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1、轴流泵叶轮叶片设计1 轴流泵叶轮水力模型设计参数22 叶轮设计流程23 叶轮根本参数的选择33.1 比转速确实定33.2 叶轮外径D和轮毂直径dh确实定33.3 叶片数Z的选择44 叶片各截面的叶栅计算流线法44.1 流线法设计叶片总体步骤54.2 分计算截面64.3 选定叶栅疏密度l/t, 计算弦长 l=t*l/t64.4叶片厚度y确实定74.5 确定进口轴面速度Vm184.6 确定出口圆周速度Vu294.7确定各截面叶片进出口角和104.8确定叶弦安放角，计算型线半径R104.9 选择翼型114.10 实例流程125 叶片各截面的叶栅计算升力法145.1 分计算截面155.2 确定轴面速度
2、Vm和叶轮环量155.3 计算和此速度与圆周速度之间的夹角165.4 选定叶片平面重叠系数m或叶栅疏密度l/t175.5 假定角185.6 求叶栅中翼型的升力系数Cl185.7 选择翼型185.8 叶栅影响的修正平板叶栅修正法及确定翼型的安放角225.9 抗空化性能校核245.10 计算叶轮的水力效率256 叶片的绘型316.1 绘翼型图316.2 确定叶片旋转轴线位置336.3 做叶片的轴面投影图336.4 在叶片轴面投影图上做垂直于轴线的截面346.5 做木模截线346.6 生成三维叶片如图 23所示37液体在轴流泵叶轮内的流动是一种复杂的空间运动。任何一种空间运动都可以看成是三个相互垂直
3、的运动的合成。研究水流在轴流式叶轮中的运动时，为了方便，采用圆柱坐标系f(R, u, z)，R为半径方向，u为圆周方向，z为泵轴线方向。通常在分析和设计轴流泵叶片时，主要研究轴流式叶轮中液体速度在三个坐标轴上的分量，并按照圆柱层无关性假设液体质点在以泵轴线为中心线的圆柱面上流动，且相邻各圆柱面上的液体质点的运动互不相关，即不存在径向分速度，Vr=0。显然，圆柱面就是流面。按照圆柱层无关性假设，可以把叶轮内复杂的运动，简化为研究圆柱面上的流动，在叶轮内可以作出很多个这种圆柱流面，每个流面上的流动可能不同，但研究的方法相同，因而只要研究透彻一个流面的流动，其他流面的流动也就类似地得到解决。我们知道
4、，圆柱面沿母线截开后，可以展开在平面上。圆柱面和各叶片相交，其截面翼型或翼型剖面在平面上构成一组叶栅无限平面直列叶栅，如以下图所示。于是，研究轴流泵叶轮内的流动，就简化为研究对应几个圆柱流面上的叶栅中翼型的流动。几个圆柱流面上的翼型组合起来，就是轴流泵叶片。1 轴流泵叶轮水力模型设计参数 叶轮直径D=300mm； 转速n=1450r/min； 流量Q=363L/s； 扬程H=5.0m； 空化余量NPSHre800Z65-44-3根据上表选择叶片数Z=4 4 叶片各截面的叶栅计算流线法如果用半径为r和r+dr的两个同心圆柱面去切割轴流泵的叶轮，那么得到一个包括翼型在内的液体圆环，如图2所示，如将
5、这个圆环剖开并展开于平面上，那么得到一个无限直列叶栅，如图3所示。图 2 用圆柱面切割叶轮示意图 图 3 无限直列叶栅这个叶栅是由许多相同的翼型组成的，当液体流过叶栅时，每个翼型像单个翼型那样，会受到升力和迎面阻力的作用，但由于邻近翼型的相互影响，叶栅中翼型上的升力和迎面阻力的数值与作用在单个翼型上的升力和迎面阻力的数值不同。用流线法设计叶轮叶片时，按下述程序进行。4.1 流线法设计叶片总体步骤流线法设计的总体详细步骤如下：1完成第3局部中的比转速、转速和叶轮外径确实定；2分流面一般分为5个，流面间距一般相等，并且轮毂、轮缘可作为两个流面；3选择叶栅稠密度l/t，计算弦长 l=t*l/t；4确
6、定容积效率，各截面的容积效率可以取同一值。5叶片厚度计算，轮毂处最大厚度Ymax=0.012-0.015KD ，从轮毂到轮缘的叶片厚度按线性规律变化；6估算各截面的排挤系数。叶弦角一般可近似取轮缘处20，轮毂处40，从轮缘到轮毂按线性规律变化；7水力效率，中间截面按确定，从轮缘到轮毂线性变化；8选定的修正系数，计算。9计算各截面进口液流角，选择冲角，确定叶片进口角；10计算各截面出口液流角，认为等于各截面进口轴面速度；11确定叶片出口角，考虑有限叶片数等因素影响，的选用范围为03；12确定叶弦安放角，计算型线半径R。4.2 分计算截面通常选取五个计算截面，如图 4所示，各计算截面的半径按以下各
7、式确定：R5=dh/2+0.020D=0.118277/2+0.0200.295693=0.06505 mR1=D/2-0.020D=0.295693/2-0.0200.295693=0.1419326 mR3=(R1+R5)/2=0.10349 mR2=(R1+R3)/2=0.122711 mR4=(R5+R3)/2=0.08427 m 图 4 分计算截面4.3 选定叶栅疏密度l/t, 计算弦长 l=t*l/t叶栅稠密度l/t是轴流泵叶轮的重要几何参数，他直接影响泵的效率，也是决定空化性能的重要参数。1从能量转换和空化性能考虑，不管叶片数多少，叶片都应当有一定的长度，用以形成理想的通道，所以
8、选择还应当考虑叶片数的多少。根据研究，推荐一下几组外缘处的l/t值，供设计时参考：；2另外应当适当减小外缘侧的，增加轮毂侧的，以减小内外侧翼型的长度差，均衡叶片出口扬程。推荐轮缘和轮毂翼型稠密度的关系为(l/t)轮毂=1.31.4(l/t)轮缘，轮缘和轮毂之间各截面的l/t按照线性规律变化。关醒凡教授给出了江苏大学系列模型用的叶栅稠密度统计图，如以下图所示。也有文献推荐，按照图 6所示的曲线(l/t)轮缘=f(KH)来确定轮缘处的l/t，KH按下式计算式中 H泵的扬程n转速D叶轮外缘直径图 6 l/t轮缘与KH的关系曲线常取l/t轮廓=1.21.3l/t轮缘，并且从轮毂到轮缘的l/t是按线性规
9、律变化的。4.4叶片厚度y确实定轮毂处叶片最大厚度可按下式粗略计算Ymax=0.012-0.015KD = 9.7-12.1 mm式中 D叶轮外径mH扬程(m)Ymax轮毂处叶片最大厚度mK为材料系数，近似取K=1 轮毂处的叶片相对厚度Ymax/l通常为10%-15%左右。轮缘处的叶片厚度应尽量薄一些为好，通常按照工艺条件条件确定，相对厚度通常取为2%-5%。从轮毂到轮缘的叶片厚度按线性规律变化。以上公式仅用来作为叶片厚度的粗略计算，待叶轮设计完后，应进行强度校核计算。4.5 确定进口轴面速度Vm1轴面速度Vm1=/考虑各截面的排挤影响其中，进口前轴面速度可按下式计算： = =6.30 m/s
10、 式中 Q流量D叶轮外径Dh轮毂直径容积效率，各截面的容积效率可以取同一值。容积效率通常按照=0.960.99之间选择各截面的排挤系数。叶弦角一般可近似取轮缘处20，轮毂处40，从轮缘到轮毂按线性规律变化。叶轮环量可根据泵根本方程式求得=2.44536 /s式中g重力加速度，g=9.81角速度Ht理论扬程 Ht=H/ 为水力效率=151.767 rad/sHt=H/= 5/0.9=5.556 m4.6 确定出口圆周速度Vu2轴流泵叶轮的设计中，有一种叶片出口流动为自由旋涡模式VuR=const的设计理论。按照自由旋涡设计理论算得的相对液流角，轮缘侧小，越到轮毂侧越大，叶片的扭曲角很大，影响泵的
11、效率，尤其在非设计工况下，泵的效率下降的比拟快，泵的高效率范围窄。有关专家根据不同比转速模型不同出口环量分布试验结果，为了提高轮缘侧环量，减小轮毂侧环量，给出了一种从轮缘到轮毂按照线性变化修正环量分布的规律，如下所示：式中，按计算的旋转分速度修正后旋转分速度修正系数，=0.91.1。对于出口圆周分速度，可按照下式计算：式中，u圆周速度，(D-研究圆柱流面的直径) H 扬程HT理论扬程，HT = H / 进口圆周分速度，由吸入条件决定，通常=0水力效率。水力效率，中间截面按确定，从轮缘到轮毂线性变化。4.7确定各截面叶片进出口角和1计算各截面叶片进口角一般是，计算各截面进口液流角，选择冲角，确定
12、叶片进口角。按照速度三角形，。冲角的选用范围为03，从轮毂到轮缘增加，比转速大着取小值。2计算各截面叶片出口角一般是，计算各截面出口液流角，选择冲角，确定叶片出口角。按照速度三角形，计算各截面出口液流角。通常，即认为等于各截面进口轴面速度。考虑有限叶片数等因素影响，的选用范围为03；4.8确定叶弦安放角，计算型线半径R叶片型线是连续曲线，通常采用单圆弧或抛物线，如以下图所示：对于圆弧叶片，各角度关系为：，型线的高度 H：型线的拱度 h：型线的半径 R：，4.9 选择翼型轴流泵设计中所用到的翼型技术资料，有的是从飞机翼型资料中得来的，有的是从水洞中研究的来的，一般飞机翼型的能量性能可能是较好的，但抗空化性能可能很差，而利用水洞对翼型进行研究，其主要目的是寻找适用于水力机械的翼型。要求翼型上的负荷均匀，以便改善翼型的抗空化性能。最大厚度在0.45-0.5l处的翼型负荷分布均匀，
