轴流式叶片的改进升力法设计与研究

　　0　前言

　　轴流式水力机械是应用最为广泛的水力机械之一,包括轴流式水泵、轴流式水轮机和轴流式风机等。轴流式水力机械的特点是流量大、扬程低,主要用于农田排灌、防洪排涝、城市给排水和跨流域调水工程以及开发低水头水力资源的电站中等。但我国总体上轴流式水力机械叶片水力模型的效率,从总体上比国外先进水平低1% ~3%,主要原因是对轴流泵内的真实流动现象研究不够深入,设计方法不够先进。为了加快轴流泵投入生产的进程、缩短研发的周期、减少实验的次数,提高轴流泵效率和市场竞争能力,近年来, CFD技术广泛地应用于轴流泵的水力设计中,使研究人员在不做模型试验的条件下,通过计算机数值模拟,精确地分析和了解泵的各通流部件的内部流动状态,得出其内部流场的分布规律,对泵过流部件的几何尺寸和形状进行优化,全面提高轴流泵的性能和设计水平。

　　本文在对传统的升力法设计方法进行分析的基础上,指出了这种方法没有考虑轮缘和轮毂处边界层以及轮缘间隙流动等的影响,从而在传统的升力法模型中引入一修正系数,得到了改进的升力法设计模型,并利用传统升力法和改进升力法分别对一轴流泵叶轮进行了水力设计和流动数值模拟,结果证明改进升力法明显地改善了叶轮内部流动和提高了轴流泵的水力效率等。

　　1　水力设计

　　1·1　传统升力法

　　轴流式水力机械的叶片是轴流式水力机械的关键部件,其叶片的水力设计常用的方法有升力法和奇点分布法等。升力法就是应用机翼翼型的绕流特性并依据实验数据进行适当修正的叶片设计法,这是最早用来设计轴流式叶片的设计方法,目前仍广泛应用,这就是所谓的传统升力法。目前,为了适应轴流式水力机械内部实际的水流流态,可以根据具体的设计要求合理地选择叶片出口环量分布规律,在转轮(叶轮)叶片径向方向按不等功来进行叶片的设计。但该设计方法还需要进一步积累和完善设计经验。

　　以上方法没有考虑以下情况:①、叶片端部靠近外壳和轮毂等区域的流动情况;②、静止外壳壁面上的环状边界层与转动叶片表面上的边界层以及叶片端部和外壳之间的间隙流动等的相互干涉;③、叶片之间的二次流;④、流动分离等复杂的非定常流动,包括产生的马蹄形涡、泄露涡以及尾涡等各种旋涡对流动的影响。因此造成现有轴流泵水力模型效率偏低,水力损失很大。

　　1·2　一种改进的升力法

　　改进的升力法充分考虑到叶片端部靠近外壳和轮毂等区域的流动情况以及静止外壳壁面上的环状边界层与转动叶片表面上的边界层、叶片端部和外壳之间的间隙流动等的相互干涉、叶片之间的二次流、流动分离等对轴流式水力机械叶片的影响,建立的设计模型能有效地控制外壳和轮毂表面上的环状边界层的发展及叶片负压面上边界层的分离,同时能减少叶片端部载荷,降低间隙流动的影响,使叶片的形状更好地与实际流动相符,以提高轴流式水力机械的效率。