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《流体机械原理（水轮机）》课程设计指导书适用专业:热能与动力工程课程代码: 8511910学时: 3周学分: 3编写单位:能源与环境学院编写人:曾永忠、王桃系(部)主任:分管院长:批准时间:年月日1课程设计的目的专业课程设计是热能与动力工程专业的一个重要实践环节。
学生通过这一环节的学习和锻炼，可进一步巩固和加深所学理论知识，掌握水轮机转轮叶片水力设计的原理、方法和步骤，并使分析和解决工程实际问题的能力得到培养和训练。
2课程设计组织形式在设计室由教师集中指导。
3课程设计步骤1、概述（转轮水力设计目的、意义；对现有型谱的分析；主要设计理论方法、特点及基本假设、设计理论的发展方向）2、选择设计参数（1）选择参考转轮、论证、选择设计参数m s n Q n ση,,,,1111等。
（2）确定轴面流道形状尺寸：论证选择0b 、1Z 、上冠、下环型线、下环锥角a……。
（3）绘制轴面流网及各条)(m m L f V =曲线。
至少绘出五条轴面流线，6组等势线；校核、调整轴面流网精度要求：%5~3%100)(<⨯∆∆iiσσδ；绘制并检查各条)(m m L f V =曲线的变化规律是否正确合理。
（4）轴面涡线绘制---叶片绘型①0=u ω的设计方法的基本假设及流动分析；②设计的理论基础是在叶片无限多、无限薄假设下，流线与翼型骨线形状完全一致，因而可分别在各计算流面上求出流体质点相对运动轨迹---即可求得各流面上的翼型骨线；按强度要求加厚成型，再将各流面翼型按一定规律组合成叶片。
因此，可将混流式转轮变厚度回转面上的环列叶栅问题按流线法求解。
③要求：叶片范围轴面流线长至少分为6小段，包括进、出口边分点在内至少有7个分点。
注意合理选取上冠流线的长度。
）a. 流面上水流质点的运动分析---叶片微分理论（水流质点运动的微分方程、流线方程）沿各流线数值积分：m m u l rV rV r ∆-⋅=∆2ωθ （对上冠流线）θω∆-⋅=∆r V r r V l u m m 22 （对其余流线）b.论证、选择)(m u l f r V =变化规律；c ．列表进行上冠流线数值积分（对计算结果检查包角∑∆=i θθ的正确性）d ．列表进行其余流线数值积分（所得各轴面涡线的间距应平滑有规律的变化，以保证叶片光滑性检查符合要求。
叶轮的水力设计范文叶轮是水力水轮机的重要组成部分，其水力设计对于提高水轮机的效率和性能至关重要。
水力设计主要包括选择适当的叶轮类型、确定叶轮的几何参数和进行流场分析等。
首先，选择适当的叶轮类型是水力设计的第一步。
根据特定的应用场景和水流特性，可以选择不同类型的叶轮，包括斜流式、轴流式和混流式叶轮。
斜流式叶轮适用于低扬程、高流量的场景，轴流式叶轮适用于中等扬程和流量的场景，混流式叶轮适用于高扬程、低流量的场景。
正确选择叶轮类型可以更好地适应水流特性，提高水轮机的效率。
其次，确定叶轮的几何参数是水力设计的关键。
叶轮的几何参数包括叶片数目、叶片形状、叶片展弦比、叶轮进出口直径、叶片安装角度和叶片宽度等。
这些参数的选取直接影响着水流在叶轮上的流动情况和叶轮的转速。
一般来说，叶片数目越多，能够更好地利用水流的能量，但也会增加流动阻力；叶片形状可以通过仿生学设计，使得叶片能够更好地适应水流的流动；叶轮进出口直径和叶片展弦比的选取可以保证合适的流速分布，减小流动耗失。
叶片安装角度和叶片宽度的选取则可以控制叶轮的工作状态和输出功率。
最后，进行流场分析是水力设计的重要环节。
通过数值模拟或实际试验，可以对叶轮的流动情况进行详细的分析和评估。
流场分析可以得到叶轮上的流速分布、压力分布和叶片表面的剪切力等关键参数，以及流动的阻力损失和损失机理。
通过优化叶轮的几何参数，可以进一步改善水流分布，减小流动损失，提高水轮机的效率和性能。
综上所述，叶轮的水力设计是水力水轮机设计的重要环节，关系着水轮机的效率和性能。
通过选择适当的叶轮类型、确定合适的叶轮几何参数和进行流场分析，可以优化叶轮的流动特性，提高水轮机的效率，实现更好的能量转换。
水力设计还需要考虑到实际应用的具体场景和要求，以提供满足需求的可靠、高效的水力水轮机。
3、应用于注水井下水轮机数值模拟优化通过数值模拟，对轴流式水轮机各部分尺寸进一步优化，包括叶片翼型及叶片数、导叶形式等。
预估水轮机效率等主要性能指标。
然后对该优选方案的其它工况水轮机的性能进行预估，更加全面地了解该水轮机的性能。
3.1 转轮叶片优化（1）叶片翼型的优化轴面流道的几何形状在很大程度上决定着水轮机的过流能力，也直接影响其效率和空蚀性能。
因此，在转轮设计中，正确选择流道的几何参数具有重要意义。
为了适应水轮机过流量的增大，同时既要保证水轮机具有良好的能量转换能力和空化性能，又要保持桨叶表面的平滑不产生扭曲，轴流式转轮取消了混流式转轮的上冠和下环，桨叶数目相应减少，一般为3～8片，桨叶轴线位置变为水平，使得转轮流道的过流断面面积增大，提高了轴流式水轮机的单位流量和单位转速。
另一方面由于轴流式水轮机桨叶数较少，桨叶呈悬臂形式，所以强度条件较差。
本改型设计，由于不能改变过水流道的几何尺寸而使轴面流道的几何参数选择受到很大的限制。
在现有的流道条件下，只对转轮直径和叶片的厚度适当的改型。
增加了转轮直径和叶片的厚度，这使得水轮机的强度增加了，但是这将减少转轮流道的过流断面面积，使得单位流量下降。
水轮机转轮改型设计前后的示意图如图3-1和3-2。
图3-1 改进前的转轮示意图图3-2 改进后的转轮示意图1）叶片静压转轮改进前后水轮机转轮叶片压力分布如图3-3和图3-4。
图3-3 改进前的转轮叶片正背面压力分布图图3-4 改进后的转轮叶片正背面压力分布图由图3-3和图3-4可见，在其他过流部件参数相同，水轮机进口压力相同，转速相同时，改进后的转轮叶片正背面压差较小，而改进前转轮叶片正背面压差较大，且正面最大压力大于改进后叶片正面最大压力，最小压力低于改进后叶片背面最低压力。
2）计算效率表3-1为在进口水流压力相同和转速相同时，转轮叶片翼型改进前后水轮机的流量和效率的对比。
表3-1 转轮叶片翼型改进前后水轮机的流量和效率由上表可见，转轮叶片翼型改进后，水轮机的过流量减少，效率增加非常明显。
[收稿日期]㊀２０１７－１２－１９[作者简介]㊀顾丽琼(１９８７－)ꎬ女ꎬ江苏江阴人ꎬ助理工程师ꎬ主要从事水利水电工程建设管理工作ꎻ潘张宇(１９９０－)ꎬ男ꎬ江苏江阴人ꎬ助理工程师ꎬ主要从事水利水电工程建设管理工作ꎻ陈新华(１９７１－)ꎬ男ꎬ江苏江阴人ꎬ工程师ꎬ主要从事农水建筑物管理工作ꎻ顾梅芳(１９７２－)ꎬ女ꎬ江苏江阴人ꎬ工程师ꎬ主要从事水利水电工程建设管理工作叶片数对轴流泵水力性能的影响顾丽琼１ꎬ潘张宇２ꎬ陈新华３ꎬ顾梅芳４(１ 江阴市水利工程公司ꎬ江苏无锡２１４４３１ꎻ２ 江阴市白屈港水利枢纽管理处ꎬ江苏无锡２１４４００ꎻ３ 江阴市南闸水利农机服务站ꎬ江苏无锡２１４４３１ꎻ４ 江阴市重点水利工程建设管理处ꎬ江苏无锡２１４４３１)[摘㊀要]㊀采用基于ＣＦＤ数值模拟计算的方法研究叶轮叶片数和导叶叶片数对轴流泵水力性能的影响ꎮ对轴流泵的水力性能曲线进行数值计算并分析ꎮ结果表明ꎬ轴流泵的扬程随着叶轮叶片数的增加而增加ꎬ但并不是严格随着叶片的多少成比例升高ꎬ轴流泵效率随着叶轮叶片数的减小而增大ꎬ必需汽蚀余量随着叶轮叶片数的减小而增大ꎮ不同导叶叶片数下泵段扬程基本保持一致ꎬ说明导叶在进行配套设计完成后ꎬ单改叶片数对扬程影响很小ꎬ但是对效率影响较大ꎬ特别是大流量工况叶片数越多ꎬ效率越低ꎮ[关键词]㊀叶片数ꎻ水力性能ꎻ数值计算[中图分类号]㊀ＴＨ３１２ꎻＴＶ１３１ ４㊀㊀[文献标识码]㊀Ｂ㊀㊀[文章编号]㊀１００６－７１７５(２０１８)０６－００４７－０６ＥｆｆｅｃｔｏｆＬｅａｆＮｕｍｂｅｒｏｎＡｘｉａｌ－ｆｌｏｗＰｕｍｐＨｙｄｒａｕｌｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＧＵＬｉ－ｑｉｏｎｇ１ꎬＰＡＮＺｈａｎｇ－ｙｕ２ꎬＣＨＥＮＸｉｎ－ｈｕａ３ꎬＧＵＭｅｉ－ｆａｎｇ４(１ ＪｉａｎｇｙｉｎＩｒｒｉｇａｔｉｏｎＷｏｒｋｓＣｏｍｐａｎｙꎬＷｕｘｉ２１４４３１ꎬＪａｎｇｓｕꎬＣｈｉｎａꎻ２ ＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙＪｕｎｃｔｉｏｎｏｆＢａｉｑｕＰｏｒｔｏｆＪｉａｎｇｙｉｎꎬＷｕｘｉ２１４４３１ꎬＪａｎｇｓｕꎬＣｈｉｎａꎻ３ ＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎ￣ｃｙＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｅｒｖｉｃｅＳｔａｔｉｏｎｏｆＮａｎｚｈａꎬＷｕｘｉ２１４４３１ꎬＪａｎｇｓｕꎬＣｈｉｎａꎻ４ ＪｉａｎｇｙｉｎＫｅｙＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙＰｒｏｊｅｃｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭａｎａｇｅｍｅｎｔＯｆｆｉｃｅꎬＷｕｘｉ２１４４３１ꎬＪａｎｇ￣ｓｕꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒｂｌａｄｅｎｕｍｂｅｒａｎｄｇｕｉｄｅｖａｎｅｎｕｍｂｅｒｏｎｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｅｒ￣ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｘｉａｌｆｌｏｗｐｕｍｐｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙＣＦＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅａｘｉａｌｆｌｏｗｐｕｍｐａｒｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈｅａｄｏｆｔｈｅａｘｉａｌ－ｆｌｏｗｐｕｍｐｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒｂｌａｄｅｓꎬｂｕｔｉｔｉｓｎｏｔｓｔｒｉｃｔｌｙｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｂｌａｄｅｓ Ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅａｘｉａｌ－ｆｌｏｗｐｕｍｐｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒｂｌａｄｅｓ ＴｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄＮＰＳＨｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒｂｌａｄｅｓꎬａｎｄｔｈｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｔｈｅｗｏｒｓｔ Ｔｈｅｈｅａｄｏｆａｘｉａｌ－ｆｌｏｗｐｕｍｐｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌａｄｅｎｕｍｂｅｒｉｎｔｈｅｇｕｉｄｅｖａｎｅｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅꎬｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｇｕｉｄｅｖａｎｅｂｌａｄｅｓｃｈａｎｇｅｓｈａｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｈｅａｄａｆｔｅｒｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄꎬｂｕｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｌａｒｇｅꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｌａｒｇｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈｅｍｏｒｅｇｕｉｄｅｖａｎｅｂｌａｄｅｓꎬｔｈｅｌｏｗｅｒ７４ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｌｅａｆｎｕｍｂｅｒꎻｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ０㊀引㊀言轴流泵站在城市防洪排涝ꎬ跨流域调水等工程中发挥了重要的作用ꎬ轴流泵叶片数和导叶叶片数的选择对泵站的高效运行起着至关重要的作用ꎮ围绕着轴流泵叶片数和导叶叶片数ꎬ相关人员展开了深入的研究ꎬ姚捷[１]等围绕叶轮叶片数对轴流泵压力脉动特性进行了分析ꎻ张志远㊁韩小林㊁鄢碧鹏等[２－６]围绕叶轮叶片数对水泵性能和空化特性的影响进行了研究分析ꎬ但对于轴流泵叶轮叶片数和导叶叶片数对全工况的性能影响分析不全面ꎮ本文围绕叶轮叶片数和导叶叶片数ꎬ采用ＣＦＤ数值模拟计算的手段ꎬ对泵段的全工况进行能量特性分析ꎬ分析结果可为泵站的设计及经济运行提供指导ꎮ１㊀数值模拟１ １㊀计算模型本文采用ＣＦＤ数值模拟手段分析叶轮叶片数和导叶叶片数对轴流泵段水力性能的影响ꎬ计算以某一特定比转数水力模型为基础ꎬ叶轮的叶片数为４片ꎬ导叶的叶片数为５片ꎮ为了节省计算时间ꎬ不考虑进水直管段和６０ʎ出水弯管ꎬ只计算叶轮和导叶ꎮ同时为了计算结果的可靠性ꎬ在叶轮进口和导叶出口进行适当的延长ꎮ计算模型图见图１ꎮ图１㊀计算模型图研究叶片数对轴流泵水力性能的影响时ꎬ考虑叶轮叶片数和导叶叶片数两种情况分别进行研究ꎮ１ ２㊀网格划分本文针对轴流泵叶轮与导叶体在Ｔｕｒｂｏ－Ｇｒｉｄ软件中进行结构化的网格剖分ꎮ在Ｔｕｒｂｏ－Ｇｒｉｄ中划分的网格质量都能够满足ＣＦＸ的计算要求ꎬ网格质量均能达到０ ３以上ꎬ高于工程实际使用中需要的网格质量ꎮ除了网格质量对结果影响外ꎬ网格数量对计算结果也会产生影响ꎮ因此ꎬ本文针对剖分的网格数量进行网格数量无关性分析ꎮ针对本文的计算模型ꎬ不断增加剖分的网格数量时ꎬ发现当划分的网格数量增加到一定值时ꎬ计算效率和扬程趋向于稳定ꎮ根据网格无关性分析ꎬ本文计算网格最终取原型装置网格总数为１２０万ꎬ水泵叶轮的网格数为５２万ꎮ网格无关性曲线见图２ꎮ图２㊀网格无关性分析曲线１ ３㊀边界条件边界条件的设置对计算结果的稳健性有着重要的影响ꎮ边界条件设置ꎬ特别是进出口边界条件设置不合理ꎬ有时会使得计算结果不可靠ꎬ严重时甚至会导致结果发散ꎮ本文在数值模拟计算时ꎬ采用总压进口㊁质量流量出口的边界条件ꎮ泵装置内部的流动是非定常的三维的湍流流动ꎬ流动较为复杂ꎬ水泵叶轮为旋转域ꎬ转速１４５０ｒ/ｍｉｎꎬ其他为静止域ꎮ因此ꎬ泵装置中存在动静交界面ꎬ本文的动静交界面类型采用ＣＦＸ软件中的 Ｓｔａｇｅ 模型ꎮ静止域与静止域之间采８４顾丽琼ꎬ等:叶片数对轴流泵水力性能的影响第６期㊀用ＣＦＸ中的Ｎｏｎｅ交界面型式ꎬ即各部件直接相连ꎮ本文的数值计算采用雷诺时均Ｎ－Ｓ控制方程ꎬ采用标准的ｋ－ε湍流模型对控制方程进行封闭ꎮ本文泵装置的进口域为进水流道的进口ꎬ在进口设置总压进口条件ꎬ总压为一个大气压ꎮ泵装置的出口域为出水流道的出口ꎬ在域的出口将边界条件设置为质量流量ꎬ设计流量为３６０Ｌ/ｓꎮ水泵叶片的表面㊁轮毂外表面及轮缘内表面等固体壁面的边界条件均采用固壁表面满足黏性流体的无滑移条件ꎬ近壁区采用标准的壁面函数ꎮ１ ４㊀计算依据１)扬程ꎮ根据伯努利方程可计算装置扬程ꎬ将进水流道进口与出水流道出口的总能量差定义为泵装置的扬程ꎬ计算公式为:Ｈｎｅｔ＝ʏｓ２Ｐ２ｕｔｄｓρＱｇ＋Ｈ２＋ʏｓ２ｕ２２ｕｔ２ｄｓ２Ｑｇæèççöø÷÷－ʏｓ１Ｐ１ｕｔｄｓρＱｇ＋Ｈ１＋ʏｓ１ｕ２１ｕｔ１ｄｓ２Ｑｇæèççöø÷÷(１)其中:等式右边第一项为出水流道出口断面的总能量ꎬ第二项为进水流道进口断面的总能量ꎮＱ为流量ꎬＬ/ｓꎻＨ１㊁Ｈ２为上述２个断面所在的高程ꎬｍꎻｓ１㊁ｓ２为泵装置进口和出口的断面面积ꎬｍ２ꎻｕ１㊁ｕ２为泵装置进口和出口断面的流速ꎬｍ/ｓꎻｕｔ１㊁ｕｔ２为泵装置进口和出口断面的流速的法向分量ꎬｍ/ｓꎻＰ１㊁Ｐ２为泵装置进口和出口断面的静压值ꎬＰａꎻｇ为当地重力加速度ꎬｍ/ｓ２ꎮ２)效率ꎮＣＦＤ中由装置内部的速度场㊁压力场及作用在叶片上的扭矩可预测水泵及装置的能量特性ꎮ泵装置效率计算公式:η＝ρｇＱＨｎｅｔＴｐω(２)式中:Ｔｐ为扭矩ꎬＮ ｍꎻω为水泵叶轮的旋转角速度ꎬｒａｄ/ｓꎮ２㊀计算结果及分析２ １㊀叶轮叶片数对轴流泵水力性能的影响初始设计叶轮叶片数为４片ꎬ叶片数取３~５片为宜ꎮ针对叶轮叶片数分别为３㊁４和５ꎬ导叶叶片数保持不变时ꎬ分析叶轮叶片数对轴流泵水力性能的影响ꎮ不同叶轮叶片数时网格模型数量保持相当ꎮ不同叶片数的叶轮模型见图３ꎮ图３㊀不同叶片数的叶轮模型㊀㊀叶片数对轴流泵水力性能的影响分析不涉及到叶轮的优化问题ꎬ即每张叶片的形状保持不变ꎬ仅仅是增加或减小叶片的数量ꎮ针对这３种不同叶轮叶片数的研究方案进行数值计算ꎬ设计工况点为３６０Ｌ/ｓꎬ计算工况从２８０~４２０Ｌ/ｓꎬ每隔２０Ｌ/ｓ计算一个值ꎬ共计８个流量工况点ꎮ计算结果见图４和图５ꎮ根据图４可知ꎬ扬程跟叶片数密切相关ꎬ扬程随着叶片数的增加而增加ꎬ４张叶片比３张叶片扬程增加很明显ꎬ但５张叶片时扬程比４张增加不明显ꎮ根据图５可知ꎬ３张叶片时效率较优ꎬ５张叶片效率整体较小ꎬ叶片数较少时ꎬ叶栅稠密度较小ꎬ叶片表面的摩擦损失较小ꎬ效率较高ꎮ３张叶片和４张叶片数在大流量区域效率基本一致ꎬ在小流量区域３张叶片明显优于４张叶片ꎬ从水力损失的角度而言ꎬ叶轮和导叶水力损失占扬程的比重值更小ꎬ不考虑最高扬程的运行要求时ꎬ选择叶片数较少的叶轮具有更高的水力效率ꎮ将设计工况下ꎬ叶轮叶片表面压力取出作压力云图分析ꎬ见图６ꎮ９４㊀第２４卷第６期２０１８年６月水利科技与经济ＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｃｏｎｏｍｙＶｏｌ ２４㊀Ｎｏ ６Ｊｕｎ ꎬ２０１８㊀图４㊀流量~扬程曲线图５㊀流量~效率曲线图６㊀压力分布云图㊀㊀根据图６可知ꎬ轴流泵工作面压力大于背面ꎬ工作面压力分布及数值范围均差不多ꎬ背面压力分布范围差别较大ꎬ进口边界条件设置为一个大气压ꎮ因此ꎬ背面压力值较小的区域范围较大ꎬ说明了汽蚀性能最为严重ꎮ可见３张叶片时ꎬ叶片背部汽蚀性能很差ꎬ５张叶片时汽蚀性能最好ꎮ同时ꎬ叶片易于发生汽蚀的部位均处于叶片进口背面靠近轮缘处ꎮ通过下式进行汽蚀性 ０５顾丽琼ꎬ等:叶片数对轴流泵水力性能的影响第６期㊀能预测:ＮＰＳＨｒｅ＝Ｐｉｎρｇ－Ｐｖρｇ(４)式中:Ｐｉｎ为叶轮进口的总压ꎬ此处即为一个大气压ꎻＰｖ为叶轮背面靠近轮毂侧(Ｓｐａｎ＝０ ８５处)且距离叶片进口处１５％~２０％位置处的最小压力ꎮ试验结果表明ꎬ该预测模型得到的必需汽蚀余量值与试验值吻合度较好ꎬ所以本文在数值模拟过程中采用该预测模型进行必需汽蚀余量的预估ꎮ现将Ｓｐａｎ＝０ ８５断面翼型压力分布取出用以分析其汽蚀性能ꎮ见图７ꎮ图７㊀Ｓｐａｎ＝０ ８５翼型断面的压力分布图㊀㊀根据图７可知ꎬ不同叶片数该断面压力分布不一致ꎮ大于大气压的压力分布为翼型工作面的压力ꎬ小于大气压的压力分布为翼型背面的压力值ꎮ在工作面靠近叶片进口处压力分布差别较大ꎬ所以水流来流冲角不一致ꎬ反映在外特性上就是最高效率点工况发生了变化ꎮ３张叶片时ꎬ叶片背面压力值整体最小ꎬ必需汽蚀余量最大ꎬ汽蚀性能最差ꎮ其次是４张叶片ꎬ汽蚀性能最好的是５张叶片ꎮ２ ２㊀导叶叶片数对轴流泵水力性能的影响导叶的作用主要是回收叶轮出口速度环量ꎬ将动能转换为压能ꎬ减小水力损失ꎬ其中导叶的数量对轴流泵性能有着重要影响ꎮ初始导叶为７片ꎬ叶轮为４片ꎮ为了满足导叶叶片数与叶轮叶片数满足互为质数的关系ꎬ研究时分别取导叶叶片数为５㊁７和９片ꎮ保持导叶叶片形状不发生变化ꎬ只是改变导叶的数量ꎮ不同的导叶叶片数量的导叶模型见图８ꎮ图８㊀不同叶片数的导叶模型㊀㊀数值模拟采用带叶轮进行三维数值计算ꎬ针对这３种不同导叶叶片数的研究方案进行数值计算ꎮ设计工况点为３６０Ｌ/ｓꎬ计算工况从２８０~４２０Ｌ/ｓꎬ每隔２０Ｌ/ｓ计算一个值ꎬ共计８个流量工况点ꎮ计算结果见图９和图１０ꎮ根据图９和图１０可知ꎬ不同导叶叶片数下泵段扬程基本保持一致ꎬ说明导叶在进行配套设计完成后ꎬ单改叶片数对扬程影响很小ꎬ但是对效率影响较大ꎬ特别是大流量叶片数越多ꎬ效率越低ꎮ５张导叶叶片在小流量效率较低ꎬ大流量效率较高ꎮ但是不管导叶叶片数是多少ꎬ最高效率点并没有发生变化ꎬ说明改变导叶叶片数高效点不会发生变化ꎮ效率变化较大应该是导叶水力损失变化较大造成的ꎮ导叶水力损失见图１１ꎮ根据水力损失曲线图可知ꎬ在Ｑ＝３４０Ｌ/ｓ时ꎬ３条水力损失曲线出现了交叉ꎬ即在大流量区域叶片数越多ꎬ水力摩擦损失越大ꎬ效率越低ꎬ导叶片数越少对大流量能量性能有好的影响ꎻ在小流量区域ꎬ扬程较高ꎬ水流不稳定ꎬ叶片数较多能更好的回收环量减小水力损失ꎬ所以在小流量区域ꎬ导叶片数越多对性能有好的影响ꎮ１５㊀第２４卷第６期２０１８年６月水利科技与经济ＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｃｏｎｏｍｙＶｏｌ ２４㊀Ｎｏ ６Ｊｕｎ ꎬ２０１８㊀图９㊀扬程~流量曲线图图１０㊀效率~流量曲线图图１１㊀导叶水力损失曲线图３㊀结㊀论１)轴流泵叶轮的扬程随着叶片数的增加而增加ꎬ但并不是严格随着叶片的多少成比例升高ꎬ叶轮的效率随着叶片数的减小而增大ꎮ３张叶片和４张叶片数在大流量区域效率基本一致ꎬ在小流量区域３张叶片明显优于４张叶片ꎮ从汽蚀性能角度而言ꎬ３张叶片时ꎬ叶片背面压力值整体最小ꎬ必需汽蚀余量最大ꎬ汽蚀性能最差ꎮ其次是４张叶片ꎬ汽蚀性能最好的是５张叶片ꎮ２)不同导叶叶片数下泵段扬程基本保持一致ꎬ说明导叶在进行配套设计完成后ꎬ单改叶片数对扬程影响很小ꎬ但是对效率影响较大ꎬ特别是大流量工况叶片数越多ꎬ效率越低ꎮ[参考文献][１]姚捷ꎬ周建佳ꎬ孙莎ꎬ等 叶片数对轴流泵压力脉动的影响研究[Ｊ].通用机械ꎬ２０１６(３):８０－８４[２]张志远ꎬ王立祥ꎬ蔡佑林 叶片数对喷水推进低比转速轴流泵叶轮水动力性能的影响[Ｊ].船舶ꎬ２０１５ꎬ２６(１):２０－２４[３]施卫东ꎬ吴苏青ꎬ张德胜ꎬ等 叶片数对高比转数轴流泵空化特性的影响[Ｊ].农业机械学报ꎬ２０１３ꎬ４４(１１):７２－７７[４]陈长盛ꎬ杨爱玲ꎬ李国平ꎬ等 叶片数变化对轴流泵流体激励力影响[Ｊ].噪声与振动控制ꎬ２０１３ꎬ３３(３):５５－５９[５]韩小林ꎬ石岩峰ꎬ姚铁ꎬ等 用数值模拟研究叶片数变化对轴流泵性能的影响[Ｊ].水泵技术ꎬ２００７(４):１５－１７[６]鄢碧鹏ꎬ汤方平 叶片数变化对轴流泵性能影响的研究[Ｊ].扬州大学学报:自然科学版ꎬ１９９８(３):５３－５５２５。
技术交流水力排烟风机叶片结构参数优化设计潘洋洋1，庄进标2，林瑞霖2（1. 海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201913；2. 海军工程大学动力工程学院，武汉 430033）摘要：为改善某型水力排烟风机性能，本文在原叶型的基础上对该风机的叶片结构参数进行了组合优化设计，分析确定了影响风机叶片性能的主要因素。
通过正交设计对不同因素配置的方案进行了仿真试验，利用极差分析法确定了各因素的主次顺序，获得了最优组合，即风机叶片数目7、轮毂比0.593、叶片安装角40°。
与原风机性能进行了对比，结果表明：选取最优的组合设计方案，优化后的风机全压有效功率提高了15.9%，全压效率提高了12%，证明利优化设计方案是有效的。
关键词：水力排烟风机；风机叶片；优化设计；正交设计中图分类号：TH432.1 文献标志码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2020.05.004Optimal Design of Blade Structure Parameter forHydraulic Smoke Exhaust FanPAN Yangyang1, ZHUANG Jinbiao2, LIN Ruilin2(1. The First Military Delegate Office of Shanghai under Naval Equipment Department, Shanghai 201913, China;2. College of Power Engineering. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: In order to improve the performance of a hydraulic smoke exhaust fan, based on the original blade type, the structure parameters are combined and optimized. The analysis determin the main factors affecting the performance of the fan blades. Through orthogonal design, simulation experiments of different factor configuration schemes are carried out, and the primary and secondary order of each factor is determined using range analysis. The optimal combination is, the number of fan blades 7, the hub ratio of 0.593, and the blade installation angle of 40° . Compare with the performance of the original fan, the results show that the optimal combined design scheme is selected, the optimized full-pressure effective power of the optimized fan is increased by 15.9%, and the total pressure efficiency is increased by 12%. The results show that optimal design is effective.Key words: hydraulic smoke exhaust fan; fan blade; optimal design; orthogonal design0引言水力排烟风机因其具有性能稳定、风量大、防爆性能好、动力源充足（可利用消防水驱动）等特点，可被应用于舰船消防排烟等领域。
