一種空間導(dǎo)葉離心泵水力設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于離屯、累水力設(shè)計方法領(lǐng)域，具體設(shè)及一種空間導(dǎo)葉離屯、累水力設(shè)計方 法，主要用于快速有效的對離屯、累空間導(dǎo)葉進(jìn)行水力設(shè)計，加快產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成 本；同時通過優(yōu)化空間導(dǎo)葉過流面積和葉片安放角，降低空間導(dǎo)葉內(nèi)的水力損失，進(jìn)一步提 升水力模型的效率，達(dá)到節(jié)能要求。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間導(dǎo)葉，位于葉輪之后，和葉輪一起構(gòu)成離屯、累的過流部件?？臻g導(dǎo)葉在深井離 屯、累和導(dǎo)葉式混流累中應(yīng)用非常廣泛。空間導(dǎo)葉的主要作用是將葉輪出口的液體收集起 來，并輸送到出口或下一級葉輪吸入口；降低液流速度，將速度能轉(zhuǎn)換為壓能；盡可能地消 除液流的速度環(huán)量。因此，空間導(dǎo)葉是一個重要的速度能轉(zhuǎn)換裝置，其設(shè)計的好壞對累性能 有著重大影響，有資料表明導(dǎo)葉內(nèi)的水力損失約占累內(nèi)水力損失的40%~50%?，F(xiàn)有針對 空間導(dǎo)葉的水力設(shè)計方法較為傳統(tǒng)，主要根據(jù)經(jīng)驗對空間導(dǎo)葉進(jìn)行繪型，無法快速有效的 對葉片的軸面形狀W及葉片型線的安放角進(jìn)行控制。目前，針對空間導(dǎo)葉水力設(shè)計方法的 研究主要集中在：1)嚴(yán)敬在其論文《空間導(dǎo)葉設(shè)計新方法》中提出的基于空間勢流理論的 空間導(dǎo)葉二元設(shè)計理論和王±貝等在其論文《空間導(dǎo)葉的計算機(jī)輔助設(shè)計》中基于一元流 動理論對空間導(dǎo)葉進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計；上述方法有效地得到空間導(dǎo)葉的基本幾何參數(shù)， 但是設(shè)計人員很難對葉片軸面形狀和葉片安放角進(jìn)行快速調(diào)整；2)關(guān)于空間導(dǎo)葉設(shè)計公 開的專利主要包括"一種具有副葉片的空間導(dǎo)葉"（專利號：CN201310561778. 5)、"一種具 有吸力面副葉片的空間導(dǎo)葉體"（專利號：CN201310002529. 2)和"一種軸向空間導(dǎo)葉"（專 利號：CN201320091134.訝等，W上專利大都給出了空間導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，但是沒有給出 關(guān)于空間導(dǎo)葉的設(shè)計方法。
[0003] 針對上述存在的問題，本專利采用貝塞爾曲線算法對空間導(dǎo)葉葉片軸面形狀W及 葉片型線安放角分布線進(jìn)行控制，設(shè)計人員通過調(diào)整控制點對葉片軸面形狀W及葉片型線 進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)對流道過流面積的控制，W達(dá)到穩(wěn)定葉輪內(nèi)的流體流動狀態(tài)和提升效 率的目的。因此，該方法具有重要的學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用價值。
[0004] 經(jīng)檢索，至今尚未見關(guān)于該方法的文獻(xiàn)和申報專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，已有空間導(dǎo)葉設(shè)計方法存在W下幾類缺點：1)過 分依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗W及相關(guān)經(jīng)驗系數(shù)的選取，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期過長，成本較高；2) 無法快速有效的對葉片軸面形狀及葉片型線安放角進(jìn)行控制，導(dǎo)致空間導(dǎo)葉流道內(nèi)水力損 失較大，效率較低。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種空間導(dǎo)葉離屯、累水力設(shè)計方法，其中葉輪水力結(jié)構(gòu)包括前蓋板、葉片和后蓋 板，包括如下步驟：1)根據(jù)給定的葉輪幾何參數(shù)W及流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速值，基于二元流動理 論求解空間導(dǎo)葉軸面水力設(shè)計參數(shù)，所述的空間導(dǎo)葉水力設(shè)計參數(shù)包括：導(dǎo)葉上蓋板軸面 流線進(jìn)口直徑化W導(dǎo)葉中間軸面流線進(jìn)口直徑〇3m，導(dǎo)葉下蓋板軸面流線進(jìn)口直徑Dsh，導(dǎo) 葉上蓋板軸面流線出口直徑〇4.，導(dǎo)葉中間軸面流線出口直徑〇4m，導(dǎo)葉下蓋板軸面流線出 口直徑Da,稍大于葉輪出口邊前蓋板的位置Zi,稍大于葉輪出口邊后蓋板的位置Z2,前蓋 板導(dǎo)葉軸向長度Li,后蓋板導(dǎo)葉軸向長度L2,導(dǎo)葉進(jìn)口安放角a3,導(dǎo)葉出口安放角a4,葉 片包角4的計算方法，導(dǎo)葉軸面形狀和葉片型線貝塞爾曲線控制算法；基于該方法對空間 導(dǎo)葉進(jìn)行水力優(yōu)化設(shè)計；2)采用=次貝塞爾曲線方程對空間導(dǎo)葉的上蓋板軸面流線和下 蓋板軸面流線加W控制，并基于導(dǎo)葉軸面過流面積變化規(guī)律對軸面流線進(jìn)行調(diào)整；3)采用 四次貝塞爾曲線方程對空間導(dǎo)葉的葉片型線安放角分布規(guī)律進(jìn)行控制；4)根據(jù)上述步驟 1)-3)中所得到的數(shù)據(jù)作為離屯、累空間導(dǎo)葉的尺寸參數(shù)，制作符合設(shè)計要求的離屯、累空間 導(dǎo)葉。
[0008]所述的步驟1)基于二元流動理論求解空間導(dǎo)葉軸面水力設(shè)計參數(shù)；對于給定的 葉輪幾何參數(shù)包括：給定葉輪出口直徑〇2;給定葉輪出口寬度b2,給定葉輪進(jìn)口直徑化;給 定葉輪輪穀直徑Dh;給定的葉輪的角速度CO;W及流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速值，空間導(dǎo)葉軸面水力 設(shè)計參數(shù)的計算方法如下：
[000引 1. 1導(dǎo)葉進(jìn)口直徑化5、03m、03h
[0010] D祉=D 2+0. 002 (1)
[0011] 〇3s=D3h+b2 似
(S)
[001引式中：03h為導(dǎo)葉下蓋板軸面流線進(jìn)口直徑，m;D3m為導(dǎo)葉中間軸面流線進(jìn)口直徑，m化,為導(dǎo)葉上蓋板軸面流線進(jìn)口直徑，m;D2為給定葉輪出口直徑，m;b2為給定葉輪出口寬 度，m;
[0014] 1. 2導(dǎo)葉出 口直徑D4s、〇4m、D地
[001引 04s=Di (4)
[001引 D化二Dh 巧）
(6；
[001引式中：04h為導(dǎo)葉下蓋板軸面流線出口直徑，m;D4m為導(dǎo)葉中間軸面流線出口直徑，m恥為導(dǎo)葉上蓋板軸面流線出口直徑，m;D1為給定葉輪進(jìn)口直徑，m;Dh為給定葉輪輪穀直 徑，m;
[001引 1. 3導(dǎo)葉進(jìn)口邊軸向位置Zi、ZzW及導(dǎo)葉軸向長度L1、Lz
[0020]對于導(dǎo)葉進(jìn)口邊軸向位置Zi和Z2通過給定的葉輪幾何形狀進(jìn)行求解，通常Z1稍 大于葉輪出口邊前蓋板的位置，Z2稍大于葉輪出口邊后蓋板的位置；對于導(dǎo)葉軸向長度L1 和Lz通過公式（7)和做求得；
[0021] Li=O-SDz(7)
[0022] Lz=O. 7D2 (8)
[0023] 式中：Li為導(dǎo)葉上蓋板軸向長度，m山2為導(dǎo)葉下蓋板軸向長度，
[0024]m;〇2為給定葉輪出口直徑，m;
[002引 I. 4導(dǎo)葉進(jìn)出口安放角a3、曰4
[0026] 基于二元流動理論，不計排擠的導(dǎo)葉進(jìn)口安放角計算公式如下：
(9) (10； (11)
[0030]式中：a3為導(dǎo)葉進(jìn)口安放角，°;v0為導(dǎo)葉進(jìn)口計算點軸面速度，m/s;v為導(dǎo)葉 進(jìn)口計算點圓周分速度，m/s;Q為給定的流量，mVh化為理論揚(yáng)程，m; 0為導(dǎo)葉進(jìn)口邊位 置角度，D; ?為給定的葉輪的角速度，rad/s 為導(dǎo)葉上蓋板軸面流線進(jìn)口直徑，m;D3h 為導(dǎo)葉下蓋板軸面流線進(jìn)口直徑，m;g為重力加速度，N/kg;
[0031]導(dǎo)葉出口安放角〇4,考慮到有限葉片數(shù)影響應(yīng)大于90°，W保證液流法向出口； 取日4= 90。；
[0032] 1. 5葉片包角d)
[0033] 對于空間導(dǎo)葉，葉片包角過大會增加葉片的摩擦面積，增加水力損失；而葉片包角 過小時又降低葉片對流體的控制能力和流動的穩(wěn)定性；因此為了獲得更好的水力性能，對 于空間導(dǎo)葉的葉片包角建議取75°~95°;
[0034] 所述的步驟2)基于=次貝塞爾曲線控制算法對導(dǎo)葉軸面形狀進(jìn)行控制具體為： 對于空間導(dǎo)葉，其軸面由葉片上蓋板軸面流線、葉片中間軸面流線、葉片下蓋板軸面流線、 葉片出口邊軸面投影線和葉片進(jìn)口邊軸面投影線組成；對于葉片上蓋板軸面流線和葉片下 蓋板軸面流線采用S次貝塞爾曲線進(jìn)行控制，S次貝塞爾曲線的函數(shù)見公式；其中葉片上 蓋板軸面流線的貝塞爾曲線由給定點Pk、P2S、Pss和PJraW控制，其中給定點PIs和P4S是 根據(jù)空間導(dǎo)葉幾何參數(shù)化.、〇4.、Zi和L1進(jìn)行確定，而P2.和P3S則根據(jù)上蓋板軸面流線的 過流面積分布規(guī)律進(jìn)行調(diào)整；葉片下蓋板軸面流線的貝塞爾曲線由給定點Plh、P2h、P3h和P4h 加W控制，其中給定點Plh和P4h是根據(jù)空間導(dǎo)葉幾何參數(shù)D3h、D4h、Z2和L2進(jìn)行確定，而P2h 和Psh則根據(jù)下蓋板軸面流線的過流面積分布規(guī)律