶传统设计方法计算了不同流面上导叶型线的进口安 放角。根据贯流泵装置结构确定导叶轮毂侧单边扩散角为14°，此时选取导叶 轮毂侧流面导叶型线的出口安放角θ0＝80°，所设计的三种导叶出口角递增变化规 律如式(1)-(3)所示，其相应示意图如图4所示
Δθ1(r*)＝10·r* (1)
Δθ2(r*)＝-10·(r*)2+20·r* (2)
Δθ3(r*)＝10·(r*)2 (3)
式中：r*表示导叶体轮毂至轮缘位置的无量纲相对半径，其范围为0～1； Δθ(r*)表示以轮毂侧流面导叶型线出口安放角为基准，各流面导叶型线出口安 放角随相对半径变化的增量，其范围为0°～10°。其中Δθ1(r*)为线性递增变化 规律，Δθ2(r*)和Δθ3(r*)为非线性递增变化规律。
经过优选对比分析，选择Δθ1(r*)导叶出口角递增规律进行导叶设计，此时， 导叶出口角从轮毂至轮缘的变化规律可表示为
θ(r*)＝θ0+Δθ1(r*)＝80°+10·r* (4)
基于流面划分方案，根据无量纲相对半径值即可在式(4)基础上计算得到相 应流面上导叶型线的出口安放角。
根据已计算得到的各流面导叶型线的进口安放角、所确定的出口安放角及 由导叶轴面图所确定的导叶型线轴向高度，可通过式(5)计算得到各流面上导叶 型线的弦长。
Figure BDA0003342144420000051
式中：H为导叶高度，毫米；l为导叶流面型线弦长，毫米；α3为导叶叶片 进口角，度；α4为导叶叶片出口角，度。
接着，根据各流面导叶型线的进、出口安放角和型线高度或弦长，由式(6) 计算出各流面导叶型线的半径，进而绘制出各流面导叶的工作面型线。
Figure BDA0003342144420000052
式中：R为导叶翼型剖面型线半径，毫米。
接着，根据791翼型加厚规律对各流面导叶工作面型线进行由工作面向背 面的加厚，加厚完成后，对各流面导叶翼型的进口及出口进行修圆。图5展示 了由传统设计方法得到的导叶翼型剖面及本实例设计的出口角符合Δθ1(r*)规律 的导叶翼型剖面，导叶的流面均为5个，两种设计方法均采用图2所示的导叶 轴面形状。
需要注意的是，各流面导叶型线的出口安放角从轮毂至轮缘按线性或非线 性规律递增时，始终保持各流面导叶型线的轴向高度H保持不变，即保证了导 叶轴面图的不变，只通过导叶进、出口角变化引起的型线弦长及型线半径的变 化来调整各流面导叶型线的形状，除此之外，导叶型线的加厚规律也始终保持 不变。
图6为本发明所述贯流泵导叶自适应设计方法实施例的导叶体装配结构示 意图，其主要包括，导叶外壳体6，导叶叶片轴面7，圆锥型导叶轮毂8，导叶 叶片连接轮毂及外壳体，致导叶段是一个整体。导叶段进口通过螺栓与叶轮室 连接，导叶段出口通过螺栓与灯泡体段连接。
图7为图5所示的两种不同的贯流泵导叶内靠近轮毂侧相对半径0.1处的流 场对比，由本发明所述贯流泵导叶设计方法所设计导叶的轮毂侧流场流态更好， 降低了导叶叶根周围的脱流及涡流程度，减小了导叶段自身的水力损失。
以上为本发明技术方案的具体说明，但是本发明专利并不局限于上述实施 例，所有由本领域技术人员在本发明技术方案的基础上所作出的任何显而易见 的改进替换或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，根据贯流泵装置结构确定导叶的轴面图，将导叶进、出口边沿半径方向等分，确定导叶流面个数；根据导叶基本结构参数按轴流泵导叶设计方法计算得到各流面上的导叶进口角α3，基于导叶轴面图，保证各流面导叶型线高度H不变，针对不同轮毂扩散角下的导叶体结构，按线性或非线性规律赋予各流面导叶型线从轮毂至轮缘逐渐增大的出口安放角，此时根据式(1)，在导叶型线高度H保持不变的前提下，各流面导叶型线的弦长l根据导叶进、出口安放角有所不同；
Figure FDA0003342144410000011
式中：H为导叶型线高度，毫米；l为导叶流面型线弦长，毫米；α3为导叶叶片进口角，度；α4为导叶叶片出口角，度。
2.根据权利要求1所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，根据式(2),基于导叶进口安放角、导叶出口安放角、导叶流面型线高度或导叶流面型线弦长的具体数值计算出各流面型线的半径，绘制出导叶的工作面型线；
Figure FDA0003342144410000012
式中：R为导叶翼型剖面型线半径，毫米。
3.根据权利要求1或2所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，各流面导叶型线的进口角始终保持一致。
4.根据权利要求1或2所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，当贯流泵导叶轮毂侧的单边扩散角α＝13°～18°时，轮毂侧流面导叶型线的出口安放角θ0＝79°～82°；当贯流泵导叶轮毂侧的单边扩散角α＝19°～25°时，轮毂侧流面导叶型线的出口安放角θ0＝75°～78°。
5.根据权利要求1或2所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，轮毂侧导叶型线出口安放角与轮缘侧导叶型线出口安放角之间的角度差值为10°；轮毂侧导叶型线出口安放角至轮缘侧导叶型线出口安放角之间的角度递增变化规律包括三种，如式(3)、(4)、(5)所示：
Δθ1(r*)＝10·r* (3)
Δθ2(r*)＝-10·(r*)2+20·r* (4)
Δθ3(r*)＝10·(r*)2 (5)
式中：r*表示导叶体轮毂至轮缘位置的无量纲相对半径，其范围为0～1；Δθ(r*)表示以轮毂侧流面导叶型线出口安放角为基准，各流面导叶型线出口安放角随相对半径变化的增量，其范围为0°～10°；其中Δθ1(r*)为线性递增变化规律，Δθ2(r*)和Δθ3(r*)为非线性递增变化规律。
6.根据权利要求5所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，从轮毂至轮缘各流面导叶型线出口安放角可表示为
θ(r*)＝θ0+Δθi(r*)(i＝1,2,3) (6)
式中：θ(r*)为导叶出口安放角从轮毂至轮缘随相对半径的变化规律；Δθi(r*)为三种不同的导叶出口安放角递增规律。
7.根据权利要求4所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，当导叶体轮毂侧扩散角发生变化时，可通过调整轮毂侧流面导叶型线出口安放角取值与不同的导叶出口角递增规律相匹配，得到适应导叶体扩散流场的导叶出口角值。
8.根据权利要求2所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，按照791翼型加厚规律对所确定的各流面导叶型线进行从工作面至背面的加厚。
9.根据权利要求6或8所述的一种灯泡贯流泵导叶自适应设计方法，其特征在于，各流面导叶型线的出口角从轮毂至轮缘按设计的线性或非线性规律递增变化时，始终保持各流面导叶型线高度H保持不变，即：保证了导叶轴面图的不变，只通过导叶进、出口角变化引起的型线弦长及型线半径的变化来调整各流面导叶型线的形状，除此之外，导叶型线的加厚规律也始终保持不变。
10.一种利用灯泡贯流泵导叶自适应设计方法所设计的导叶，其特征在于，贯流泵导叶的叶片数为7片，导叶出口安放角从轮毂侧至轮缘侧按式(7)所示规律逐渐递增，
θ(r*)＝θ0+Δθ1(r*)＝80°+10·r* (7)。
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