抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布

摘要

本申请提供了抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布，其特征在于，包括以下步骤：一、确定沿叶片出口边的速度矩分布，中间位置线性插值、均匀过渡；二、确定各剖面沿子午流线的速度矩分布；各剖面采用不同特征的速度矩分布；其余剖面速度矩分布在此上述剖面基础上线性插值、均匀过渡；且各剖面速度矩分布的共性为进出口的一阶导数均为0；三、求解叶轮叶片骨线方程得到叶片实际形状，得到叶片骨线方程；至此得到设计完成的叶轮叶片。本申请优点在于，根据本申请提供的速度矩分布设计完成的叶轮叶片能有效控制水泵叶片吸力面二次流，避免流动分离，提升水动力性能的同时降低振动与噪声。

权利要求

1.抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布，其特征在于，

一、确定沿叶片出口边的速度矩分布，根据欧拉方程，各剖面速度矩Vur＝kgH/ω，式中g为重力加速度，H为设计无穷叶片数理论扬程，ω为叶轮旋转角速度，k为速度矩分布系数；

叶片出口边的速度矩分布系数k分布为：叶根处k取0.3,中间剖面k取1.0,0.7剖面处取最大值1.2，叶梢处k取1.0，中间位置线性插值、均匀过渡；

二、确定各剖面沿子午流线的速度矩分布；各剖面采用不同特征的速度矩分布：梢部剖面特征为从进口0到出口1，归一化速度矩关于归一化子午长度的分布特征为速度矩在前半段的增加速度比后半段的增加速度快；

中间剖面速度矩关于归一化子午长度的分布特征为速度矩从进口0到出口1均匀增加；

根部剖面速度矩关于归一化子午长度的分布特征为从进口0到出口1，后半段的增加速度比前半段的增加速度快；

其余剖面速度矩分布在此上述剖面基础上线性插值、均匀过渡；且各剖面速度矩分布的共性为进出口的一阶导数均为0。

说明书

抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布

技术领域

[0001] 本申请涉及抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布，属于水泵叶轮叶片技术领域。

背景技术

[0002] 叶轮叶片吸力面二次流是水泵内普遍存在的流动现象，特征为二次流流动垂直于主流运动，产生原因为水泵过流通道各处压强与速度不均匀，压强的差别使得流体质点受到压力，此力指向压强梯度方向。主流区中，流体速度较高，能克服压力；但叶片表面边界层内压力与主流相近，但速度低很多，惯性力不足以克服压力，这样边界层内的流体沿着压力梯度方向流动。两相邻叶片间的过流通道内，压力面压力高于吸力面，压力梯度驱使边界层内水流从压力面经轮毂流到相邻叶片的吸力面，使吸力面边界层增厚，容易分离，形成典型的射流尾迹结构，不但产生水力损失，还使主流场恶化降低效率并产生振动噪声，目前尚无有效的解决方法。

发明内容

[0003] 本申请要解决的技术问题是如何降低叶轮叶片吸力面二次流的不利影响。

[0004] 为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布，其特征在于，一、确定沿叶片出口边的速度矩分布，根据欧拉方程，各剖面速度矩Vur＝kgH/ω，式中g为重力加速度，H为设计无穷叶片数理论扬程，ω为叶轮旋转角速度，k为速度矩分布系数；叶片出口边的速度矩分布系数k分布为：叶根处k取0.3,中间剖面k取1.0,0.7剖面处取最大值1.2，叶梢处k取1.0，中间位置线性插值、均匀过渡；二、确定各剖面沿子午流线的速度矩分布；各剖面采用不同特征的速度矩分布：

[0005] 二、梢部剖面特征为从进口0到出口1，归一化速度矩关于归一化子午长度的分布特征为速度矩在前半段的增加速度比后半段的增加速度快；

[0006] 中间剖面速度矩关于归一化子午长度的分布特征为速度矩从进口0到出口1均匀增加；

[0007] 根部剖面速度矩关于归一化子午长度的分布特征为从进口0到出口1，后半段的增加速度比前半段的增加速度快；

[0008] 其余剖面速度矩分布在此上述剖面基础上线性插值、均匀过渡；且各剖面速度矩分布的共性为进出口的一阶导数均为0；

[0009] 三、根据上述速度矩分布可求解叶轮叶片骨线方程得到叶片实际形状，根据速度矩分布，由下式求解轴面速度Vm

[0010]

[0011] 式(1)中，n：与子午流线m垂直的正交线；

[0012] (gHR)in：叶轮进口总能；

[0013] Wu－相对速度周向分量；

[0014] r－计算点半径；

[0015] Rc－子午流线曲率半径；

[0016] γ－叶片排挤角；

[0017] β－叶片安放角；

[0018] 根据轴面速度和速度矩，求各剖面正交曲线坐标系(m,n,θ)下的叶轮叶片骨线方程得到叶片，骨线方程如下：

[0019]

[0020] 至此得到根据本申请提供的速度矩分布设计完成的叶轮叶片。

[0021] 本申请优点在于，根据本申请提供的速度矩分布设计完成的叶轮叶片能有效控制水泵叶片吸力面二次流，避免流动分离，提升水动力性能的同时降低振动与噪声。

附图说明

[0022] 图1为叶轮叶片设计子午面布置示意图；

[0023] 图2为速度矩分布系数k叶片出口边的分布示意图；

[0024] 图3为实施例中设计得到的叶轮叶片示意图；

[0025] 图4为对应于图3所示叶片的二次流仿真结果示意图。

具体实施方式

[0026] 为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

[0027] 实施例

[0028] 本实施例提供的是抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布，根据叶片泵的欧拉方程，泵扬程与进出口速度矩之差决定，速度矩积分为扬程，微分为载荷，速度矩为控制泵流场的关键因素；

[0029] 基于上述原理，本申请提供了用于抑制二次流的速度矩分布形式，通过该分布形式，改变了泵内流场压力与速度分布，从根源上破坏二次流动产生的条件，从而显著弱化了二次流动，提升了水泵效率与低振动噪声性能。

[0030] 一、确定速度矩分布：

[0031] 图1所示为叶轮叶片子午面布置示意图，叶轮叶片设计时，首先根据图1确定沿叶片出口边的速度矩分布，根据欧拉方程，各剖面速度矩Vur＝kgH/ω，式中g为重力加速度，H为设计无穷叶片数理论扬程，ω为叶轮旋转角速度，k为速度矩分布系数；本申请提供的能够抑制二次流的速度矩分布系数k叶片出口边的分布如图2所示，叶根处k取0.3,中间剖面k取1.0,0.7剖面处取最大值1.2，叶梢处k取1.0，中间位置线性插值、均匀过渡；

[0032] 叶片出口处的速度矩分布确定后，再给定各剖面沿子午流线的速度矩分布；各剖面采用不同特征的速度矩分布：

[0033] 梢部剖面1特征为从进口0到出口1，归一化速度矩关于归一化子午长度的分布特征为速度矩在前半段的增加速度比后半段的增加速度快；

[0034] 中间剖面2速度矩关于归一化子午长度的分布特征为速度矩从进口0到出口1均匀增加；

[0035] 根部剖面3速度矩关于归一化子午长度的分布特征为从进口0到出口1，后半段的增加速度比前半段的增加速度快；

[0036] 梢部剖面1、中间剖面2、根部剖面3的归一化速度矩分布如图3所示；

[0037] 其余剖面速度矩分布在此基础上线性插值、均匀过渡；

[0038] 且各剖面速度矩分布的共性为进出口的一阶导数均为0。

[0039] 二、根据速度矩的分布得到叶片实际形状：

[0040] 速度矩分布确定后，即可通过求解叶轮叶片骨线方程得到叶片实际形状，根据速度矩分布，由下式求解轴面速度Vm

[0041]

[0042] 上式中，n：与子午流线m垂直的正交线；

[0043] (gHR)in：叶轮进口总能；

[0044] Wu－相对速度周向分量；

[0045] r－计算点半径；

[0046] Rc－子午流线曲率半径；

[0047] γ－叶片排挤角；

[0048] β－叶片安放角；

[0049] 根据轴面速度和速度矩，求各剖面正交曲线坐标系(m,n,θ)下的叶轮叶片骨线方程得到叶片，骨线方程如下：

[0050]

[0051] 至此得到设计完成的叶轮叶片,如图3所示。

[0052] 二次流仿真结果如图4所示，叶片吸力面贴体流线，二次流得到有效抑制，水力模型试验结果表明，泵效率高达88.4％。