CN116191713B - 一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子及其设计方法,所述转子的外表面加工有正弦型间断肋片;正弦型间断肋片呈间断的正弦波纹形状;正弦型间断肋片沿转子的长度方向布置。本发明可加大间隙回流与转子之间的对流传热面积,削弱对近壁区水体的剪切作用产生的损耗,降低生物在转子表面的附着能力。本发明能够实现全贯流泵转子外表面的长效散热和自洁。
Description
技术领域
本发明属于水力机械领域,涉及一种全贯流泵转子,尤其涉及一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子及其设计方法。
背景技术
全贯流泵一般采用湿定子电机,定子绕组浸入水中工作,并通过工作时的水流对定子绕组进行冷却,散热条件好。而全贯流泵的叶轮与电机转子为一体式结构,为满足潜水电机工作状态要求,转子槽形设计为闭口槽,会影响散热效果。
淡水壳菜是自然河流的滤食性底栖动物,营附着或固着生活,其对环境适应能力较强,能够在低溶解氧、高水流流速的人工结构中生长。全贯流泵电机的气隙比普通电机大,在淡水壳菜繁殖期,幼虫极易进入气隙中,高密度附着生长,影响设备的正常运行,造成“生物污损”现象。目前的防治方法较为不成熟,广泛使用的人工刮除、化学制剂灭杀等方法易引起结构壁面损伤、环境污染等问题。
肋片是指依附于基础表面上的扩展表面,在实际工程中,可通过在原来与流体接触的表面上加一些特殊形状的金属,增加换热面积,达到强化传热的目的。由于电机转子是圆周运动,在转子表面增加肋片时,显然不能把肋片型线设计成直线型。这是因为肋片对流体的剪切作用、腔体对流体的约束等,转子近壁区流动方向为周向和径向,其流线是曲线型。因此,为达到良好的减阻效果,转子表面上的肋片应该设计成曲线型的。但是,该曲线设计方法较缺乏。
发明内容
本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子及其设计方法,以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,具有这样的特征:所述转子的外表面加工有正弦型间断肋片;正弦型间断肋片呈间断的正弦波纹形状;正弦型间断肋片沿转子的长度方向布置。
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,还可以具有这样的特征:其中,所述转子除正弦型间断肋片的剩余外表面喷涂有超疏水材料。
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,还可以具有这样的特征:其中,所述正弦型间断肋片的布置数量为若干个。
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,还可以具有这样的特征:其中,若干个正弦型间断肋片中心对称布置,且避开转子槽,布置在转子齿对应的外表面区域。
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,还可以具有这样的特征:其中,所述正弦型间断肋片的布置数量为偶数。
本发明还提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子的设计方法,具有这样的特征:包括以下步骤:
S1、设计所述正弦型间断肋片的波纹轴向距离L1:选取系数C1,由式(1)计算得到波纹轴向距离L1,C1的范围为0~1.0;
L1=C1·L (1)
式(1)中L为转子铁心长度;
S2、设计所述正弦型间断肋片的波纹幅值A:选取系数C2,由式(2)计算得到正弦型间断肋片的波纹幅值A,C2的范围为0~1.0;
式(2)中B为转子齿距;
S3、设计所述正弦型间断肋片的波纹周期T:选取正弦型间断肋片的波纹周期数n,由式(3)计算正弦型间断肋片的波纹周期T;
S4、设计正弦型间断肋片波纹表达式:取正弦型间断肋片的波纹初始相位角正弦型间断肋片波纹表达式为/>对于正弦型间断肋片的波纹形状所在的直角坐标系,该直角坐标系的x轴正方向与全贯流泵的出水方向一致,正弦型间断肋片波纹表达式中的x为波纹轴向长度;
S5、设计正弦型间断肋片的间隙长度l:选取系数C4,由式(5)计算正弦型间断肋片的间隙长度l,C4的范围为0~0.2;
S6、设计正弦型间断肋片的截面高度h:选取系数C5,由式(6)计算正弦型间断肋片的截面高度h,C5的范围为0.3~0.8;
h=C5·δ (6)
式(6)中δ为电机气隙;
S7、设计正弦型间断肋片的横截面:确定横截面形状,并设计截面宽度b;
选取系数C6,由式(7)计算正弦型间断肋片的截面宽度b,C6的范围为0.1~5.0;
b=C6·h (7)
其中,正弦型间断肋片的横截面形状可以为矩形、三角形、梯形等,若横截面形状为三角形、梯形等不等宽的形状,则截面宽度为与转子外表面相接的最大截面宽度;
S8、设计正弦型间断肋片的布置数量N:选取系数C7,由式(8)计算正弦型间断肋片的布置数量N,C7的范围为0.1~1.0;
N=C7·Z (8)
式(8)中Z为转子槽数;
S9、按照S1-S8得到的正弦型间断肋片,控制全贯流泵间隙回流流量和间隙回流进口温度,对布置正弦型间断肋片后的转子外表面传热与流动阻力特性进行仿真或试验,得到转子温度t1和间隙回流进出口压力降ΔP1;
S10、根据转子温度t1和间隙回流进出口压力降ΔP1判断S1-S8得到的正弦型间断肋片是否满足检验要求;
如果设计满足检验要求,则正弦型间断肋片设计步骤结束;
如果设计不能满足检验要求,步骤转至S1,选取不同的参数重新设计,直到满足检验要求为止;
S11、根据S1-S8方法,设计出正弦型间断肋片全参数,在转子表面加工出正弦型间断肋片;然后,选用超疏水材料喷涂转子外表面。
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子的设计方法,还可以具有这样的特征:其中,S3中,n为整数。
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子的设计方法,还可以具有这样的特征:其中,S3中,得到正弦型间断肋片的波纹周期T后,由式(4)计算计算系数C3;
当系数C3为1.0~4.0时,进行S4;当系数C3不为1.0~4.0时,重新取选取正弦型间断肋片的波纹周期数n,并计算正弦型间断肋片的波纹周期T和系数C3,直至系数C3为1.0~4.0,进行S4。
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子的设计方法,还可以具有这样的特征:其中,S10中,设全贯流泵在设计工况下,转子温度为t,间隙回流进出口压力降为ΔP;检验要求为:转子温度平均值C8<0.9,且间隙回流进出口压力降平均值/>
进一步,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子的设计方法,还可以具有这样的特征:其中,超疏水材料喷涂厚度为z,喷涂超疏水材料使得转子表面增厚系数为
本发明的有益效果在于:本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子及其设计方法,在转子外表面,加工正弦型间断肋片,增加导热面积,兼具良好的减阻效果;同时在转子外表面喷涂超疏水涂料,降低生物附着能力,实现自洁功能。本发明通过在全贯流泵转子表面上耦合肋片散热技术和超疏水处理技术,达到两者协同作用下的长效散热和自洁目的。基本原理为:增加曲线型间断肋片,喷涂超疏水涂料,使得间隙回流与转子之间加大对流传热面积,并削弱对近壁区水体的剪切作用产生的损耗,降低生物在转子表面的附着能力,实现转子表面的长效散热和自洁。其中,超疏水表面具有低表面能特性,可降低生物与壁面的表面润湿性,从而生物在其上的附着能力非常弱,利用生物自重、水流的冲击即可清除。超疏水表面具有减阻功能且减阻效果优异,直接地减小流体在壁面上的切变应力,增大层流附着面的厚度。超疏水表面可通过喷涂含聚四氟乙烯、氧化铝纳米线等添加剂的超疏水材料制得。
附图说明
图1是全贯流泵转子的结构示意图;
图2是全贯流泵转子外表面加工的正弦型间断肋片的结构示意图;
图3是正弦型间断肋片横截面的结构示意图;
图4是全贯流泵转子外表面喷涂超疏水材料的结构示意图;
图中:1、转子外表面,2、转子齿,3、转子槽,L——转子铁心长度,L1——正弦型间断肋片波纹轴向距离,A——正弦型间断肋片波纹幅值,T——正弦型间断肋片波纹周期,h——正弦型间断肋片截面高度,b——正弦型间断肋片截面宽度,l——正弦型间断肋片间隙长度,z——超疏水材料喷涂厚度,ω——转动方向。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示,本发明提供一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,转子的外表面1加工有正弦型间断肋片4。正弦型间断肋片4呈间断的正弦波纹形状。且正弦型间断肋片4沿转子的长度方向布置。正弦型间断肋片4的布置数量为若干个。若干个正弦型间断肋片4中心对称布置,且避开转子槽3,布置在转子齿2对应的外表面区域。优选的,正弦型间断肋片4的布置数量为偶数。此外,转子除正弦型间断肋片的剩余外表面喷涂有超疏水涂料。
本实施例以一全贯流泵电机为例,其电机气隙δ为0.65×10-3m,转子铁心长度L为0.08m,转子齿距B为0.028m,转子槽数Z为44。本兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子的设计方法包括以下步骤:
S1、设计正弦型间断肋片的波纹轴向距离L1:选取系数C1=0.9,由式(1)计算得到波纹轴向距离L1;
L1=C1·L=0.072 (1)
S2、设计正弦型间断肋片的波纹幅值A:选取系数C2=0.5,由式(2)计算得到正弦型间断肋片的波纹幅值A;
S3、设计正弦型间断肋片的波纹周期T:选取正弦型间断肋片的波纹周期数n=2,由式(3)计算正弦型间断肋片的波纹周期T;
由式(4)计算计算系数C3;
系数C3满足1.0~4.0时,进行S4;
S4、设计正弦型间断肋片波纹表达式:取正弦型间断肋片的波纹初始相位角正弦型间断肋片波纹表达式为/>对于正弦型间断肋片的波纹形状所在的直角坐标系XOZ,该直角坐标系XOZ的x轴正方向与全贯流泵的出水方向一致,正弦型间断肋片波纹表达式中的x为波纹轴向长度;
S5、设计正弦型间断肋片的间隙长度l:选取系数C4=0.04,由式(5)计算正弦型间断肋片的间隙长度l;
为了加工方便,取l为3.5×10-3m,设计出的正弦型间断肋片如图2所示;
S6、设计正弦型间断肋片的截面高度h:选取系数C5=0.5,由式(6)计算正弦型间断肋片的截面高度h;
h=C4·δ=0.32×51-3 (6)
S7、设计正弦型间断肋片的横截面:确定横截面形状为矩形,并设计截面宽度b;
选取系数C6=2.0,由式(7)计算正弦型间断肋片的截面宽度b:
b=C6·h=0.66×1-3 (7)
设计出的正弦型间断肋片的横截面如图3所示;
S8、设计正弦型间断肋片的布置数量N:选取系数C7=0.5,由式(8)计算正弦型间断肋片的布置数量N;
N=C7·Z=22 (8)
S9、按照S1-S8得到的正弦型间断肋片,控制全贯流泵间隙回流流量和间隙回流进口温度,对布置正弦型间断肋片后的转子外表面传热与流动阻力特性进行仿真或试验,得到转子温度t1和间隙回流进出口压力降ΔP1;
S10、该全贯流泵在设计工况下,转子温度为t,间隙回流进出口压力降为ΔP;
经计算,转子温度平均值且间隙回流进出口压力降平均值均满足检验要求,结束设计。
S11、根据S1-S8方法,设计出正弦型间断肋片全参数,在转子表面加工出正弦型间断肋片;然后,选用含聚四氟乙烯、氧化铝纳米线等添加剂的超疏水材料喷涂转子外表面,超疏水材料喷涂厚度z为0.1×10-3m,使得转子表面增厚系数正弦型间断肋片的肋端不进行喷涂,设计出的正弦型间断肋片横截面如图4所示。
Claims (9)
1.一种兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
所述转子的外表面加工有正弦型间断肋片;
正弦型间断肋片呈间断的正弦波纹形状;
正弦型间断肋片沿转子的长度方向布置;
兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子的设计方法包括以下步骤:
S1、设计所述正弦型间断肋片的波纹轴向距离L1:选取系数C1,由式(1)计算得到波纹轴向距离L1,C1的范围为0~1.0;
L1=C1·L (1)
式(1)中L为转子铁心长度;
S2、设计所述正弦型间断肋片的波纹幅值A:选取系数C2,由式(2)计算得到正弦型间断肋片的波纹幅值A,C2的范围为0~1.0;
式(2)中B为转子齿距;
S3、设计所述正弦型间断肋片的波纹周期T:选取正弦型间断肋片的波纹周期数n,由式(3)计算正弦型间断肋片的波纹周期T;
S4、设计正弦型间断肋片波纹表达式:取正弦型间断肋片的波纹初始相位角正弦型间断肋片波纹表达式为/>
S5、设计正弦型间断肋片的间隙长度l:选取系数C4,由式(5)计算正弦型间断肋片的间隙长度l,C4的范围为0~0.2;
S6、设计正弦型间断肋片的截面高度h:选取系数C5,由式(6)计算正弦型间断肋片的截面高度h,C5的范围为0.3~0.8;
h=C5·δ (6)
式(6)中δ为电机气隙;
S7、设计正弦型间断肋片的横截面:确定横截面形状,并设计截面宽度b;
选取系数C6,由式(7)计算正弦型间断肋片的截面宽度b,C6的范围为0.1~5.0;
b=C6·h (7)
S8、设计正弦型间断肋片的布置数量N:选取系数C7,由式(8)计算正弦型间断肋片的布置数量N,C7的范围为0.1~1.0;
N=C7·Z (8)
式(8)中Z为转子槽数;
S9、按照S1-S8得到的正弦型间断肋片,控制全贯流泵间隙回流流量和间隙回流进口温度,对布置正弦型间断肋片后的转子外表面传热与流动阻力特性进行仿真或试验,得到转子温度t1和间隙回流进出口压力降ΔP1;
S10、根据转子温度t1和间隙回流进出口压力降ΔP1判断S1-S8得到的正弦型间断肋片是否满足检验要求;
如果设计满足检验要求,则正弦型间断肋片设计步骤结束;
如果设计不能满足检验要求,步骤转至S1,选取不同的参数重新设计,直到满足检验要求为止;
S11、根据S1-S8方法,设计出正弦型间断肋片全参数,在转子表面加工出正弦型间断肋片;然后,选用超疏水材料喷涂转子外表面。
2.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,所述转子除正弦型间断肋片的剩余外表面喷涂有超疏水材料。
3.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,所述正弦型间断肋片的布置数量为若干个。
4.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,若干个正弦型间断肋片中心对称布置,且避开转子槽,布置在转子齿对应的外表面区域。
5.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,所述正弦型间断肋片的布置数量为偶数。
6.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,S3中,n为整数。
7.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,S3中,得到正弦型间断肋片的波纹周期T后,由式(4)计算计算系数C3;
当系数C3为1.0~4.0时,进行S4;
当系数C3不为1.0~4.0时,重新取选取正弦型间断肋片的波纹周期数n,并计算正弦型间断肋片的波纹周期T和系数C3,直至系数C3为1.0~4.0,进行S4。
8.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,S10中,设全贯流泵在设计工况下,转子温度为t,间隙回流进出口压力降为ΔP;
检验要求为:转子温度平均值C8<0.9,且间隙回流进出口压力降平均值C9>0.7。
9.根据权利要求1所述的兼具散热及自洁功能的全贯流泵转子,其特征在于:
其中,超疏水材料喷涂厚度为z,喷涂超疏水材料使得转子表面增厚系数为
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