基于中軸變換的葉片泵軸面流道設計方法.pdf

1、軸面流道設計是整個泵水力設計的基礎和重要組成部分，本文對葉片泵軸面流道的設計進行了研究。首先簡要論述了離心泵軸面流道的設計思想、設計目標，首次從幾何描述體系這一新的角度對文獻中出現的眾多軸面流道設計方法加以歸納總結，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算的一個優(yōu)秀的軸面流道設計方法所應滿足的三個必要條件，并藉此提出本課題的研究內容。
　　首次提出基于中軸變換的軸面流道設計方法，實現以葉片泵為代表

2、的透平機械軸面流道反設計。基于中軸變換完成了軸面流道前后蓋板型線的統(tǒng)一數學描述，給出了相應的矢量表達式和標量表達式;藉此推導出圓弧假設下的過流面積的近似解析表達式和精確解析式，并基于泰勒展開對這兩種計算公式的一致程度加以分析，指出兩者的近似條件;通過對過流面積計算公式的研究，發(fā)現基于過流面積的軸面流道設計中只存在兩個獨立的變量，因而需要給出兩個獨立的方程，其中一個方程由期望的過流面積分布方程（目標方程）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式;基于流動分析，給出壓力平衡通道的約束表達式，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計體系。
　　提出了基于中軸變換的軸面流道統(tǒng)計方法，實現軸面流道全尺寸的統(tǒng)計。傳統(tǒng)的軸面流道形狀統(tǒng)計方法無法做到整個軸面流道全尺寸的統(tǒng)計，雖得以窺探軸面流道隨比轉速的大體變化規(guī)律，但其中變化的細節(jié)仍未可知。本文突破了傳統(tǒng)軸面流

4、道統(tǒng)計方法中只關注具體某幾個尺寸的思維限制，將前后蓋板型線的統(tǒng)計通過中軸變換轉換為等價變量的統(tǒng)計;通過一個泵型統(tǒng)計實例從統(tǒng)計樣本、統(tǒng)計方法、統(tǒng)計規(guī)律和基于泵型統(tǒng)計的軸面流道設計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)計方法進行了介紹。發(fā)現所統(tǒng)計的泵型中內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分布曲線呈現出明顯的分段特征，且每一段都可由直線或拋物線很好地擬合;因此通過對α和θ曲線各段擬合系數及間段點的統(tǒng)計，經

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

6、:1）在葉片安裝角設計得較為合理的情況下，在設計工況下軸面流道的一維流動假設即便對高比轉速混流泵也是適用的;2）葉片厚度在軸面流道設計中不應忽略，可通過引入葉片厚度引起的流道阻塞系數，對過流面積進行修正;3）對可壓縮氣體，可引入反映當地壓縮程度的系數對平均軸面速度進行修正;4）過流斷面的圓弧假設即便對高比轉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葉軸面流道一體化設計研究。以AP1000核主泵水力參數為例，介紹了

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