[发明专利]一种基于斜V对称翼型的双向轴流泵叶轮的设计方法

摘要

一种基于斜V对称翼型的双向轴流泵叶轮及其设计方法，属于水利工程技术领域，叶轮由叶片和轮毂构成，叶轮的轮缘直径为300mm，轮毂比为0.4667，叶片数量为4片，叶片均布在所述轮毂的圆周方向，叶片翼型是斜V对称翼型，其单边翼型中线呈斜V形状，轮毂侧翼型最大厚度为12mm，轮缘侧翼型最大厚度为6mm，中间翼型断面最大厚度按线性变化；叶轮的设计方法，包括步骤A：双向轴流泵翼型设计；步骤B：双向轴流泵叶轮设计。本发明采用的斜V对称翼型设计的双向轴流泵的汽蚀性能最优点接近于零扬程工况点，常规的单向泵汽蚀性能最优点接近于高效点。在高效点，采用斜V翼型的双向泵汽蚀性能达到了单向泵水平。

主权项

1.一种基于斜V对称翼型的双向轴流泵叶轮的设计方法，其特征在于，包括如下设计步骤：步骤A：双向轴流泵翼型设计；步骤B：双向轴流泵叶轮设计；步骤A所述的双向轴流泵翼型设计包括如下步骤：(1)翼型骨线设计：在翼型骨线上取10个点，每个点x/L间隔值取10％，以圆弧翼型为基准，得到Y/F对应的十个数据值；其中，x/L是指翼型骨线上的点的长度与弦长的比值；Y/F是指翼型骨线上点的高度与最大拱度的比值；(2)拱度比确定：拱度比F/L确定，F/L取4％；其中，F为翼型的最大拱度值，L为翼型的弦长；(3)翼型加厚：翼型最大厚度取H1＝3.26F，其余各点厚度按线性插值分布，翼型最大厚度位置取单边翼型50％的位置处；(4)翼型设计：(4‑1)以Y/F的10个数据值为设计变量；(4‑2)翼型的升阻比为目标；(4‑3)通过isight调用cfx软件进行翼型优化；(5)斜V翼型中线坐标值如表1所示：表1 斜V翼型中线坐标值x/L(％)051020304050Y/F00.4220.6640.9740.8430.5070x/L(％)1009590807060 Y/F0‑0.422‑0.664‑0.974‑0.843‑0.507                                                                         ；步骤B所述的双向轴流泵叶轮设计包括如下步骤：(1)确定翼型断面：在轴流泵叶片设计时，将轴流泵叶片分成若干个翼型断面，在各二维翼型断面设计成功之后，将各翼型断面组合成三维叶片，翼型断面数越多，轴流泵叶片设计相对更为准确，翼型断面选取7个断面；从轮毂到轮缘7个翼型断面半径值见表2：表2 各翼型断面半径翼型断面1234567半径(mm)708096.25112.5128.75145150                                                                        ；(2)确定轴向速度分布和环量分布，轴面速度Vm按下式计算：式中Q为流量、D为叶轮外径、dh为轮毂直径；叶轮环量Γ根据泵基本方程式求得式中g为重力加速度、ω为角速度、H_t为理论扬程、H_t＝H/η_h(H为净扬程、η_h为水力效率)、采用简化三维流动模型，根据简单径向平衡方程式(9)，采用无因次变量型式表示轴面速度和环量分布；Vz为轴向流速、Vu为圆周分速；根据式(9)可知，轴流流速分布取决于环量分布，适当减小轴流泵外缘翼型的环量分布可以提高叶片的抗汽蚀性能，并且减小外缘翼型环量值对效率影响较小，因次，外缘翼型的无因次环量取0.95左右，降低轮毂处的无因次环量可以有效减小叶片的根部的扭曲，轮毂侧的无因次环量取0.8左右，这样轮毂侧翼型最大安放角不超过45°；(3)叶栅稠密度和翼型安放角确定：从能量转换和汽蚀性能方面考虑，不论叶片数多少，叶片都应该有一定的长度，用来形成较为理想的流道，所以叶栅稠密度l/t的选择应该考虑叶片数的多少，叶片数为4片时，轮缘处的叶栅稠密度取0.75～0.85，轮毂侧的叶栅稠密度增加，以减小内外翼型的长度差，均衡叶片出口扬程，轮毂侧的叶栅稠密度与轮缘处叶栅稠密度之比在1.1～1.5；根据速度三角形确定双向泵的翼型进口叶片角和出口叶片角，在根据进口角和出口角确定翼型安放角；各翼型断面主要设计参数如表3所示：表3 双向泵叶轮其他主要设计参数翼型断面无因次轴面速度无因次环量叶栅稠密度l/t翼型安放角β10.9180.8591.09242.3520.9610.9361.03337.8531.0091.0110.96331.9541.0301.0440.91427.2451.0191.0280.87623.3060.9730.9650.84819.8870.9510.9360.84018.90                                                                        ；(4)选择翼型。