基于中軸變換的葉片泵軸面流道設(shè)計(jì)方法.pdf

1、軸面流道設(shè)計(jì)是整個泵水力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和重要組成部分，本文對葉片泵軸面流道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。首先簡要論述了離心泵軸面流道的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)目標(biāo)，首次從幾何描述體系這一新的角度對文獻(xiàn)中出現(xiàn)的眾多軸面流道設(shè)計(jì)方法加以歸納總結(jié)，最終把幾何問題還原為流動問題并評價不同幾何方法的優(yōu)劣;提出基于過流面積計(jì)算的一個優(yōu)秀的軸面流道設(shè)計(jì)方法所應(yīng)滿足的三個必要條件，并藉此提出本課題的研究內(nèi)容。
　　首次提出基于中軸變換的軸面流道設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)以葉片泵為代表

2、的透平機(jī)械軸面流道反設(shè)計(jì)。基于中軸變換完成了軸面流道前后蓋板型線的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述，給出了相應(yīng)的矢量表達(dá)式和標(biāo)量表達(dá)式;藉此推導(dǎo)出圓弧假設(shè)下的過流面積的近似解析表達(dá)式和精確解析式，并基于泰勒展開對這兩種計(jì)算公式的一致程度加以分析，指出兩者的近似條件;通過對過流面積計(jì)算公式的研究，發(fā)現(xiàn)基于過流面積的軸面流道設(shè)計(jì)中只存在兩個獨(dú)立的變量，因而需要給出兩個獨(dú)立的方程，其中一個方程由期望的過流面積分布方程（目標(biāo)方程）給出，而另一方程則由約束方程給出;

3、為方便施加基于幾何或流動的約束，推導(dǎo)出軸面型線的曲率方程，分別給出曲率形式和笛卡爾形式的幾何約束表達(dá)式;基于流動分析，給出壓力平衡通道的約束表達(dá)式，并建立了約束的普遍形式;從而建立了基于中軸變換的軸面流道的設(shè)計(jì)體系。
　　提出了基于中軸變換的軸面流道統(tǒng)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)軸面流道全尺寸的統(tǒng)計(jì)。傳統(tǒng)的軸面流道形狀統(tǒng)計(jì)方法無法做到整個軸面流道全尺寸的統(tǒng)計(jì)，雖得以窺探軸面流道隨比轉(zhuǎn)速的大體變化規(guī)律，但其中變化的細(xì)節(jié)仍未可知。本文突破了傳統(tǒng)軸面流

4、道統(tǒng)計(jì)方法中只關(guān)注具體某幾個尺寸的思維限制，將前后蓋板型線的統(tǒng)計(jì)通過中軸變換轉(zhuǎn)換為等價變量的統(tǒng)計(jì);通過一個泵型統(tǒng)計(jì)實(shí)例從統(tǒng)計(jì)樣本、統(tǒng)計(jì)方法、統(tǒng)計(jì)規(guī)律和基于泵型統(tǒng)計(jì)的軸面流道設(shè)計(jì)這四個方面對首次由作者提出的基于中軸變換的軸面流道統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了介紹。發(fā)現(xiàn)所統(tǒng)計(jì)的泵型中內(nèi)切圓圓心軌跡和半徑都是光滑的曲線，沒有明顯特征，但α和θ分布曲線呈現(xiàn)出明顯的分段特征，且每一段都可由直線或拋物線很好地?cái)M合;因此通過對α和θ曲線各段擬合系數(shù)及間段點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，經(jīng)

5、反變換完成對前后蓋板型線全尺寸的統(tǒng)計(jì);在統(tǒng)計(jì)中采用了無量綱處理技術(shù)和平均化技術(shù)，以減小樣本的選擇帶來的統(tǒng)計(jì)誤差。
　　研究了基于過流斷面的軸面流道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。基于過流斷面的軸面流道設(shè)計(jì)是在一系列假設(shè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，首次通過平均軸面速度的設(shè)計(jì)分布與CFD計(jì)算分布的對比開展設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的研究;從不同方面對比了平均軸面速度的期望分布、設(shè)計(jì)分布、經(jīng)厚度修正的設(shè)計(jì)分布、經(jīng)面積平均的計(jì)算分布、經(jīng)流量平均的計(jì)算分布，分析了這些假設(shè)的適用情況，發(fā)現(xiàn)

6、:1）在葉片安裝角設(shè)計(jì)得較為合理的情況下，在設(shè)計(jì)工況下軸面流道的一維流動假設(shè)即便對高比轉(zhuǎn)速混流泵也是適用的;2）葉片厚度在軸面流道設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽略，可通過引入葉片厚度引起的流道阻塞系數(shù)，對過流面積進(jìn)行修正;3）對可壓縮氣體，可引入反映當(dāng)?shù)貕嚎s程度的系數(shù)對平均軸面速度進(jìn)行修正;4）過流斷面的圓弧假設(shè)即便對高比轉(zhuǎn)速混流泵也是適用的。
　　開展了基于中軸變換的核主泵葉輪和導(dǎo)葉軸面流道一體化設(shè)計(jì)研究。以AP1000核主泵水力參數(shù)為例，介紹了

7、基于中軸變換的核主泵葉輪和導(dǎo)葉軸面流道一體化設(shè)計(jì)流程，分別開展了不考慮葉片厚度的軸面流道設(shè)計(jì)和考慮葉片厚度的軸面流道設(shè)計(jì)，表明:1）不考慮葉片厚度的設(shè)計(jì)，軸面速度CFD計(jì)算分布在葉輪和導(dǎo)葉葉片進(jìn)出口邊存在較大的速度突變;2）考慮葉片厚度的設(shè)計(jì)，能很好抑制葉輪和導(dǎo)葉葉片進(jìn)出口邊的軸面速度突變;3)軸面速度在葉片進(jìn)出口邊的突變對水力效率影響不顯著;4）通過CFD計(jì)算分布與設(shè)計(jì)分布的對比，可定量評判葉片安裝角設(shè)計(jì)的合理程度;5）本文提出的基于