[发明专利]一种基于儒可夫斯基翼型新型轴流泵叶轮自动化设计方法

摘要

一种基于儒可夫斯基翼型新型轴流泵叶轮自动化设计方法，属于水利工程设备技术领域，通过叶栅稠密度、轴面速度及旋转分速度、叶弦安放角、翼型拱度及厚度参数的确定，以及通过坐标变换和图形显示形成系统的设计方法，方法科学，设计原理清晰，从理论分析到模型建立，从程序设计到模型输出，使轴流泵的模型设计变得更加简单方便，提高了轴流泵的运行效率和精度，不仅为各领域研究学者提供了理论指导，也为轴流泵生产厂家提供了技术支持。

主权项

1.一种基于儒可夫斯基翼型新型轴流泵叶轮自动化设计方法，其特征在于，所述设计方法如下：/n(1)确定设计参数/n根据工况确定流量Q(L/s)、扬程H(m)、转速n(r/min)、轮毂直径dh(mm)、叶片数Z(个)和叶轮直径D(mm)，通过6个初始参数确定轴流泵设计过程中的相关参数，从而设计出所需轴流泵叶片模型，在轴流泵叶轮设计的过程中采用平面叶珊理论，为提高计算的准确性，先在轮毂到轮缘的的空间内按线性分布取十个断面，分别计算每个断面的相关参数；/n(1-1)计算叶栅稠密度/n叶栅稠密度l/t是轴流泵叶轮的重要几何参数，其中l为叶片的弦长，t为轴流泵叶片节距；当叶片数为4时，轮缘处叶栅稠密度取值范围为0.75～0.85，为了提高轴流泵效率，轮缘处取0.75，轮缘到轮毂叶栅稠密度倍数取1.3，即轮缘至轮毂的叶栅稠密度为0.75～0.975；在设计时，对轮毂和轮缘之间各截面的叶栅稠密度采取抛物线分布，根据公式(1-1)可确定各个截面的叶栅稠密度：/n /n其中，a₁为设计系数，可进行微调，当a₁＝0时，叶栅稠密度在轮毂到轮缘截面呈线性分布，进而可以根据公式(1-2)确定各个截面的弦长；/nL＝t*l/t (1-2)/n(1-2)计算轴面速度及旋转分速度/n在叶弦安放角的设计过程中，首先要确定液体运动时的轴面速度及旋转分速度，容积效率η_V初步确定为0.98，液体在轴流泵叶轮中圆柱流面上的运动是一种复合运动，通过进出口速度三角形原理确定各个方向的速度，由进口速度三角形可得：/nVm₁’＝4Q/(π(D²-d_h²)η_V) (1-3)/n由于叶片中存在排挤情况，根据经验公式可确定排挤系数；/nΨ＝1-2/3(δmax/(tsinβ)) (1-4)/n可得Vm1＝Vm1’/Ψ，即为轴面速度；/n泵水力效率公式如下：/nη_h＝1-0.421*(lgD-0.172)^2 (1-5)/n在设计过程中以自由漩涡形式为基础，但因此形式下设计出的叶片扭曲过于严重，为了平衡叶片内外环量差，在设计的过程中增加环量修正系数ζ，从而对各截面上旋转分速度进行修正，其公式为：/nVu₂’＝g*h/(u*η_h) (1-6)/nVu₂＝ζ*Vu₂’ (1-7)/n为提高轴流泵的效率和扬程，环量修正系数在轮毂到轮缘处呈抛物线分布时，具体公式如下：/n /n其中，a₂为设计系数，当a₂＝0时，修正系数在轮毂到轮缘截面呈线性分布；综上，可求得轮缘到轮毂各个截面上的液体的旋转分速度；/n(1-3)叶弦安放角/n在得到液体运动时的轴面速度及旋转分速度后，通过进出口冲角对叶片进口角和出口角进行修正，可确定各个截面的叶弦安放角，根据实验测量可得，轴流泵进口预旋很明显，为了保持原Vm和预旋Vu₁不变，应使叶片角从β₁增加到β，即增加冲角△β，可得：/nβ₁’＝arctan(Vm₁/u) (1-9)/nβ₁＝β₁’+△β₁ (1-10)/n随着进口冲角的增大，轴流泵效率升高，扬程变大，但同时汽蚀性能也随之降低，为了保证轴流泵在较好的状况下运行，确定进口冲角取值范围为0～2，其值的大小从轮毂到轮缘线性增加，考虑到液流角与叶片角之间的差别，轴流泵的出口叶片角还需加上冲角进行修正，公式如下：/nβ₂’＝arctan(Vm₂/(u-Vu₂)) (1-11)/nβ₂＝β₂’+△β₂ (1-12)/n综上，确定叶弦安放角，β_L＝(β₁+β₂)/2；/n(1-4)翼型拱度及厚度/n为了满足泵的水力效率的要求，设计时，叶片从轮缘至轮毂最大拱度为4.2～6.2mm，最大厚度的为6～12mm；轮缘和轮毂之间各截面上最大拱度及最大厚度呈线性分布，根据儒可夫斯基的基本公式可知：/nArchx(x)＝4*Arch*x^a*(1-x)^b (1-13)/nThickx(x)＝1.54*Thick*x^c*(1-x)^d+3*x⁶*(1-x)^0.5 (1-14)/n其中，Arch为翼型截面上的最大拱度，Thick为翼型截面上的最大厚度，x的取值范围为0～L，a、b为翼型最大拱度位置的设计参数，c、d为翼型最大厚度位置的设计参数；为了保证参数a、b、c、d变化时，翼型的最大拱度及厚度保持不变，通过下式对翼型拱度及厚度大小进行调整：/n△Arch＝Archx*Arch/max(Archx) (1-15)/n△Thick＝Thickx*Thick/max(Thickx)/2 (1-16)/n在对不同拱度位置和厚度位置的翼型进行变量分析后得出结论：当翼型最大拱度位置在0.5L～0.7L，且翼型最大厚度位置在0.15L～0.25L时，轴流泵水力效率较高，气蚀性能较好，且扬程满足运行条件；同时，在满足a+b＝2，c+d＝2时，最大翼型拱度位置为a*L/2，最大翼型厚度位置为c*L/2；即建议a的取值范围为1～1.4，c的取值范围为0.35～0.5，此时，轴流泵的综合性能最优；/n(2)坐标变换/n首先将翼型截面分为等间距的n个点，根据翼型截面上各个点的拱度及厚度大小，求出翼型截面水平放置时的坐标数据，公式如下：/nY_平＝△Arch±△Thick (2-1)/n其中，△Arch为各个截面不同位置上拱度的值，△Thick为各个截面不同位置上厚度的值，拱度加上厚度可得到翼型上弧线，拱度减去厚度可得到翼型下弧线，即为截面水平放置时的坐标数据；/n将求出的水平放置的坐标数据逆时针旋转180-β_L得到旋转后的坐标数据，就得到了展开的二维翼型坐标点数据；/n /n公式(2-2)、公式(2-3)即为直角坐标系中按一定角度旋转的横、纵坐标公式，原翼型水平及旋转后形成平面图，将N个点的二维直角坐标系先转换成各断面的圆柱坐标系，/n /n其中，R为圆柱坐标半径，θ为方向角，Z圆为高度，进而将三维的圆柱坐标数据变换为三维直角坐标数据/n /n将每个截面上点坐标转换为三维直角坐标数据，即可得到叶片截面正视图及空间放置图，可根据数据直接进行叶片的三维建模；/n(3)图形显示/n得到叶片上不同截面上各个点的坐标后，使用MATLAB与CAD进行交互，通过编程自动在CAD中绘制出轴流泵叶片的木模图，使用得到的数据在MATLAB中利用DXFLIB中的函数，编写出程序，程序完成后可以直接在MATLAB中运行程序，通过得到的点的坐标绘制出叶片截面三视图以及轮毂、轮缘和各个截面的弧线，并以一定的间隔作竖线和横线，生成可以使用CAD查看和展示的后缀名为dxf的文件。/n