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与流程

本发明属于水利工程设备
技术领域：
，涉及一种轴流泵叶轮的设计方法，具体的说是涉及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。
背景技术：
：泵在城市排涝，水库调水，河道整治，供水系统等许多领域都发挥着不可替代的作用。作为叶片泵的一种，轴流泵具有经济便捷，高效节能，可靠性高等优点，因而在在泵站中得到了广泛应用。而轴流泵叶轮是泵装置最核心也是最重要的过流部件，其设计的好坏直接决定了装置乃至整个泵站的综合效果。然而，大多数学者在对轴流泵叶轮的几个重要参数进行变量分析后，却极少将分析结果转化为轴流泵叶轮设计的理论，来综合评估或优化轴流泵叶轮模型。为了使轴流泵叶轮的设计更加便捷、可靠，同时得到更高效、更具有普适性能的轴流泵，在设计时还需要一种系统的自动化设计方法。技术实现要素：本发明的目的是针对目前缺少将分析结果转化为轴流泵叶轮设计的理论，轴流泵叶轮的设计较为低效，轴流泵叶轮普适性能较差等不足，提出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，通过将轴流泵运行参数和分析结果形成轴流泵叶轮自动化设计方法，可使轴流泵的模型设计变得更加简单方便，可进一步提高轴流泵的运行效率和精度。本发明的技术方案是：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：(1)确定设计参数根据工况确定流量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；(1-1)计算叶栅稠密度叶栅稠密度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：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；l＝t*l/t(1-2)(1-2)计算轴面速度及旋转分速度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ηv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：vm1’＝4q/(π(d2-dh2)ηv)(1-3)由于叶片中存在排挤情况，根据经验公式可确定排挤系数；ψ＝1-2/3(δmax/(tsinβ))(1-4)可得vm1＝vm1’/ψ，即为轴面速度；泵水力效率公式如下：ηh＝1-0.421*(lgd-0.172)^2(1-5)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：vu2’＝g*h/(u*ηh)(1-6)vu2＝ζ*vu2’(1-7)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：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；(1-3)叶弦安放角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：β1’＝arctan(vm1/u)(1-9)β1＝β1’+△β1(1-10)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：β2’＝arctan(vm2/(u-vu2))(1-11)β2＝β2’+△β2(1-12)综上，确定叶弦安放角，βl＝(β1+β2)/2；(1-4)翼型拱度及厚度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：archx(x)＝4*arch*xa*(1-x)b(1-13)thickx(x)＝1.54*thick*xc*(1-x)d+3*x6*(1-x)0.5(1-14)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：△arch＝archx*arch/max(archx)(1-15)△thick＝thickx*thick/max(thickx)/2(1-16)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；(2)坐标变换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：y平＝△arch±△thick(2-1)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；将求出的水平放置的坐标数据逆时针旋转180-βl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；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，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；(3)图形显示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。本发明的有益效果为：本发明提供的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，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。附图说明图1为本发明设计方法流程图。图2为本发明中翼型设计流程图。图3为本发明中翼型截面水平及旋转后平面图。图4为本发明中叶片截面正视图。图5为本发明中叶片截面空间放置图。图6为本发明中叶片三维造型图。图7为本发明中叶片三视图。图8为本发明中叶片十个截面翼型展开图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：如图1所示，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如下：(1)确定设计参数考虑到轴流泵的水力特性，此实例中初始参数为：流量360l/s,扬程5m，转速-1450转/min，轮毂直径120mm，叶片数4个，叶轮直径300mm。通过这些基本参数可以确定轴流泵设计过程中的相关参数，从而设计出特定的轴流泵叶片模型。首先在轮毂到轮缘的的空间内按线性分布取十个断面，进而分别计算每个断面的相关参数。在本实例中各断面直径为：120140160180200220240260280300(1-1)叶栅稠密度在设计时，取轮缘至轮毂的叶栅稠密度为0.75～0.975。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)确定各个截面的叶栅稠密度：实例中，取a1＝0，此时，叶栅稠密度在轮毂到轮缘截面呈线性分布。进而根据l＝t*l/t确定各个截面的弦长，其中t＝dπ/z，表示叶片间节，具体数值如下：(1-2)轴面速度及旋转分速度容积效率ηv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，可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：vm1’＝4q/((d2-dh2)ηv)(1-3)由于叶片中存在排挤情况，根据经验公式可确定排挤系数:ψ＝1-2/3(δmax/(tsinβ))(1-4)可得vm1＝vm1’/ψ,即可求得轴面速度。泵水力效率公式如下：ηh＝1-0.421*(lgd-0.172)^2(1-5)本发明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：vu2’＝g*h/(u*ηh)(1-6)vu2＝ζ*vu2’(1-7)为提高轴流泵的效率和扬程，经过计算分析发现，当修正系数呈抛物线分布时，其效率可以得到改善，具体公式如下：实例中，取ζ为0.9～1.1，系数a2＝0，此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，具体数值如下表所示：截面12345678910vm1’6.1876.1876.1876.1876.1876.1876.1876.1876.1876.187ψ0.9280.9390.9470.9530.9580.9610.9640.9670.9690.970vm16.6656.5876.5326.4926.4616.4366.4176.4016.3876.376ηh0.8850.8920.8980.9030.9070.9110.9140.9170.9190.921vu2’6.0805.1674.4903.9703.5573.2212.9432.7082.5092.336ζ0.9000.9220.9440.9670.9891.0111.0331.0561.0781.100vu25.4724.7084.1413.7053.3593.0782.8452.6482.4812.336(1-3)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：β1’＝arctan(vm1/u)(1-9)β1＝β1’+△β1(1-10)轴流泵的出口叶片角等于液流角加上冲角，可得：β2’＝arctan(vm2/(u-vu2))(1-11)β2＝β2’+△β2(1-12)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，值的大小从轮毂到轮缘线性增加；出口冲角的大小为2。综上，确定叶弦安放角，βl＝(β1+β2)/2。(1-4)翼型拱度及厚度首先确定翼型拱度及厚度的取值范围。实例中，叶片从轮缘至轮毂最大拱度为4.2～6.2，最大厚度的为6～12。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。在每个截面上设置101个点，利用儒可夫斯基公式求解每个点上厚度及拱度的值：archx(x)＝4*arch*xa*(1-x)b(1-13)thickx(x)＝1.54*thick*xc*(1-x)d+3*x6*(1-x)0.5(1-14)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，翼型的最大拱度保持不变，通过下式对翼型拱度及厚度大小进行调整：△arch＝archx*arch/max(archx)(1-15)△thick＝thickx*thick/max(thickx)/2(1-16)选取翼型最大拱度位置在0.65l，且翼型最大厚度位置在0.18l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。此时a＝1.3，b＝0.7，c＝0.35，d＝1.65。下表1为10个截面上101个点的厚度大小，表2为10个截面上101个点的拱度大小。表1：表2：(2)确定叶片上点坐标首先根据翼型截面上各个点的拱度及厚度大小，可求出截面水平放置时的坐标数据，公式如下：y平＝△arch±△thick(2-1)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。将求出的水平放置的坐标数据逆时针旋转180-βl得到旋转后的坐标数据。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平面图如图3所示。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，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，如图4、图5所示，并可根据数据直接进行叶片的三维建模。(3)建立叶片模型得到叶片不同截面上各个点的坐标后，利用matlab编程，同时与cad绘图软件进行交互，即可在cad上得到叶轮的三视图，以及叶轮的截面图像，如图7、图8所示。当前第1页12