一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法与流程

1.本发明属于节能减排与微型水力发电技术领域，尤其涉及一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法。


背景技术：

2.在石油化工行业、海水淡化、城市供水管网等工业流程中存在大量的余压能，这些余压能通常是通过孔板或减压阀直接减压，能量被白白浪费掉了，用能量回收装置代替减压装置可避免余压能的浪费。离心泵作透平(简称泵作透平或液力透平)是一种技术和经济上有效的能量回收方式，与传统的水轮机相比，泵作透平具有结构简单，造价便宜、运行维护方便、经济性高等优点。在偏远农村地区使用泵作透平技术发电不仅经济上可行，而且可以有效改善当地人民的生活品质。
3.由于原型离心泵直接反转作透平后性能不能准确预知，并且泵作透平的效率普遍不高于泵工况的效率，此外，在实际运行中泵作透平常存在噪声和振动的问题，影响机组的安全稳定运行，基于系统高可靠性的要求，企业通常不愿在工业流程中加装能量回收装置。上述因素都客观上限制了液力透平节能技术在工业余压能回收中的推广应用。目前有申请者开发了专门适用于泵反转运行的一种透平专用叶轮，不仅显著提升了液力透平的运行效率，并且解决了透平运行高效点预测不准的问题。但因为水流在圆周方向是非对称的流入叶轮，导致即使是在设计工况，叶轮内部仍然会出现轴向漩涡、二次流等非理想流动，在叶轮流道中形成不同形式的漩涡运动，造成流体的不稳定流动进而增加了流体的能量损失，因此要想进一步提高液力透平的效率和运行稳定性，必须对透平专用叶轮内部不稳定流动进行改善。
4.因此，亟需一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法来解决以上问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法，在主叶片间设置分流叶片，确定合理的分流叶片的长度、偏置角、进口掠角、出口速度矩和分流叶片安放角变化规律来提高透平的性能。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法，包括以下步骤：
7.步骤一：确定主叶片的进口安放角，相邻的主叶片之间形成流道，分流叶片的进口与所述主叶片进口安放角一致；
8.步骤二：确定分流叶片的长度和偏置角；
9.步骤三：确定分流叶片出口的安放角；分别计算出口速度矩为正、零和负时的透平的效率，进而确定分流叶片出口的安放角；
10.步骤四：确定分流叶片的进口掠角；分别计算当进口掠角为正、零和负时的透平的效率，进而确定进口掠角；
11.步骤五：连接分流叶片进口与出口，使分流叶片进口到出口的表面光滑连续。
12.优选的，步骤三中，所述分流叶片的出口速度矩为负，且分流叶片的出口速度矩为进口速度矩的-1％
‑‑
4％，此时出口速度三角形中出口绝对速度有与叶轮旋转方向相反的圆周分速度，可以得到分流叶片出口处的液流角度计算公式为：
[0013][0014]
其中，
[0015][0016]
将式代入式，得到分流叶片出口液流角计算公式为：
[0017][0018]
式中，β2为分流叶片出口液流角；qr为设计工况点的计算流量；a2为考虑添加分流叶片后，分流叶片出水边所在的圆周上的实际轴面液流过水断面面积；u2为分流叶片出口边处液体的圆周速度；v
m2
为分流叶片出口处绝对速度在轴面方向的分速度。
[0019]
优选的，步骤三中，分流叶片出口安放角计算公式为：
[0020]
β
b2
＝β2ꢀꢀ
(4)
[0021]
式中，β
b2
分流叶片出口安放角。
[0022]
优选的，公式中的
[0023][0024]
其中，d2为分流叶片出水边所在的直径，与分流叶片的长度有关；n为叶轮的旋转速度。
[0025]
优选的，所述分流叶片的进口掠角为负，其取值为-2
°‑‑6°
。
[0026]
优选的，所述分流叶片的进口厚度大于出口厚度，分流叶片表面光滑。
[0027]
优选的，所述主叶片的长度为l，所述分流叶片的长度为0.5l-0.8l。
[0028]
优选的，相邻的主叶片的夹角为θ，分流叶片的偏置角为0.4θ-0.6θ。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明公开了一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法，在主叶片间设置分流叶片，并通过计算确定分流叶片的长度、偏置角、进口掠角、出口速度矩和分流叶片安放角变化规律来提高透平的性能。本技术在不增加叶片进口阻塞的情况下，增加了有效叶片数，使流体沿叶轮流道流动更加均匀，减小了叶轮流道内部因高速旋转导致的流动分离和二次流，改善叶轮内部流场分布，减小叶轮内部漩涡的区域和强度，提高液力透平能量回收的效率和运行稳定性，提高了透平的水力效率，并拓宽了高效区范围。
附图说明
[0030]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0031]
图1为本发明液力透平叶轮分流叶片的设计方法流程图；
[0032]
图2为本发明分流叶片的长度示意图；
[0033]
图3为本发明分流叶片的偏置角示意图；
[0034]
图4为本发明分流叶片进口掠角示意图；
[0035]
图5为本发明分流叶片进出口之间的变化规律；
[0036]
图6为本发明与现有叶轮的内部流场对比图；
[0037]
图7为本发明与常规叶轮的两透平运行外特性曲线图；
[0038]
图8为本发明分流叶片出口速度三角形；
[0039]
图中：1、主叶片；2、分流叶片。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0042]
参照图1-8所示，本实施例提供一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法，包括以下步骤：
[0043]
步骤一：确定主叶片1的进口安放角，相邻的主叶片1之间形成流道，分流叶片2的进口与主叶片1进口安放角一致；
[0044]
步骤二：确定分流叶片2的长度和偏置角；
[0045]
步骤三：确定分流叶片2出口的安放角；分别计算出口速度矩为正、零和负时的透平的效率，进而确定分流叶片2出口的安放角；
[0046]
步骤四：确定分流叶片2的进口掠角；分别计算当进口掠角为正、零和负时的透平的效率，进而确定进口掠角；
[0047]
步骤五：连接分流叶片2进口与出口，使分流叶片2进口到出口的表面光滑连续。
[0048]
本发明公开了一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法，在主叶片1间设置分流叶片2，确定合理的分流叶片2的长度、偏置角、进口掠角、出口速度矩和分流叶片2安放角变化规律来提高透平的性能。本技术在不增加叶片进口阻塞的情况下，增加了有效叶片数，使流体沿叶轮流道流动更加均匀，减小了叶轮流道内部因高速旋转导致的流动分离和二次流，改善叶轮内部流场分布，减小叶轮内部漩涡的区域和强度，提高液力透平能量回收的效率和运行稳定性，提高了透平的水力效率，并拓宽了高效区范围。
[0049]
进一步优化方案，分流叶片2的出口速度矩为负，且分流叶片2的出口速度矩为进口速度矩的-1％
‑‑
4％，此时出口速度三角形中出口绝对速度有与叶轮旋转方向相反的圆周分速度，可以得到分流叶片2出口处的液流角度计算公式为：
[0050][0051]
其中，
[0052][0053]
将式(2)代入式(1)，得到分流叶片2出口液流角计算公式为：
[0054][0055]
式中，β2为分流叶片2出口液流角；qr为设计工况点的计算流量；a2为考虑添加分流叶片2后，分流叶片2出水边所在的圆周上的实际轴面液流过水断面面积；u2为分流叶片2出口边处液体的圆周速度；v
m2
为分流叶片2出口处绝对速度在轴面方向的分速度。通过在多种不同比转速泵作透平的验证，发现出口负速度矩有利于提高效率和运行稳定性，根据附图8的出口速度三角形，例如当分流叶片2出口速度矩按叶片进口速度矩的-1％规律分布时，即v
u2
r2＝-0.01v
u1
r1，其中进口速度矩v
u1
r1通过已公开的技术可以通过蜗壳的几何参数求得，这样可以得到分流叶片2出口处绝对速度在圆周方向的分速度的大小，为：
[0056]vu2
＝-0.01v
u1
r1/(d2/2)。
ꢀꢀ
(5)
[0057]
将式(5)带入式(3)，得到分流叶片2出口液流角计算公式为：
[0058][0059]
优选的，步骤三中，分流叶片2出口安放角计算公式为：
[0060]
β
b2
＝β2ꢀꢀ
(4)
[0061]
式中，β
b2
分流叶片出口安放角。假定液体出口相对运动流线方向与分流叶片出口骨线方向一致，分流叶片的出口安放角β
b2
与出口相对液流角β2相等，即不考虑液体在透平叶轮的相对滑移，取β
b2
＝β2。
[0062]
进一步优化方案，公式2中的
[0063][0064]
其中，d2为分流叶片出水边所在的直径，与分流叶片的长度有关；n为叶轮的旋转速度。
[0065]
进一步优化方案，所述分流叶片2的进口掠角为负，其取值为-2
°‑‑6°
。
[0066]
进一步优化方案，所述分流叶片2的进口厚度大于出口厚度，分流叶片2表面光滑。分流叶片2的进口厚度大于出口厚度是根据强度考虑的，叶轮进口高压，故进口厚度厚。叶片厚度按照线性规律变化；分流叶片2从进口到出口光滑设置，减少流体内紊流和流道内漩涡运动的产生，可降低分流叶片2对流体的阻力，提高流体运行的稳定性，提高叶轮的透平功率。
[0067]
进一步的，分流叶片2的安放角变化规律可以是呈线性规律变化、三次多项式规律变化或者五次多项式规律变化。不同的规律决定了叶片中间不同的弯曲形状。在叶片包角相同的情况下，线性规律最好，如图5中a所示生成的叶片。
[0068]
进一步优化方案，所述主叶片1的长度为l，所述分流叶片2的长度为0.5l-0.8l。
[0069]
进一步优化方案，相邻的主叶片1的夹角为θ，分流叶片2的偏置角为0.4θ-0.6θ。θ是相邻两个主叶片1之间的夹角，是依据主叶片1数来确定的，主叶片1数量为z，则θ的值等
于360/z；分流叶片2偏置度反映了分流叶片2相对主叶片1的位置，0.5θ表示分流叶片2位于两主叶片1中间，0.4θ表示分流叶片2位置靠近吸力面，0.6θ表示分流叶片2位置靠近压力面。
[0070]
根据附图6-7中常规透平叶轮与本技术的运行外特性曲线对比所示，添加本技术的分流叶片2之后，在相同流量下，透平所需的水头有所降低，从高效点到大流量工况，透平的运行效率都得到明显提升。
[0071]
进一步的，附图4中，a代表进口掠角为负，b代表进口掠角为0，c代表进口掠角为正。
[0072]
进一步的，附图5中，a代表线性变化的曲线，b代表三次多项式变化的曲线，c代表五次多项式变化的曲线。
[0073]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0074]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定主叶片(1)的进口安放角，相邻的主叶片(1)之间形成流道，分流叶片(2)的进口与所述主叶片(1)进口安放角一致；步骤二：确定分流叶片(2)的长度和偏置角；步骤三：确定分流叶片(2)出口的安放角；分别计算出口速度矩为正、零和负时的透平的效率，进而确定分流叶片(2)出口的安放角；步骤四：确定分流叶片(2)的进口掠角；分别计算当进口掠角为正、零和负时的透平的效率，进而确定进口掠角；步骤五：连接分流叶片(2)进口与出口，使分流叶片(2)进口到出口的表面光滑连续。2.根据权利要求1所述的液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于：步骤三中所述分流叶片(2)的出口速度矩为负，且分流叶片(2)的出口速度矩为进口速度矩的-1％
‑‑
4％，此时出口速度三角形中出口绝对速度有与叶轮旋转方向相反的圆周分速度，可以得到分流叶片出口处的液流角度计算公式为：其中，将(2)式代入(1)式，得到分流叶片出口液流角计算公式为：式中，β2为分流叶片(2)出口液流角；q
r
为设计工况点的计算流量；a2为考虑添加分流叶片(2)后，分流叶片(2)出水边所在的圆周上的实际轴面液流过水断面面积；u2为分流叶片(2)出口边处液体的圆周速度；v
m2
为分流叶片出口处绝对速度在轴面方向的分速度。3.根据权利要求2所述的液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于：步骤三中，分流叶片(2)出口安放角计算公式为：β
b2
＝β2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，β
b2
分流叶片(2)出口安放角。4.根据权利要求2所述的液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于：公式(2)中的其中，d2为分流叶片(2)出水边所在的直径，与分流叶片(2)的长度有关；n为叶轮的旋转速度。5.根据权利要求1所述的液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于：所述分流叶片(2)的进口掠角为负，其取值为-2
°‑‑6°
。6.根据权利要求1所述的液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于：所述分流叶片(2)的进口厚度大于出口厚度，分流叶片(2)表面光滑。
7.根据权利要求1所述的液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于：所述主叶片(1)的长度为l，所述分流叶片(2)的长度为0.5l-0.8l。8.根据权利要求1所述的液力透平叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于：相邻的主叶片(1)的夹角为θ，分流叶片(2)的偏置角为0.4θ-0.6θ。

技术总结
本发明公开一种液力透平叶轮分流叶片的设计方法，包括步骤一：确定主叶片的进口安放角，相邻的主叶片之间形成流道，分流叶片的进口与所述主叶片进口安放角一致；步骤二：确定分流叶片的长度和偏置角；步骤三：确定分流叶片出口的安放角；步骤四：确定分流叶片的进口掠角；步骤五：连接分流进液进口和出口，使分流叶片进口到出口的表面光滑连续。本申请在不增加叶片进口阻塞的情况下，增加了有效叶片数，使流体沿叶轮流道流动更加均匀，减小了叶轮流道内部因高速旋转导致的流动分离和二次流，改善叶轮内部流场分布，减小叶轮内部漩涡的区域和强度，提高液力透平能量回收的效率和运行稳定性，提高了透平的水力效率，并拓宽了高效区范围。范围。范围。


技术研发人员：王桃 余河 魏启能
受保护的技术使用者：成都博骏嘉能精密机械有限责任公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/20