叶片厚度对轴流泵性能的影响
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
作者简介：朱亮（1984-），男，南通航运职 业技术学院，助教。
（作者单位：南通航运职业技术学院）
(上接第 148 页) 所添加的每一个特征位置为零件的特征节点,
零件特征，另一方面根据工序尺寸修改某些 特征的参数，生成某工序的三维工件模型，再 生成二维工序图。通过程序控制，工序图自动 插入工艺卡片中，图 4 为轴类零件某工序机 械及工工艺卡片。
对轴流泵水力性能影响的研究。灌溉排水学 报，2006，25（1）：85-88.
[3]鄢碧鹏，汤方平。叶片数变化对轴流泵 性能影响的研究。扬州大学学报·自然科学 版，1998，1（3）：53-55.
[4]朱俊华。轴流泵叶片外缘液流角 对轴 流泵性能的影响。水泵技术，1995，6：3-6.
[5]张华娟，李春。叶轮进口参数对泵性能 影响的研究。水泵技术，2006，3：11-13.
图 1 为不同叶片厚度情况下的效率 - 流 量曲线，从图中变化可以看出，叶片厚度减 薄，对提高最高效率是有利的。叶片厚度变化 还引起高效区分布的变化，叶片厚度减薄，高 效区往大流量偏移，对提高大流量工况的效 率非常明显。
（注：图中的 h17t7 表示叶根最大厚度为 17mm，叶尖最大厚度为 7mm，其余意义相 同。）
成的特征，一方面通过删除尚未加工的某些 问题。采用基于三维特征模型的工序图反向
重构法，解决了工序图动态绘制过程中信息 共享问题。利用 Solid works 配置管理技术，自 动生成相关联的工序模型与工序图,通过程序 控制，工序图自动插入工艺卡片中。
在今后的研究中，还需要进一步完善识 别制造特征和几何拓扑的命名和辨识方法以 使工序图的生成模块与商业 CAD 系统更好 的结合。在实践中具有良好的应用前景。
2009.12CHINA EQUIP MENT 155
T ECHNOLOGY 科技纵横
扬程增大，轴功率也有所增大，装置的高效点 向大流量偏移，且有所增大。叶片厚度的变薄 后，叶片压力面的压力增加，使得叶轮扬程的 增加，而叶片吸力面的压力变化较小，略有增 加，改善了空化性能。
参考文献 [1]汤方平，周济人，鄢碧鹏。叶轮径向间 隙型式对轴流泵性能的影响。水泵技术， 1997,1:31-33. [2]朱红耕，鄢碧鹏，周济人。壁面粗糙度
零件加工工序图的自动生成是
地回退到任何一个特征节点位置, 即可以把 CAD/CAM/CAPP 集成中的关键技术，它的有
任何一个特征节点后面的所有特征暂时抑制 效实现需要建立在制造特征识别技术、特征
或者隐藏。此时，利用工程图的关联自动生成 参数化技术、信息共享技术、几何拓扑的命名
功能，便可生成该工序模型对应的工序图。 和辨识技术的有机结合的基础上。
2.4 工序模型与工序图自动生成技术
本文针对轴套类零件工序模型与工序图
CAPP 工序图自动生成的一个重要机理是自 的自动生成技术研究做了进一步研究，着重
后往前的反推法，即逆向重构法[4]。即：以三维 探讨了零件模型的建立和动态修改、面向加
零件模型为基础，根据工序在状态中已经形 工制造特征的二维工序图的自动生成等关键
形式上表现为模型特征树上的每一个特征，
对应一个工序模型。利用工序模型与特征节
点之间存在的对应关系, 可在特征节点中确
Biblioteka Baidu
定一些加工过程中的工序模型, 但并不是所
有的模型特征树上的特征节点都能找到相应
的工序模型，其原因是实际加工中的一个工
序, 在特征设计过程中往往是由几个特征组
结束语
合而成的[3]。因此,可以将当前的设计指针方便
T ECHNOLOGY 科技纵横
叶片厚度对轴流泵性能的影响
文／朱 亮
【摘 要】采用 R NGk- ε 紊流模型计 算了轴流泵装置内部的三维紊流流场。通过 计算表明，装置在相同的流量下，随着轴流泵 叶片厚度减薄，水泵的扬程和轴功率增加，最 高效率点向大流量偏移，且最高效率有所提 高；叶片压力面的压力增加，使叶轮扬程的增 加，而叶片吸力面的压力变化较小，略有增 加，使得叶轮空化性能有所改善，最后通过模 型试验验证了计算的结果。
156 2009.12CHINA EQUIP MENT
通过计算还发现叶片变薄后，叶片压力 面的压力增加，使叶轮的扬程增加，而叶片吸 力面的压力变化较小，略有增加，使得空化性 能有所改善。
2.试验对比 采用叶尖、叶根厚度分别为 5mm、12mm 的 zm50 叶轮，及叶尖、叶根厚度分别为 7mm、 17mm 的 zm50 叶轮做泵段试验。泵段试验在 江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水 力机械试验台上进行，试验台效率测试的综 合误差为 。由试验得出随着叶片变薄，叶轮扬 程、轴功率增加，叶轮高效点向大流量偏移，且 有所增加，和数值模拟的结果相符。 结论 紊流计算和模型试验表明，在相同的流 量下，随着轴流泵叶片厚度的变薄，轴流泵的
参考文献 [1]范孝良等. CAPP 系统中工序图的自动 绘制 [J]. 成组技术与生产自动化，1991，1： 35-38. [2]陈阳,刘海江.面向制造的特征建模[J]. 机械制造,2003,41（466）：15-17. [3]王恒,宁汝新.面向制造的特征设计和 工序图形的自动生成[J].北京理工大学学报, 2004, 24(5):395-398. [4]史建军,方秀清.CAD/CAPP 集成环境 下叶片泵类零件工序图的自动生成 [J]. 机械 制造与自动化. 2009, 38 ( 1) : 102～105. 作者简介：景海平，男，1963 年生，副教 授，硕士，毕业于太原理工大学，1985 年参加 工作，现任山西综合职业技术学院机械工程 学院院长，发表学术论文数篇。主要研究方 向：机械设计及理论。 （作者单位：山西综合职业技术学院）
[6]V. Michelassi, J.G. Wisssink, W. Rodi.
Direct numerical simulation, large eddy simulation and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations of periodic unsteady flow in a low-pressure turbine cascade：A comparison. Journal of Power and Energy, 200, 217（4）：403-412.
式中 p*-- 折算压力 vj-- 速度分量 ρ-- 流体密度 μeff -- 流体有效粘性系数，μeff =μ+μt μ-- 流体的动力粘性系数
紊动能 k 和紊动能耗散率 ε由下列半经 验方程（3）和方程（4）确定
式中
1.2 网格划分 本文采用商用 CFD 软件 CFX 对装置进 行数值分析，用 CFX 的几何造型模块 ICEM CFD 对装置的进出水管进行了建模和网格剖 分，用 Turbo-grid 几何造型模块分别对叶轮和 导叶进行建模和网格划分。剖分叶轮网格时， 考虑了叶顶间隙和进口导水锥。叶轮单边间 隙 为 0.2mm， 与 实 际 模 型 泵 中 的 间 隙 0.15~0.2mm 相当。进出、水管和弯管之间，出 水弯管与导叶之间采用 None 界面模型。叶轮 和导叶之间，叶轮和进水弯管之间的滑动界 面采用 Stage 界面模型。一种设计方案的网格 调整好以后，网格的划分格式即以配置文件 的方式保存。由于其它方案的叶片数不变，直 接调用配置文件即可快速生成计算网格。
1.3 计算结果 共计算了 5 组采用不同叶片厚度的轴流 泵装置如表 1 所示，装置中除叶轮的叶片厚 度不同外，其泵段模型（进水、出水、导叶）均 完全相同。
表 1 不同叶片厚度计算方案
计算时固壁采用速度无滑移条件，进口 指定总压和轴向进流，出口指定流量，每组方 案从大流量到小流量计算了多个工况点。
计算结果表明，叶片厚度变薄，引起扬程 流量曲线和轴功率流量曲线的向上偏移。叶 片厚度减小，相同流量下的扬程增加，轴功率 也增加。
【关键词】轴流泵 紊流 数值分析 叶片 厚度
前言 轴流泵是一种量大面广的水泵产品，在 大型调水工程、灌溉工程及城镇给排水工程 中应用广泛，也常被用作船舶和两栖车辆的 推进器。我国泵站总装机容量为 7000 多万千 瓦，其中轴流泵及导叶式混流泵占一半以上， 南水北调东线工程中的大型泵站绝大部分采 用轴流泵。因此，对其效率等性能指标进行深 入研究不仅具有理论意义，更具有实际应用 价值。 轴流泵的结构参数对泵的能量和汽蚀性 能的研究工作，经过多年的实践，积累了大量 的经验，对轴流水轮的设计提供了宝贵的技 术支持。如汤方平[1]研究了轴流泵转轮径向间 隙增大后，对水泵性能的影响。朱红耕[2]采用 全三维雷诺时 均 Navier-Stokes 方程和标准 k-ε湍流模型，数值模拟了包括叶轮、导叶、泵 壳和轮毂等过流部件壁面粗糙度对轴流泵水 力性能的影响。鄢碧鹏[3]研究叶片数对轴流泵 性能的影响。朱俊华[4]从理论上分析了轴流泵 叶轮叶片外缘液流角 对轴流泵性能的影响。 但是，在叶片厚度对轴流泵的性能影响 上缺乏必要地研究，所以有必要开展这方面 的工作，来完善上述工作，进一步完善轴流泵 的优化设计水平。 本文的目的在于深入研究轴流泵叶片厚 度和轴流泵性能的关系，研究水泵性能随轴 流叶片厚度的变化而变化的趋势，以提高轴 流泵的能量和汽蚀性能，从而节约电能和改 善泵的可靠性。 1.紊流数值分析 1.1 计算模型 采用 RNG 两方程紊流模型求解不可压 缩液体 RANS 方程。连续方程和动量方程为：
（作者单位：南通航运职业技术学院）
(上接第 148 页) 所添加的每一个特征位置为零件的特征节点,
零件特征，另一方面根据工序尺寸修改某些 特征的参数，生成某工序的三维工件模型，再 生成二维工序图。通过程序控制，工序图自动 插入工艺卡片中，图 4 为轴类零件某工序机 械及工工艺卡片。
对轴流泵水力性能影响的研究。灌溉排水学 报，2006，25（1）：85-88.
[3]鄢碧鹏，汤方平。叶片数变化对轴流泵 性能影响的研究。扬州大学学报·自然科学 版，1998，1（3）：53-55.
[4]朱俊华。轴流泵叶片外缘液流角 对轴 流泵性能的影响。水泵技术，1995，6：3-6.
[5]张华娟，李春。叶轮进口参数对泵性能 影响的研究。水泵技术，2006，3：11-13.
图 1 为不同叶片厚度情况下的效率 - 流 量曲线，从图中变化可以看出，叶片厚度减 薄，对提高最高效率是有利的。叶片厚度变化 还引起高效区分布的变化，叶片厚度减薄，高 效区往大流量偏移，对提高大流量工况的效 率非常明显。
（注：图中的 h17t7 表示叶根最大厚度为 17mm，叶尖最大厚度为 7mm，其余意义相 同。）
成的特征，一方面通过删除尚未加工的某些 问题。采用基于三维特征模型的工序图反向
重构法，解决了工序图动态绘制过程中信息 共享问题。利用 Solid works 配置管理技术，自 动生成相关联的工序模型与工序图,通过程序 控制，工序图自动插入工艺卡片中。
在今后的研究中，还需要进一步完善识 别制造特征和几何拓扑的命名和辨识方法以 使工序图的生成模块与商业 CAD 系统更好 的结合。在实践中具有良好的应用前景。
2009.12CHINA EQUIP MENT 155
T ECHNOLOGY 科技纵横
扬程增大，轴功率也有所增大，装置的高效点 向大流量偏移，且有所增大。叶片厚度的变薄 后，叶片压力面的压力增加，使得叶轮扬程的 增加，而叶片吸力面的压力变化较小，略有增 加，改善了空化性能。
参考文献 [1]汤方平，周济人，鄢碧鹏。叶轮径向间 隙型式对轴流泵性能的影响。水泵技术， 1997,1:31-33. [2]朱红耕，鄢碧鹏，周济人。壁面粗糙度
零件加工工序图的自动生成是
地回退到任何一个特征节点位置, 即可以把 CAD/CAM/CAPP 集成中的关键技术，它的有
任何一个特征节点后面的所有特征暂时抑制 效实现需要建立在制造特征识别技术、特征
或者隐藏。此时，利用工程图的关联自动生成 参数化技术、信息共享技术、几何拓扑的命名
功能，便可生成该工序模型对应的工序图。 和辨识技术的有机结合的基础上。
2.4 工序模型与工序图自动生成技术
本文针对轴套类零件工序模型与工序图
CAPP 工序图自动生成的一个重要机理是自 的自动生成技术研究做了进一步研究，着重
后往前的反推法，即逆向重构法[4]。即：以三维 探讨了零件模型的建立和动态修改、面向加
零件模型为基础，根据工序在状态中已经形 工制造特征的二维工序图的自动生成等关键
形式上表现为模型特征树上的每一个特征，
对应一个工序模型。利用工序模型与特征节
点之间存在的对应关系, 可在特征节点中确
Biblioteka Baidu
定一些加工过程中的工序模型, 但并不是所
有的模型特征树上的特征节点都能找到相应
的工序模型，其原因是实际加工中的一个工
序, 在特征设计过程中往往是由几个特征组
结束语
合而成的[3]。因此,可以将当前的设计指针方便
T ECHNOLOGY 科技纵横
叶片厚度对轴流泵性能的影响
文／朱 亮
【摘 要】采用 R NGk- ε 紊流模型计 算了轴流泵装置内部的三维紊流流场。通过 计算表明，装置在相同的流量下，随着轴流泵 叶片厚度减薄，水泵的扬程和轴功率增加，最 高效率点向大流量偏移，且最高效率有所提 高；叶片压力面的压力增加，使叶轮扬程的增 加，而叶片吸力面的压力变化较小，略有增 加，使得叶轮空化性能有所改善，最后通过模 型试验验证了计算的结果。
156 2009.12CHINA EQUIP MENT
通过计算还发现叶片变薄后，叶片压力 面的压力增加，使叶轮的扬程增加，而叶片吸 力面的压力变化较小，略有增加，使得空化性 能有所改善。
2.试验对比 采用叶尖、叶根厚度分别为 5mm、12mm 的 zm50 叶轮，及叶尖、叶根厚度分别为 7mm、 17mm 的 zm50 叶轮做泵段试验。泵段试验在 江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水 力机械试验台上进行，试验台效率测试的综 合误差为 。由试验得出随着叶片变薄，叶轮扬 程、轴功率增加，叶轮高效点向大流量偏移，且 有所增加，和数值模拟的结果相符。 结论 紊流计算和模型试验表明，在相同的流 量下，随着轴流泵叶片厚度的变薄，轴流泵的
参考文献 [1]范孝良等. CAPP 系统中工序图的自动 绘制 [J]. 成组技术与生产自动化，1991，1： 35-38. [2]陈阳,刘海江.面向制造的特征建模[J]. 机械制造,2003,41（466）：15-17. [3]王恒,宁汝新.面向制造的特征设计和 工序图形的自动生成[J].北京理工大学学报, 2004, 24(5):395-398. [4]史建军,方秀清.CAD/CAPP 集成环境 下叶片泵类零件工序图的自动生成 [J]. 机械 制造与自动化. 2009, 38 ( 1) : 102～105. 作者简介：景海平，男，1963 年生，副教 授，硕士，毕业于太原理工大学，1985 年参加 工作，现任山西综合职业技术学院机械工程 学院院长，发表学术论文数篇。主要研究方 向：机械设计及理论。 （作者单位：山西综合职业技术学院）
[6]V. Michelassi, J.G. Wisssink, W. Rodi.
Direct numerical simulation, large eddy simulation and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations of periodic unsteady flow in a low-pressure turbine cascade：A comparison. Journal of Power and Energy, 200, 217（4）：403-412.
式中 p*-- 折算压力 vj-- 速度分量 ρ-- 流体密度 μeff -- 流体有效粘性系数，μeff =μ+μt μ-- 流体的动力粘性系数
紊动能 k 和紊动能耗散率 ε由下列半经 验方程（3）和方程（4）确定
式中
1.2 网格划分 本文采用商用 CFD 软件 CFX 对装置进 行数值分析，用 CFX 的几何造型模块 ICEM CFD 对装置的进出水管进行了建模和网格剖 分，用 Turbo-grid 几何造型模块分别对叶轮和 导叶进行建模和网格划分。剖分叶轮网格时， 考虑了叶顶间隙和进口导水锥。叶轮单边间 隙 为 0.2mm， 与 实 际 模 型 泵 中 的 间 隙 0.15~0.2mm 相当。进出、水管和弯管之间，出 水弯管与导叶之间采用 None 界面模型。叶轮 和导叶之间，叶轮和进水弯管之间的滑动界 面采用 Stage 界面模型。一种设计方案的网格 调整好以后，网格的划分格式即以配置文件 的方式保存。由于其它方案的叶片数不变，直 接调用配置文件即可快速生成计算网格。
1.3 计算结果 共计算了 5 组采用不同叶片厚度的轴流 泵装置如表 1 所示，装置中除叶轮的叶片厚 度不同外，其泵段模型（进水、出水、导叶）均 完全相同。
表 1 不同叶片厚度计算方案
计算时固壁采用速度无滑移条件，进口 指定总压和轴向进流，出口指定流量，每组方 案从大流量到小流量计算了多个工况点。
计算结果表明，叶片厚度变薄，引起扬程 流量曲线和轴功率流量曲线的向上偏移。叶 片厚度减小，相同流量下的扬程增加，轴功率 也增加。
【关键词】轴流泵 紊流 数值分析 叶片 厚度
前言 轴流泵是一种量大面广的水泵产品，在 大型调水工程、灌溉工程及城镇给排水工程 中应用广泛，也常被用作船舶和两栖车辆的 推进器。我国泵站总装机容量为 7000 多万千 瓦，其中轴流泵及导叶式混流泵占一半以上， 南水北调东线工程中的大型泵站绝大部分采 用轴流泵。因此，对其效率等性能指标进行深 入研究不仅具有理论意义，更具有实际应用 价值。 轴流泵的结构参数对泵的能量和汽蚀性 能的研究工作，经过多年的实践，积累了大量 的经验，对轴流水轮的设计提供了宝贵的技 术支持。如汤方平[1]研究了轴流泵转轮径向间 隙增大后，对水泵性能的影响。朱红耕[2]采用 全三维雷诺时 均 Navier-Stokes 方程和标准 k-ε湍流模型，数值模拟了包括叶轮、导叶、泵 壳和轮毂等过流部件壁面粗糙度对轴流泵水 力性能的影响。鄢碧鹏[3]研究叶片数对轴流泵 性能的影响。朱俊华[4]从理论上分析了轴流泵 叶轮叶片外缘液流角 对轴流泵性能的影响。 但是，在叶片厚度对轴流泵的性能影响 上缺乏必要地研究，所以有必要开展这方面 的工作，来完善上述工作，进一步完善轴流泵 的优化设计水平。 本文的目的在于深入研究轴流泵叶片厚 度和轴流泵性能的关系，研究水泵性能随轴 流叶片厚度的变化而变化的趋势，以提高轴 流泵的能量和汽蚀性能，从而节约电能和改 善泵的可靠性。 1.紊流数值分析 1.1 计算模型 采用 RNG 两方程紊流模型求解不可压 缩液体 RANS 方程。连续方程和动量方程为：