兼顾汽蚀性能的轴流泵宽高效区运行范围设计方法

本发明属于水利工程领域，特别涉及一种兼顾汽蚀性能的轴流泵宽高效区运行范围设计方法。

背景技术：

1、现有技术中，轴流泵叶轮的设计方法一般有升力法、奇点分步法和积分方程法等，基于圆柱层无关性假设，同时假设泵内水流恒定，叶轮具有无限多，无限薄叶片，结果是轴流泵在设计工况下拥有较高的效率，但是其问题在于：往往轴流泵的汽蚀性能不好，同时轴流泵的高效区范围较窄；另外轴流泵叶片在空间中也存在一定的三维扭曲加深了叶片设计的困难，设计中对轴流泵叶片剖分多个翼型断面，每个断面都有相应的翼型参数选择问题。

2、轴流泵叶轮作为泵站中最核心的部件，其设计的好坏直接影响泵站运行的效率和节约经济成本的多少；所以叶轮叶片的参数选择和设计至关重要。

3、目前要解决的技术问题：

4、(1)轴流泵叶轮叶栅稠密度选择不当，容易使得叶片根部翼型和外缘翼型获得程度不同的能量转换，引起叶片出口扬程不均，造成轴流泵的径向流动引起效率下降。以往设计中考虑轮毂和轮缘间各截面的叶栅稠密度按线性变化，结果却是轴流泵内部耗散和水力损失依旧很大，汽蚀性能不好、轴流泵的效率较低下，高效区运行范围也窄；

5、(2)叶轮内的水力损失与无穷远来流的相对速度成比例关系，轴流泵叶片外缘处相对速度最大，容易发生间隙空化，因此轴流泵叶片外缘处的叶栅稠密度选择至关重要，它不仅影响着轴流泵的汽蚀性能而且如果选择不当将导致轴流泵的效率的下降；

6、(3)轴流泵叶轮叶栅稠密度倍数一般依据规范给定参考，但每种轴流泵的性能和设计上各不相同。在外缘叶栅确定情况下，如果叶栅稠密度倍数选择不合适，也将容易引起轴流泵叶片叶根部分的液体补充不足，出现空位，从而间接导致叶轮出口外缘侧水流向叶根侧回流即“二次回流”。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种兼顾汽蚀性能的轴流泵宽高效区运行范围设计方法，选择合理的轴流泵叶尖叶栅稠密度以及叶栅稠密度倍数来兼顾轴流泵的效率、汽蚀性能的同时，扩宽轴流泵高效区运行范围。

2、本发明的目的是这样实现的：一种兼顾汽蚀性能的轴流泵宽高效区运行范围设计方法，包括以下步骤：

3、s1:确定轴流泵叶轮叶片叶栅栅距t

4、轴流泵采用叶轮直径d＝300mm的模型泵，轮毂比dh＝0.433,叶顶间隙为0.15mm；采用11个不同半径的圆柱截面对所述轴流泵叶轮的叶片进行截取，叶轮的叶片与圆柱截面的交线为该叶轮叶片的翼型；11个不同半径的各圆柱截面依次对轴流泵叶轮从轮毂到轮缘依次进行截取叶片；

5、其中对于每个翼型剖分断面半径r与轴流泵叶轮半径d的比值r(i)通过下面公式(1)确定:

6、

7、其中i＝1、2、3···11,1代表叶轮叶片叶尖处，11代表叶轮叶片轮毂处；r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11依次为150、140.56、131.11、121.67、112.22、102.78、93.33、83.88、74.44、65、55mm；

8、根据下面公式(2)确定栅距t

9、

10、其中z为轴流泵的叶片数，轴流泵叶片数选择z＝4；

11、s2:确定轴流泵叶轮叶片叶栅稠密度σ(i)

12、轴流泵叶轮轮毂到轮缘的叶栅稠密度σ(i)通过等强度理论确定，计算公式如下：

13、

14、λ1＝σ1-λ2   (4)

15、

16、其中i＝1、2、3···11，1代表叶轮叶片叶尖处，11代表叶轮叶片轮毂处；zm为叶栅稠密度倍数，σ1为轴流泵叶轮叶片叶尖叶栅稠密度,σ11为轴流泵叶轮叶片轮毂处叶栅稠密度，σ(i)为第i个翼型剖分断面处叶轮叶片的叶栅稠密度；

17、s3:确定轴流泵叶片翼型

18、选择naca4406翼型；

19、s4:确定轴流泵叶片翼型安放角β

20、确定轴流泵叶轮从轮毂到轮缘的11个翼型断面的翼型安放角依次为15.81°、18.18°、20.56°、23.02°、25.63°、28.47°、31.64°、35.28°、39.62°、44.97°、51.30°；

21、s5:确定轴流泵各翼型断面的最大拱度比和厚度比

22、轴流泵叶轮从轮毂到轮缘的各翼型断面的最大拱度比gmax/l依次为2.7％、2.83％、3.02％、3.28％、3.62％、4.04％、4.55％、5.15％、5.82％、6.5％、7.3％；轴流泵叶轮从轮毂到轮缘的最大厚度比hmax/l依次为3.64％、4.38％、5.21％、6.12％、7.14％、8.29％、9.58％、11.06％、12.77％、14.75％、17.24％；

23、s6:轴流泵叶片的生成

24、利用fortran编程，针对叶片的各个翼型断面的叶栅稠密度σ(i)、叶片翼型安放角β、翼型最大拱度比gmax/l以及翼型最大厚度比hmax/l进行轴流泵叶片的自动生成；

25、s7:确定叶尖叶栅稠密度下宽运行范围轴流泵叶轮

26、s8:确定叶尖叶栅稠密度倍数下宽运行范围轴流泵叶轮

27、s9:确定宽运行范围轴流泵叶轮

28、轴流泵高效区运行范围根据下面公式确定：

29、δ＝qη-q’η’   (8)

30、其中：qη为轴流泵最高效率点下降5％所对应的大流量点流量，q′η为轴流泵最高效率点下降5％所对应的小流量点流量。

31、作为本发明的进一步改进，所述步骤s7中还包括如下分步骤：

32、(1)轴流泵叶尖叶栅稠密度σ1确定

33、轴流泵叶栅稠密度倍数zm＝1.433先保持不变，叶尖叶栅稠密度σ1依次赋值为0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95和1，获得叶尖叶栅稠密度σ1的七个确定方案；

34、(2)确定轴流泵的必需汽蚀余量

35、经cfd计算后，轴流泵必需汽蚀余量采用下面公式(6)确定：

36、

37、其中p0为轴流泵进口总压，p0＝1.0atm；pmin为轴流泵叶片背面的最小压强，最小压强取叶片背面靠近进口20％弦长范围内的最小压强；ρ是水的密度，ρ＝1.0×10^3kg/m3；g是重力加速度，g＝9.8m/s2；

38、在设计工况下，轴流泵必需汽蚀余量与叶片叶尖叶栅稠密度σ1由下面公式(7)计算：

39、

40、其中σ1∈[0.7,1.0]；

41、(3)确定叶尖叶栅稠密度下轴流泵的外特性。

42、作为本发明的进一步改进，所述步骤s8中包括如下分步骤：

43、(1)轴流泵叶栅稠密度倍数zm确定；

44、(2)确定轴流泵的必需汽蚀余量

45、轴流泵的必需汽蚀余量采用公式(6)确定；

46、(3)确定不同叶尖叶栅稠密度倍数下轴流泵的外特性。

47、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：轴流泵叶轮通过升力作用将进水池中的水流抽吸上来最终引入到出水池，作为整个泵站的核心部件，其重要性不言而喻。轴流泵叶片非不锈钢情况下，轴流泵的汽蚀不可避免，在轴流泵叶轮淹没深度不足以及非设计工况下等情况下，轴流泵的汽蚀更加恶劣。汽蚀的发生将削弱叶片的厚度严重，将叶片穿孔使得叶片报废。另外汽蚀也会使得轴流泵产生振动，发生噪声，缩短轴流泵的寿命。同时也将使得轴流泵的维修成本以及轴流泵站的运行的经济成本更高。本发明通过考虑轴流泵叶片的主要设计参数叶栅稠密度，在cfd计算结果的基础上，给出叶栅稠密度与轴流泵必需汽蚀余量之间的定量关系式。在兼顾轴流泵汽蚀性能较优情况下，将轴流泵的叶栅稠密度与轴流泵的效率和高效区运行范围挂钩。得到了轴流泵宽运行范围下的叶轮。本发明提高了轴流泵的汽蚀性能以及轴流泵站整体的运行效率和宽运行范围，减小了轴流泵的设计成本与降低了轴流泵机组的能耗。