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葉片型線對離心油泵性能的影響

2015/04/23


  葉片型線是離心泵葉輪流面與葉片厚度中分面或葉片工作面的交線。葉片型線是決定葉片實際形狀的重要幾何要素。葉片型線通過改變葉片表面流體動力 負荷來決定離心泵水力性能。一般可以通過三種方式改變葉片型線:⑴固定葉片進口角,改變出口角和包角;⑵固定葉片出口角和包角,改變進口角;⑶固定葉片進 口角和出口角,改變包角。以離心泵為例,以離心油泵為例,對第一種改變葉片型線的方式進行過實驗研究。本文以65Y60型離心油泵為例,對第二種改變葉片 型線的方式進行實驗研究,旨在檢查第二種改變葉片型線的方式對離心油泵性能的影響,驗證準三元葉片設計理論與方法是否有效。首先采用準三元葉片設計方法以 反問題方式設計兩個葉片進口附近型線不同的三元葉輪,設計時保持葉片軸面形狀與原來的一元葉輪相同。然后將它們和原來的一元葉輪分別放入同一個泵體進行不 同粘度下的性能實驗,考察不同粘度下葉片型線對性能影響規律,為離心油泵葉輪水力設計提供依據。

  2葉片設計方法與型線2.葉片設計方法 本文采用基于葉片骨面(渦面)的準三元葉片設計理論與方法設計離心油泵葉片。設計時認為液體是理想流體,葉片骨面就是渦面。渦面上有附著(束縛)渦。渦面 與S2rn流面形狀相同。嚴格地說,流動滑移前渦面與S2,m流面形狀相同,流動滑移后渦面與S2m流面形狀不相同,需要按一定的假設規律修正。借助于分 析S2rn流面流動與造型以后的葉片之間的不斷迭代,設計出葉片骨面,最后加厚骨面得到三維實體葉片。詳細情況見。

  準三元葉片設計方法由計算機完成。采用VisualBasic5.0面向對象的可視化高級語言編寫了葉輪準三元流動分析程序和準三元葉片設計程序。

  葉輪準三元流動分析程序包括貼體坐標生成程序和流場計算兩個程序,它主要用于計算現有一元葉輪的內部流場,對流場進行診斷。

  準三元葉片設計程序主要用于葉輪改型設計。

   (背面)壓力差與當地平均相對流速的速度頭之比,利用Bern貨讓方程也負荷系數可以化簡為沈加咖pubi油噸Huse.(a)前蓋板最大負荷差隨扭角 的變化利用該程序可以根據給定的離心泵設計參數,設計出葉輪軸面流道,計算出葉片形狀,直到畫出葉片剪裁圖。同時還可以顯示流場信息,以便修正設計,實現 對設計過程的全程控制。由于程序設計時采用了面向對象的可視化高級語言,所以程序有友好簡明的操作界面,大大提高了設計效率。

  2.2葉 片型線準三元設計時,保持葉輪軸面尺寸與形狀、葉片數和出口部分20°包角范圍型線不變,僅僅改變葉片進口附近的形狀。設計流量Q=32m3/h,揚程 H=60m,轉速n =2950r/min.給出了原一元葉輪1D和新設計的兩個三元葉輪3D-1、3D-2在前后蓋板流面上的葉片工作面型線。表示前后蓋板流面上葉片型線的 切線方向與葉輪旋轉相反方向夾角,即葉片角,隨軸面流線長Lm的變化關系。由、2可見,一元葉輪1D與三元葉輪3D-1、3D-2葉片進口附近的型線明顯 不同。對于一元葉輪,前后蓋板流面上葉片角都是先增加,然后減小。對于三元葉輪,前蓋板流面上葉片角是先減小,而后增加;后蓋板流面上葉片角是先增加,而 后減小。這是一元葉輪與三元葉輪葉片型線的主要差別。

  葉片角的變化2.3葉片表面流體動力負荷系數為了說明葉片型線對葉片水力性能的影 響,計算了一元葉輪內部理想流體的流動,同時也將三元葉輪設計過程中的流場信息提取出來,畫出葉片表面流體動力負荷系數沿無量綱葉片長Lb的分布曲線,。 負荷系數是葉片壓力面(工作面)與吸力面面的相對流速,W表示S2m流面上的平均相對流速。負荷系數越大,葉片壓力面與吸力面壓力差越高,葉片對液體做功 越多,壓力面相對流速越低,逆壓力梯度增大,越容易引起脫流。不同流面上的負荷系數不相等則不同流面上葉片對液體做功不相等,壓力沿葉片寬度方向發生變 化,容易引起葉片寬度方向和平行于蓋板方向的流動,即二次流動,產生附加水力損失,導致泵性能下降。由可知,無論一元葉輪還是三元葉輪,其前蓋板流面上的 負荷系數隨葉片角變化不大,但是后蓋板流面上的負荷系數角變化很大,并且葉片角越大,葉片負荷系數越大。因此,后蓋板流面上的負荷系數分布可能對葉片水力 性能產生較大影響。

  (b)后蓋板葉片負荷系數變化為了表示葉片型線對8葉片表面流體動力負荷系數的影響作用,本文規定6兩個新概念,即 葉片扭角4和最大負荷差。葉片扭角表示后蓋板流面上最大葉2片角與相同半徑處前蓋板流面上葉片角之差,用△卩表示,即葉片扭角,表示葉片扭曲程度。AP越 大,表示前后蓋板流面之間葉片型線差別越大,即葉片扭曲越大;△P=0表示葉片沒有扭曲,是圓柱形葉片。

  最大負荷差表示后蓋板流面上最 大葉片負荷系數與相同半徑處前蓋板流面上負荷系數之差,用△Cw表示最大負荷差越大,前后蓋板流面之間的壓力差越大,越容易引起二次流。表示最大負荷差隨 葉片扭角的變化關系。由圖可見,扭角△卩越大,最大負荷差ACw也越高,因此可以通過扭角A卩控制葉片水力性能。對一定的比轉速葉輪,應該存在使葉輪水力 性能最好的最優葉片扭角AP. 3實驗結果與討論為了檢驗葉片型線對離心油泵性能的影響,建立了離心油泵輸送水和粘油時性能實驗臺。與普通離心泵性能實驗裝置不同的是該裝置安裝了油溫控 制系統,以便控制粘油溫度,改變粘油粘度。實驗表明,該裝置的流量、揚程、軸功率和效率的測量精度0.898%在運動粘度v分別為1cSt(水)、29、 45、75、98、134、188、255cSt(油)的條件下,分別對上述三個葉輪進行了性能實驗。

  分別表示在最優工況揚程HBEP 和效率lax隨流量Q的變化關系。當粘度低于35cSt時,一元葉輪1D的揚程和效率都比三元葉輪3D-1、3D-2高;當粘度高于35cSt時,三元葉 輪3D-1揚程和效率超出了一元葉輪1D,表現出良好的性能;但三元葉輪3D-2僅在個別粘度下揚程高于一元葉輪1D,而且其效率也比一元葉輪1D提高很 少。因此,三元葉輪3D-2性能比一元葉輪1D沒有明顯優勢。由前面可知,三元葉輪3D-2葉片進口扭曲比3EK大,其葉片進口附近可能產生旋渦,引起不 同粘度下流態的改變,使最優工況揚程出現波動。由此可見,適當增大葉片進口扭曲,即增大葉片扭角,可以提高離心油泵輸送粘油的水力性能。

   表示一元葉輪1D與三元葉輪3EK分別輸送運動粘度為1cSt(水)、98和255cSt(油)時泵輪效率n的對比。輸送清水(cSt)時三元葉輪 3D-1效率比一元葉輪1D低1%左右;但是隨著被輸送液體粘度的提高,三元葉輪3D-1效率逐漸超過一元葉輪1D.當輸送粘度為98cSt和 255cSt粘油時,效率提高2%和4%,大流量提高更多,有較明顯的節能效果。

  說明新設計的三元葉輪3D-1葉片的進口扭曲規律很好地適應了粘油流場,應用準三元葉片設計理論設計離心油泵葉片有效果。

   表示最優工況效率隨葉片扭角的變化關系。隨著被輸送液體粘度的增加,最優葉片扭角有逐漸增大的趨勢。當粘度較低時,最優葉片扭角為4°左右;當粘度較高 時,最優葉片扭角為14°左右。也4結論利用準三元葉片設計方法設計了比轉速為46的65Y60型離心油泵葉片,研究了葉片型線對性能的影響,提出了葉片 扭角和最大負荷差兩個新概念,得到不同粘度下最優葉片扭角。得到如下結論:編制的貼體坐標系下的有限差分法離心泵準三元流動分析程序和葉片設計程序能夠分 析離心葉輪內部流動和設計離心泵葉片。

  葉片進口附近的型線對離心油泵的性能有較大影響。

  葉片扭角越大,前后蓋板流面上的葉片表面流體動力負荷相差也越大;通過葉片扭角,可以控制兩流上的葉片負荷差,從而控制葉輪內部二次流。

  被輸送液體運動粘度低于35cSt時,最優葉片扭角為3°~5°;當粘度高于30cSt時,最優葉片扭角為10.~15°三元葉輪效率比原有一元葉輪效率提高2%4%,有較明顯的節能效果。


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