淺析三元設(shè)計(jì)法在緊湊型水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：水泵設(shè)計(jì)與應(yīng)用要充分運(yùn)用創(chuàng)新技術(shù)和成熟技術(shù)，以提升水泵的整體質(zhì)量。我國(guó)國(guó)內(nèi)的水泵設(shè)計(jì)組裝技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，缺乏足夠競(jìng)爭(zhēng)力，水泵核心技術(shù)有所欠缺。本次研究將充分運(yùn)用三元設(shè)計(jì)法，圍繞緊湊型水泵設(shè)計(jì)展開(kāi)，以期獲取理想的研究效果。

關(guān)鍵詞：三元設(shè)計(jì)；緊湊型水泵；葉輪

引言

隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，緊湊型水泵設(shè)計(jì)優(yōu)化水平持續(xù)提升。在實(shí)際應(yīng)用中，泵的三元設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)相結(jié)合方式已經(jīng)取得一定成果，有效提升了緊湊型水泵設(shè)計(jì)的效果。利用三元設(shè)計(jì)理論，水泵在尺寸和重量方面得到有效控制，進(jìn)而確保緊湊型水泵能夠滿足于實(shí)用要求，同時(shí)相應(yīng)的制造成本也得到有效控制。總體來(lái)看，三元設(shè)計(jì)技術(shù)在水泵機(jī)械性能分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面均得到更為廣泛的應(yīng)用。

本次研究主要探索的問(wèn)題是在不考慮粘性反問(wèn)題計(jì)算等相關(guān)情況基礎(chǔ)上，運(yùn)用三元設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)高性能緊湊型水泵設(shè)計(jì)。研究過(guò)程中以高比轉(zhuǎn)數(shù)泵作為研究對(duì)象，采取必要計(jì)算，分析該泵內(nèi)部流動(dòng)性能，利用試驗(yàn)方式驗(yàn)證計(jì)算模型的實(shí)效性。在查找和發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題后，研究將嘗試采用軸流式水泵外形結(jié)構(gòu)對(duì)案例水泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。就研究實(shí)際效果而言，本次研究兼具理論和實(shí)際雙重意義，研究成果具有一定可借鑒價(jià)值。

1 三元流理論

三元流動(dòng)含義是指在實(shí)際的流動(dòng)當(dāng)中，所有流動(dòng)參數(shù)都是空間坐標(biāo)系上三方向變量的函數(shù)。這一理論將難以求解的三元流動(dòng)分解成為兩組相交的相對(duì)流面上較簡(jiǎn)單的二元流動(dòng)，進(jìn)而使設(shè)計(jì)者能夠更加快捷準(zhǔn)確獲取到三元流場(chǎng)近似解，同時(shí)使用兩組流面進(jìn)行計(jì)算，則可以得到三元流動(dòng)的完整解。采用三元流動(dòng)理論能夠設(shè)計(jì)出性能更高、組裝空間更加合理的三元葉輪，進(jìn)而更好地適應(yīng)氣流參數(shù)，滿足于大流量、高壓力、高效率等實(shí)際要求。

2 水泵三元設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

實(shí)際研究當(dāng)中，第一步應(yīng)利用二元方法，對(duì)泵流量及軸面形態(tài)等在相應(yīng)轉(zhuǎn)速軸面速度分布情況下進(jìn)行估算，使設(shè)計(jì)人員有效掌握到初始葉片的基本形狀；第二步則是進(jìn)行假設(shè)，假設(shè)水泵內(nèi)部流動(dòng)處于無(wú)粘性和不壓縮流動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)將不會(huì)直接考慮葉片厚度，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的假設(shè)后，研究將采用單一渦片代表葉片在已經(jīng)確定的初始葉片及軸面流場(chǎng)分布基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)葉片表面渦分布計(jì)算，達(dá)到對(duì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)三維速度分布的有效優(yōu)化計(jì)算；第三步則是將水泵三維流動(dòng)分解為周向平均流動(dòng)和脈動(dòng)流動(dòng)，周向平均流動(dòng)方程則通過(guò)Euler方程直接求出平均值。周向脈動(dòng)流動(dòng)方程則通過(guò)Clebsch變換有效建立方程。

水泵內(nèi)部整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng)性通過(guò)對(duì)周向平均流動(dòng)二維泊松方程和周向脈動(dòng)三維泊松方程求解，這一計(jì)算方式更加簡(jiǎn)單高效，只需要計(jì)算時(shí)取有效項(xiàng)即可達(dá)到預(yù)期效果。

模型構(gòu)建的關(guān)鍵是要采用有限差分法和坐標(biāo)系，進(jìn)一步求得水泵流場(chǎng)速度分布的實(shí)際數(shù)據(jù)，還要通過(guò)壁面邊界情況求得合理的葉片形狀?？傮w來(lái)看，本次研究屬于循環(huán)計(jì)算形態(tài)，通過(guò)不間斷計(jì)算分析最終確保前后兩次葉片形狀誤差處于標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

3 緊湊型水泵的水力設(shè)計(jì)

常見(jiàn)水泵類型有離心泵、軸流泵、混流泵等。一般情況下對(duì)不同類型泵劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)是比轉(zhuǎn)速。比轉(zhuǎn)速ns為500是混流泵與軸流泵的分界點(diǎn)。比轉(zhuǎn)數(shù)介于300至500之間則屬于混流泵，高于500則是軸流泵。上述標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)，從應(yīng)用效果來(lái)看，軸流泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、組裝操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，據(jù)此本研究將對(duì)ns為450的軸流式結(jié)構(gòu)水泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，在壓縮水泵尺寸情況下，實(shí)現(xiàn)水泵性能的提升。

3.1 軸面形狀設(shè)計(jì)

實(shí)踐證明，水泵的軸面形狀對(duì)水泵的實(shí)際過(guò)流效果、效率等都有影響。為了能夠切實(shí)突出研究的整體性、科學(xué)性，本次研究將采用五點(diǎn)四次Bezier曲線繪制葉輪和導(dǎo)葉的軸面輪廓曲線。這一選擇能夠使水泵軸面流線光滑度得到保證，同時(shí)還能夠通過(guò)控制點(diǎn)位置優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸面輪廓曲線的修正、修改。如圖1所示，新設(shè)計(jì)出的緊湊型水泵尺寸小于之前的混流泵，水泵直徑壓縮比例為近40%，可見(jiàn)采用三元設(shè)計(jì)的實(shí)效性非常突出。

3.2 葉片負(fù)載分布規(guī)律分析

葉片正面與背面的實(shí)際壓力差與速度矩在軸面流線上的偏導(dǎo)數(shù)密切關(guān)聯(lián)，給定的沿流線分布規(guī)律即為載荷分布規(guī)律。而合理確定沿流線分布規(guī)律也成為緊湊型水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在?，F(xiàn)有研究中對(duì)葉輪負(fù)載分布進(jìn)行了細(xì)化科學(xué)研究，文章采用了葉生海研究中所推薦的葉片負(fù)載分布方式，該類負(fù)載分布方式能夠確保葉輪葉片吸力面壓力預(yù)先增加，而后在一定弦長(zhǎng)處開(kāi)始穩(wěn)定，最后則在根部位置緩慢減小，這種設(shè)計(jì)有助于提升葉輪的實(shí)際工作效率，同時(shí)可以進(jìn)一步降低能耗。

3.3 實(shí)現(xiàn)緊湊型水泵設(shè)計(jì)

在葉片輪轂、外殼截面負(fù)載分布情況確定后，進(jìn)而求得軸面壓力數(shù)據(jù)，應(yīng)用三元設(shè)計(jì)法進(jìn)一步繪制出水泵葉片中心面的形狀。在確定中心面性質(zhì)基礎(chǔ)上，采用流體動(dòng)力性較好的NACA系列翼型厚度分布規(guī)律對(duì)葉片進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片導(dǎo)邊和隨邊的修正，使葉片質(zhì)量得到保證，穩(wěn)步提升水泵運(yùn)行效率。

3.4 緊湊型水泵設(shè)計(jì)效果分析

運(yùn)用三元理論和方法實(shí)現(xiàn)緊湊型水泵設(shè)計(jì)后，可見(jiàn)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)后的緊湊型水泵具有幾方面優(yōu)勢(shì)：其一是結(jié)構(gòu)更為緊湊，質(zhì)量更輕。傳統(tǒng)混流式水泵軸面流道沿著徑向延伸并逐漸過(guò)渡流向噴口，這種設(shè)計(jì)方式使得水泵過(guò)流通道效率要低于軸流式，同時(shí)也使得混流式水泵的徑向尺寸較軸流式要大。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，緊湊型水泵最大直徑比傳統(tǒng)混流式水泵減小近40%，尺寸縮小，相應(yīng)的重量也就下降了，有利于水泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。其二是水泵性能得以提升。采用三元設(shè)計(jì)法進(jìn)行水泵葉片設(shè)計(jì)，能夠使水泵性能得到提升。通過(guò)計(jì)算可以得知緊湊型水泵運(yùn)行效率要高于傳統(tǒng)水泵近3%。同時(shí)由于新型水泵的葉片面積大，因此葉輪徑向尺寸就能夠得到更好控制，使得軸流式水泵的抗空化性能得到提升，同時(shí)徑向尺寸變小，使得水泵葉稍空化機(jī)率下降，確保水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

三元設(shè)計(jì)法有助于提升水泵設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步調(diào)整水泵結(jié)構(gòu)，確保水泵工作效率的前提條件下，壓縮空間，使水泵經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)。總體來(lái)看，三元設(shè)計(jì)法在緊湊型水泵設(shè)計(jì)中具有實(shí)用性。

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