Chap2-蝸殼的流體動力學數(shù)字化設計

1、第第2章章 蝸殼的流體動力學數(shù)字化設計蝸殼的流體動力學數(shù)字化設計主要內(nèi)容主要內(nèi)容蝸殼的作用與分類水輪機蝸殼流道的數(shù)字化設計離心泵蝸殼流道的數(shù)字化設計2.1 蝸殼的作用與分類蝸殼的作用與分類 大中型水輪機大中型水輪機：圓和橢圓斷面的金屬蝸殼、梯形斷面的混：圓和橢圓斷面的金屬蝸殼、梯形斷面的混凝土蝸殼兩種類型。凝土蝸殼兩種類型。p 作用：作用：保證流體在導水機構(gòu)前形成一定的環(huán)量，流體能軸保證流體在導水機構(gòu)前形成一定的環(huán)量，流體能軸對稱進入導水機構(gòu)，流量沿導水機構(gòu)圓周均勻分配。對稱進入導水機構(gòu)，流量沿導水機構(gòu)圓周均勻分配。 離心泵：離心泵：梯形與圓弧組合成的梯形斷面蝸殼。梯形與圓弧組合成的梯形斷面蝸

2、殼。p 作為擴壓元件：作為擴壓元件：1）保證流體在壓出室流動是軸對稱，以）保證流體在壓出室流動是軸對稱，以保證流體葉輪內(nèi)形成穩(wěn)定的相對運動。保證流體葉輪內(nèi)形成穩(wěn)定的相對運動。2）必須將流出葉）必須將流出葉輪的高速流體收集起來，并將其動能轉(zhuǎn)換為壓力能。輪的高速流體收集起來，并將其動能轉(zhuǎn)換為壓力能。3）消除葉輪速度環(huán)量作用。消除葉輪速度環(huán)量作用。2.2 水輪機蝸殼流道的數(shù)字化設計水輪機蝸殼流道的數(shù)字化設計2.2.1 水輪機蝸殼的流體動力學設計理論水輪機蝸殼的流體動力學設計理論 根據(jù)水電站水頭高低選擇蝸殼根據(jù)水電站水頭高低選擇蝸殼 H 40m 金屬蝸殼金屬蝸殼 H 40m 金屬蝸殼或混凝土蝸殼金屬蝸

3、殼或混凝土蝸殼 根據(jù)水輪機形式選擇蝸殼根據(jù)水輪機形式選擇蝸殼 徑流式和混流式徑流式和混流式 圓形或者橢圓形蝸殼圓形或者橢圓形蝸殼 軸流式軸流式 梯形斷面混凝土蝸殼梯形斷面混凝土蝸殼蝸殼的三種設計方法：蝸殼的三種設計方法： 切向速度矩為常數(shù)的設計方法；（切向速度矩為常數(shù)的設計方法；（常采用常采用） 切向速度為常數(shù)的設計方法；切向速度為常數(shù)的設計方法； 切向速度沿蝸殼斷面遞減設計方法。切向速度沿蝸殼斷面遞減設計方法。水輪機蝸殼流體動力學數(shù)字化設計的主要任務水輪機蝸殼流體動力學數(shù)字化設計的主要任務 根據(jù)水輪機設計參數(shù)選定根據(jù)水輪機設計參數(shù)選定蝸殼型式、包角及進口蝸殼型式、包角及進口斷面流速斷面流速，

4、在給定的設計水頭、設計流量、導水，在給定的設計水頭、設計流量、導水機構(gòu)高度及座環(huán)尺寸條件下，機構(gòu)高度及座環(huán)尺寸條件下，確定蝸殼各斷面的確定蝸殼各斷面的形狀和尺寸，以數(shù)字化定義蝸殼流道的過流表面形狀和尺寸，以數(shù)字化定義蝸殼流道的過流表面曲面。曲面。在實際工程中，通常要求設計給出在實際工程中，通常要求設計給出單線圖單線圖（軸面（軸面截線）來表示蝸殼過流表面的空間形狀。截線）來表示蝸殼過流表面的空間形狀。 2.3.2 2.3.2 水輪機蝸殼流道的數(shù)字化設計模型水輪機蝸殼流道的數(shù)字化設計模型具體定義見教材具體定義見教材p51p 以水輪機金屬蝸殼設計為例，假定流體均勻進入水輪機，以水輪機金屬蝸殼設計為例

5、，假定流體均勻進入水輪機，蝸殼某斷面的流量定義為從蝸殼鼻端開始逆時針方向測得蝸殼某斷面的流量定義為從蝸殼鼻端開始逆時針方向測得角度為的函數(shù)來描述。角度為的函數(shù)來描述。p 斷面設計法數(shù)學模型：斷面設計法數(shù)學模型：（1）蝸殼常數(shù)）蝸殼常數(shù)C的確定的確定 (式式2.3)（2） 圓形斷面尺寸的確定圓形斷面尺寸的確定 (式式2.46)（3）橢圓形斷面尺寸的確定）橢圓形斷面尺寸的確定 (式式2.7)（4）計算蝸殼臨界幅角）計算蝸殼臨界幅角 (式式2.8)2.3.3 水輪機蝸殼流道的數(shù)字化設計軟件開發(fā)水輪機蝸殼流道的數(shù)字化設計軟件開發(fā)教材教材P53 圖圖2-3開始開始水輪機基本工作參數(shù)，蝸殼參數(shù)及流速參數(shù)，

6、座環(huán)及蝶形邊參數(shù)水輪機基本工作參數(shù)，蝸殼參數(shù)及流速參數(shù)，座環(huán)及蝶形邊參數(shù)輸入：輸入：1、水輪機基本參數(shù)、水輪機基本參數(shù) 2、蝸殼設計參數(shù)、蝸殼設計參數(shù) 3、座環(huán)與蝸殼聯(lián)接型式及相關(guān)參數(shù)、座環(huán)與蝸殼聯(lián)接型式及相關(guān)參數(shù)計算蝸殼進口斷面參數(shù)和蝸殼系數(shù)，蝸殼常數(shù)計算蝸殼進口斷面參數(shù)和蝸殼系數(shù)，蝸殼常數(shù)根據(jù)蝸殼與座環(huán)聯(lián)接型式計算蝸殼的臨界幅角根據(jù)蝸殼與座環(huán)聯(lián)接型式計算蝸殼的臨界幅角交互輸入圓整的蝸殼進口斷面半徑交互輸入圓整的蝸殼進口斷面半徑計算蝸殼其它圓斷面的參數(shù)，并圖形顯示檢查計算蝸殼其它圓斷面的參數(shù)，并圖形顯示檢查計算蝸殼橢圓斷面的參數(shù)，并圖形顯示檢查計算蝸殼橢圓斷面的參數(shù)，并圖形顯示檢查按數(shù)據(jù)對進

7、口鋼管直徑標準化，顯示有關(guān)信息確認按數(shù)據(jù)對進口鋼管直徑標準化，顯示有關(guān)信息確認按規(guī)律保存各斷面特征數(shù)據(jù)按規(guī)律保存各斷面特征數(shù)據(jù)繪制蝸殼斷面單線圖，尺寸標注繪制蝸殼斷面單線圖，尺寸標注繪制蝸殼平面單線圖，尺寸標注繪制蝸殼平面單線圖，尺寸標注結(jié)束結(jié)束蝸殼過流面三維幾何造型蝸殼過流面三維幾何造型水輪機金屬蝸殼流道的數(shù)字化設計計算流程圖水輪機金屬蝸殼流道的數(shù)字化設計計算流程圖 水輪機金屬蝸殼單線圖水輪機金屬蝸殼單線圖 金屬蝸殼過流表面三維形狀金屬蝸殼過流表面三維形狀 2.3 離心泵蝸殼流道的數(shù)字化設計離心泵蝸殼流道的數(shù)字化設計 離心泵、壓縮機廣泛采用螺旋型蝸殼作為壓出室。螺旋型蝸離心泵、壓縮機廣泛采用

8、螺旋型蝸殼作為壓出室。螺旋型蝸殼一般由斷面逐漸增大的殼一般由斷面逐漸增大的螺旋線流道螺旋線流道和和擴散段擴散段組成。螺旋型組成。螺旋型蝸殼廣泛用于單級單吸式離心泵、單級雙吸式離心泵和水平蝸殼廣泛用于單級單吸式離心泵、單級雙吸式離心泵和水平中開式離心泵。中開式離心泵。2.4.1 離心泵蝸殼流道的數(shù)字化設計模型離心泵蝸殼流道的數(shù)字化設計模型 蝸殼流道過流斷面面積蝸殼流道過流斷面面積F及高度及高度H的計算的計算 (式式2.1014)過流斷面圓角的計算過流斷面圓角的計算 (式式2.15)各過流斷面幾何尺寸和的計算各過流斷面幾何尺寸和的計算 (式式2.1617)2.4.2 離心泵蝸殼流道的數(shù)字化設計軟件

9、開發(fā)離心泵蝸殼流道的數(shù)字化設計軟件開發(fā)u根據(jù)蝸殼流道設計的數(shù)字化模型，在程序設計時可以首先交互輸入基本設計參數(shù)條件，通過計算結(jié)果調(diào)整各過水斷面圓角值，然后將調(diào)整的各過水斷面圓角值作為輸入已知條件，再進行校核計算并顯示圖形。u分析檢查過流斷面面積沿螺旋線的變化規(guī)律，判斷設計結(jié)果的合理性。通過交互式修改設計，直到對設計結(jié)果滿意后為止。u最后繪制蝸殼流道的單線圖，并將蝸殼流道的斷面數(shù)據(jù)按規(guī)律保存為數(shù)據(jù)文件，供蝸殼三維幾何造型。 程序設計思路：程序設計思路：設計結(jié)果表達方式設計結(jié)果表達方式 19 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程 蝸殼進口蝸殼進口d4, b4 橫截面形狀橫截

10、面形狀rectangle, trapezoid, circle, free-form 蝸殼幾何蝸殼幾何contour calculation 擴散器擴散器direction, length, shape 3D幾何幾何 visualization, export 20 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸殼設計軟件界面蝸殼設計軟件界面 21 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸殼進口參數(shù)給定蝸殼進口參數(shù)給定l手工輸入手工輸入/ /讀入葉輪設計文件讀入葉輪設計文件l進口直徑、寬度進口直徑、寬度 22 /86 Copyright 2012蝸殼設計流

11、程蝸殼設計流程徑向擴壓段蝸殼進口參數(shù)給定徑向擴壓段蝸殼進口參數(shù)給定l平行平行/ /錐形錐形 23 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸殼進口參數(shù)給定蝸殼進口參數(shù)給定l體積效率、流量因子體積效率、流量因子l環(huán)形腔室?guī)缀螀?shù)環(huán)形腔室?guī)缀螀?shù) 24 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸室橫截面形狀蝸室橫截面形狀l圓形、矩形、梯形圓形、矩形、梯形l對稱、非對稱對稱、非對稱 25 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸室蝸室橫截面形狀橫截面形狀l圓形、矩形、梯形圓形、矩形、梯形l對稱、非對稱對稱、非對稱 26 /86 Copyr

12、ight 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸室型線蝸室型線形狀形狀l各過水斷面形狀積疊、面積變化規(guī)律各過水斷面形狀積疊、面積變化規(guī)律l面積比、隔舌位置定義面積比、隔舌位置定義Pfleiderer ：Cu*Rx=const 27 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程Stepanoff : Cu=const蝸室型線蝸室型線形狀形狀l各過水斷面形狀積疊、面積變化規(guī)律各過水斷面形狀積疊、面積變化規(guī)律l面積比、隔舌位置定義面積比、隔舌位置定義 28 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸室型線蝸室型線形狀形狀l用戶自定義面積變化規(guī)律用戶自定義面積變化規(guī)律 29 /86 Copyright 2012蝸殼設計流程蝸殼設計流程蝸室擴散管蝸室擴散管l擴散管方向：徑向，切向，樣條曲線控制擴散管方向：徑向，切向，樣條曲線控制l擴散管出口截面形狀擴散管出口截面形狀 30 /86 Copyright 2012蝸