本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸流泵葉輪及其設(shè)計方法，具體的說是涉及一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

南水北調(diào)東線泵站工程由于揚(yáng)程較低，大部分使用的是軸流泵。這些泵站工程中有很多泵站在抽水的同時需要兼顧排澇要求，實(shí)現(xiàn)泵站的反向抽水功能。采用傳統(tǒng)的單向泵進(jìn)行反向抽水，葉輪處于反拱狀態(tài)，反向運(yùn)行能量性能和汽蝕性能大幅降低，葉輪和導(dǎo)葉葉片嚴(yán)重的脫流現(xiàn)象引起劇烈的汽蝕、振動和噪聲，威脅著泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為滿足泵站反向運(yùn)行與正向相同的運(yùn)行要求，需要采用雙向軸流泵葉輪。雙向軸流泵葉輪設(shè)計不同于單向泵。已有大量參考文獻(xiàn)表明，軸流泵翼型的改變對水泵性能的影響是全局性的，特別是對于雙向泵翼型。雙向泵在設(shè)計階段是雙向翼型的選擇是重中之重，其直接決定了雙向的能量性能和汽蝕性能。

目前國內(nèi)雙向泵翼型主要有平板翼型，雙向泵翼型設(shè)計主要有圓弧對稱翼型，其設(shè)計較為簡單。雙圓弧對稱翼型如圖1所示；翼型圓弧骨線設(shè)計如圖2所示。在雙向泵設(shè)計時通過改變翼型厚度將平板翼型調(diào)成流線型，但是該翼型繞流不好，葉片背面脫流嚴(yán)重，反向運(yùn)行能量性能尚可，但是汽蝕性能明顯較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有雙向軸流泵翼型繞流不好、葉片脫流嚴(yán)重、汽蝕性能差等不足，提出一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪及其設(shè)計方法，能兼顧反向性能要求，適用于低揚(yáng)程泵站運(yùn)行，能量性能和汽蝕性能可得到進(jìn)一步的提升。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪，其特征在于：所述葉輪由葉片和輪轂構(gòu)成，所述葉輪的輪緣直徑為300mm，輪轂比為0.4667，所述葉片數(shù)量為4片，所述葉片均布在所述輪轂的圓周方向，所述葉片翼型是斜V對稱翼型，其單邊翼型中線呈斜V形狀，輪轂側(cè)翼型最大厚度為12mm，輪緣側(cè)翼型最大厚度為6mm，中間翼型斷面最大厚度按線性變化。

一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下設(shè)計步驟：

步驟A：雙向軸流泵翼型設(shè)計；

步驟B：雙向軸流泵葉輪設(shè)計。

一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪的設(shè)計方法，其特征在于，步驟A所述的雙向軸流泵翼型設(shè)計包括如下步驟：

(1)翼型骨線設(shè)計：翼型骨線如圖1所示，在翼型骨線上取10個點(diǎn)，每個點(diǎn)x/L間隔值取10％，以圓弧翼型為基準(zhǔn)，得到Y(jié)/F對應(yīng)的十個數(shù)據(jù)值；

(2)拱度比確定：拱度比F/L確定，F(xiàn)/L取4％；

(3)翼型加厚：翼型最大厚度取H＝3.26F，其余各點(diǎn)厚度按線性插值分布，翼型最大厚度位置取單邊翼型50％的位置處；

(4)翼型設(shè)計：

(4-1)以Y/F的10個數(shù)據(jù)值為設(shè)計變量；

(4-2)翼型的升阻比為目標(biāo)；

(4-3)通過isight調(diào)用cfx軟件進(jìn)行翼型優(yōu)化；

(5)斜V翼型中線坐標(biāo)值如表1所示：

表1斜V翼型中線坐標(biāo)值

一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪的設(shè)計方法，其特征在于，步驟B所述的雙向軸流泵葉輪設(shè)計包括如下步驟：

(1)確定翼型斷面：在軸流泵葉片設(shè)計時，將軸流泵葉片分成若干個翼型斷面，在各二維翼型斷面設(shè)計成功之后，將各翼型斷面組合成三維葉片，翼型斷面數(shù)越多，軸流泵葉片設(shè)計相對更為準(zhǔn)確，翼型斷面選取7個斷面；從輪轂到輪緣7個翼型斷面半徑值見表2：

表2各翼型斷面半徑

(2)確定軸向速度分布和環(huán)量分布，軸面速度Vm按下式計算：

$V_m=\frac{4Q}{\mathrm{\π}(D^2-{\mathrm{dh}}^2)}$

式中Q為流量、D為葉輪外徑、Dh為輪轂直徑；

葉輪環(huán)量Γ根據(jù)泵基本方程式求得

$\mathrm{\Γ}=\frac{2{\mathrm{\πgH}}_t}{\mathrm{\ω}}$

式中g(shù)為重力加速度、ω為角速度、H_t為理論揚(yáng)程、H_t＝H/η_h(η_h為水力效率)、采用簡化三維流動模型，根據(jù)簡單徑向平衡方程式，采用無因此變量型式表示軸面速度和環(huán)量分布；

$\mathrm{\η}\mathrm{\ω}\frac{d}{d_r}\left({\mathrm{rV}}_u\right)=\frac{V_u^2}{r}+V_z\frac{{\mathrm{dV}}_Z}{dr}+V_u\frac{{\mathrm{dV}}_u}{dr}$

Vz為軸向流速、Vu為圓周分速；

根據(jù)上式可知，軸流流速分布取決于環(huán)量分布，適當(dāng)減小軸流泵外緣翼型的環(huán)量分布可以提高葉片的抗汽蝕性能，并且減小外緣翼型環(huán)量值對效率影響較小，因此，外緣翼型的無因此環(huán)量可取0.95左右，降低輪轂處的無因此環(huán)量可以有效減小葉片的根部的扭曲，輪轂側(cè)的無因此環(huán)量可取0.8左右，這樣輪轂側(cè)翼型最大安放角一般不會超過45°；

(3)葉柵稠密度和翼型安放角確定：從能量轉(zhuǎn)換和汽蝕性能方面考慮，不論葉片數(shù)多少，葉片都應(yīng)該有一定的長度，用來形成較為理想的流道，所以葉柵稠密度l/t的選擇應(yīng)該考慮葉片數(shù)的多少，一般葉片數(shù)為4片時，輪緣處的葉柵稠密度可取0.75～0.85左右，輪轂側(cè)的葉柵稠密度可適當(dāng)增加，以減小內(nèi)外翼型的長度差，均衡葉片出口揚(yáng)程，一般輪轂側(cè)的葉柵稠密度與輪緣處葉柵稠密度之比在1.1～1.5都是合適的；根據(jù)速度三角形確定雙向泵的翼型進(jìn)口葉片角和出口葉片角，在根據(jù)進(jìn)口角和出口角確定翼型安放角；各翼型斷面主要設(shè)計參數(shù)如表3所示：

表3雙向泵葉輪其他主要設(shè)計參數(shù)

(4)選擇翼型。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供的一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪及其設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計原理清晰，本發(fā)明通過水利動力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺試驗(yàn)，泵段試驗(yàn)正向最高效率達(dá)到78％，高效點(diǎn)流量、揚(yáng)程參數(shù)接近設(shè)計值，說明了雙向泵設(shè)計方法是可靠的。反向運(yùn)行時，沒有后導(dǎo)葉，最高效率在71％左右，說明雙向泵中，導(dǎo)葉約可以回收6％的能量。本發(fā)明采用的斜V對稱翼型設(shè)計的雙向軸流泵的汽蝕性能最優(yōu)點(diǎn)接近于零揚(yáng)程工況點(diǎn)，常規(guī)的單向泵汽蝕性能最優(yōu)點(diǎn)接近于高效點(diǎn)。在高效點(diǎn)，采用斜V翼型的雙向泵汽蝕性能達(dá)到了單向泵水平。隨著跨流域調(diào)水工程的建設(shè)、國家大型和中小型泵站技術(shù)改造的實(shí)施，共計成千上萬座泵站需要進(jìn)行新建和更新改造，大部分泵站都需要在實(shí)現(xiàn)抽水的同時具備排澇的功能，對雙向泵性能要求越來越高，因此本專利的應(yīng)用和實(shí)施，將會取得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

附圖說明

圖1為雙圓弧對稱翼型示意圖。

圖2為圓弧翼型骨線形狀示意圖。

圖3為本發(fā)明中斜V翼型骨線數(shù)據(jù)示意圖。

圖4為本發(fā)明中雙向泵葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明中單個葉片示意圖。

圖6為本發(fā)明中R＝150mm的斜V翼型斷面示意圖。

圖7為本發(fā)明中R＝112.5mm的斜V翼型斷面示意圖。

圖8為本發(fā)明中R＝70mm的斜V翼型斷面示意圖。

圖中：葉片1、輪轂2。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1-8所示，一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪及其設(shè)計方法，圖1中L為翼型弦長；F為翼型最大拱度；R為圓弧型線半徑；圖2中θ為翼型骨線中心角，h為翼型最大拱度，等于圖1中的F；l為翼型骨線弦長，l＝L/2；β₁、β₂為翼型骨線進(jìn)出、口角；β為翼型安放角；H為翼型高度；t為柵距；γ為翼型骨線曲率角。

根據(jù)圓弧葉片可知各角度之間的關(guān)系：

β＝β₁+γ (1)

β＝β₂-γ (2)

γ＝θ/2 (3)

β＝(β₁+β₂)/2 (4)

β₂-β₁＝θ (5)

翼型骨線高度H：

H＝l sinβ＝L/2*sin[(β₁+β₂)/2] (6)

本專利通過比較分析設(shè)計出一種斜V對稱翼型，并基于此翼型設(shè)計了一幅新型的雙向軸流泵葉輪。

如圖1-8所示，一種基于斜V對稱翼型的雙向軸流泵葉輪及其設(shè)計方法，包括：A.雙向軸流泵翼型設(shè)計；B.雙向軸流泵葉輪設(shè)計；

A.翼型設(shè)計步驟：

(1)翼型骨線設(shè)計

翼型骨線如圖1所示，在翼型骨線上取10個點(diǎn)，每個點(diǎn)x/L間隔值取10％，以圓弧翼型為基準(zhǔn)，得到Y(jié)/F對應(yīng)的十個數(shù)據(jù)值。

(2)拱度比確定

拱度比F/L確定，F(xiàn)/L取4％左右性能較好，本專利取4％。

(3)翼型加厚

翼型最大厚度取H＝3.26F，其余各點(diǎn)厚度按線性插值分布。翼型最大厚度位置取單邊翼型50％的位置處。

(4)翼型設(shè)計

(4-1)以Y/F的10個數(shù)據(jù)值為設(shè)計變量；

(4-2)翼型的升阻比為目標(biāo)；

(4-3)通過isight調(diào)用cfx軟件進(jìn)行翼型優(yōu)化。

(5)斜V翼型中線坐標(biāo)值如表1所示，翼型中線坐標(biāo)作圖如圖3所示。

本發(fā)明專利設(shè)計翼型沿弦長方向翼型中線為斜V形狀，區(qū)別于現(xiàn)有的圓弧和平板雙向翼型。該斜V翼型最大厚度為H＝3.26F，斜V翼型的升阻力系數(shù)可以通過數(shù)值計算或者風(fēng)洞試驗(yàn)得出。經(jīng)試驗(yàn)研究表明，該發(fā)明翼型能量性能和汽蝕性能均較好。

B.雙向軸流泵葉輪設(shè)計

如果用半徑r和r+dr的兩個同心圓柱面去切軸流泵葉輪葉片，即可得到包含翼型在內(nèi)的圓環(huán)，如果將圓環(huán)展開在平面上，即可得到如圖2所示的一個無線直列葉柵。

(1)確定翼型斷面

在軸流泵葉片設(shè)計時，考慮將軸流泵葉片分成若干個翼型斷面。在各二維翼型斷面設(shè)計成功之后，將各翼型斷面組合成三維葉片。翼型斷面數(shù)越多，軸流泵葉片設(shè)計相對更為準(zhǔn)確。翼型斷面一般選取5～10個斷面；本設(shè)計專利選取7個翼型斷面。

(2)確定軸向速度分布和環(huán)量分布

軸面速度Vm可按下式計算：

$V_m=\frac{4Q}{\mathrm{\π}(D^2-{\mathrm{dh}}^2)}---\left(7\right)$

式中Q為流量；D為葉輪外徑；Dh為輪轂直徑

葉輪環(huán)量?？筛鶕?jù)泵基本方程式求得

$\mathrm{\Γ}=\frac{2{\mathrm{\πgH}}_t}{\mathrm{\ω}}---\left(8\right)$

式中g(shù)為重力加速度；ω為角速度；H_t為理論揚(yáng)程；

其中：H_t＝H/η_h(η_h為水力效率)；

本發(fā)明專利采用簡化三維流動模型，根據(jù)簡單徑向平衡方程式(9)，采用無因此變量型式表示軸面速度和環(huán)量分布。

$\mathrm{\η}\mathrm{\ω}\frac{d}{d_r}\left({\mathrm{rV}}_u\right)=\frac{V_u^2}{r}+V_z\frac{{\mathrm{dV}}_Z}{dr}+V_u\frac{{\mathrm{dV}}_u}{dr}---\left(9\right)$

Vz為軸向流速，Vu為圓周分速。

根據(jù)式(9)可知，軸流流速分布取決于環(huán)量分布。適當(dāng)減小軸流泵外緣翼型的環(huán)量分布可以提高葉片的抗汽蝕性能，并且減小外緣翼型環(huán)量值對效率影響較小，因此，外緣翼型的無因此環(huán)量可取0.95左右。降低輪轂處的無因此環(huán)量可以有效減小葉片的根部的扭曲，輪轂側(cè)的無因此環(huán)量可取0.8左右。這樣輪轂側(cè)翼型最大安放角一般不會超過45°。

(3)葉柵稠密度和翼型安放角確定

從能量轉(zhuǎn)換和汽蝕性能方面考慮，不論葉片數(shù)多少，葉片都應(yīng)該有一定的長度，用來形成較為理想的流道，所以葉柵稠密度l/t的選擇應(yīng)該考慮葉片數(shù)的多少。一般葉片數(shù)為4片時，輪緣處的葉柵稠密度可取0.75～0.85左右。輪轂側(cè)的葉柵稠密度可適當(dāng)增加，以減小內(nèi)外翼型的長度差，均衡葉片出口揚(yáng)程。一般輪轂側(cè)的葉柵稠密度與輪緣處葉柵稠密度之比在1.1～1.5都是合適的。

根據(jù)速度三角形確定雙向泵的翼型進(jìn)口葉片角和出口葉片角，在根據(jù)進(jìn)口角和出口角確定翼型安放角。

(4)選擇翼型

選擇翼型的原則：

(4-1)要求設(shè)計出來的葉輪效率高

(4-2)要求設(shè)計出來的葉輪抗空化性能良好。

本發(fā)明雙向泵模型在水利動力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，泵段試驗(yàn)正向最高效率達(dá)到78％，高效點(diǎn)流量、揚(yáng)程參數(shù)接近設(shè)計值，說明了雙向泵設(shè)計方法是可靠的。反向運(yùn)行時，沒有后導(dǎo)葉，最高效率在71％左右，說明雙向泵中，導(dǎo)葉約可以回收6％的能量。本發(fā)明采用的斜“V”對稱翼型設(shè)計的雙向軸流泵的汽蝕性能最優(yōu)點(diǎn)接近于零揚(yáng)程工況點(diǎn)，常規(guī)的單向泵汽蝕性能最優(yōu)點(diǎn)接近于高效點(diǎn)。在高效點(diǎn)，采用斜“V”翼型的雙向泵汽蝕性能達(dá)到了單向泵水平。