Chap2-蜗壳的流体动力学数字化设计

1、第第2章章 蜗壳的流体动力学数字化设计蜗壳的流体动力学数字化设计主要内容主要内容蜗壳的作用与分类水轮机蜗壳流道的数字化设计离心泵蜗壳流道的数字化设计2.1 蜗壳的作用与分类蜗壳的作用与分类 大中型水轮机大中型水轮机：圆和椭圆断面的金属蜗壳、梯形断面的混：圆和椭圆断面的金属蜗壳、梯形断面的混凝土蜗壳两种类型。凝土蜗壳两种类型。p 作用：作用：保证流体在导水机构前形成一定的环量，流体能轴保证流体在导水机构前形成一定的环量，流体能轴对称进入导水机构，流量沿导水机构圆周均匀分配。对称进入导水机构，流量沿导水机构圆周均匀分配。 离心泵：离心泵：梯形与圆弧组合成的梯形断面蜗壳。梯形与圆弧组合成的梯形断面蜗

2、壳。p 作为扩压元件：作为扩压元件：1）保证流体在压出室流动是轴对称，以）保证流体在压出室流动是轴对称，以保证流体叶轮内形成稳定的相对运动。保证流体叶轮内形成稳定的相对运动。2）必须将流出叶）必须将流出叶轮的高速流体收集起来，并将其动能转换为压力能。轮的高速流体收集起来，并将其动能转换为压力能。3）消除叶轮速度环量作用。消除叶轮速度环量作用。2.2 水轮机蜗壳流道的数字化设计水轮机蜗壳流道的数字化设计2.2.1 水轮机蜗壳的流体动力学设计理论水轮机蜗壳的流体动力学设计理论 根据水电站水头高低选择蜗壳根据水电站水头高低选择蜗壳 H 40m 金属蜗壳金属蜗壳 H 40m 金属蜗壳或混凝土蜗壳金属蜗

3、壳或混凝土蜗壳 根据水轮机形式选择蜗壳根据水轮机形式选择蜗壳 径流式和混流式径流式和混流式 圆形或者椭圆形蜗壳圆形或者椭圆形蜗壳 轴流式轴流式 梯形断面混凝土蜗壳梯形断面混凝土蜗壳蜗壳的三种设计方法：蜗壳的三种设计方法： 切向速度矩为常数的设计方法；（切向速度矩为常数的设计方法；（常采用常采用） 切向速度为常数的设计方法；切向速度为常数的设计方法； 切向速度沿蜗壳断面递减设计方法。切向速度沿蜗壳断面递减设计方法。水轮机蜗壳流体动力学数字化设计的主要任务水轮机蜗壳流体动力学数字化设计的主要任务 根据水轮机设计参数选定根据水轮机设计参数选定蜗壳型式、包角及进口蜗壳型式、包角及进口断面流速断面流速，

4、在给定的设计水头、设计流量、导水，在给定的设计水头、设计流量、导水机构高度及座环尺寸条件下，机构高度及座环尺寸条件下，确定蜗壳各断面的确定蜗壳各断面的形状和尺寸，以数字化定义蜗壳流道的过流表面形状和尺寸，以数字化定义蜗壳流道的过流表面曲面。曲面。在实际工程中，通常要求设计给出在实际工程中，通常要求设计给出单线图单线图（轴面（轴面截线）来表示蜗壳过流表面的空间形状。截线）来表示蜗壳过流表面的空间形状。 2.3.2 2.3.2 水轮机蜗壳流道的数字化设计模型水轮机蜗壳流道的数字化设计模型具体定义见教材具体定义见教材p51p 以水轮机金属蜗壳设计为例，假定流体均匀进入水轮机，以水轮机金属蜗壳设计为例

5、，假定流体均匀进入水轮机，蜗壳某断面的流量定义为从蜗壳鼻端开始逆时针方向测得蜗壳某断面的流量定义为从蜗壳鼻端开始逆时针方向测得角度为的函数来描述。角度为的函数来描述。p 断面设计法数学模型：断面设计法数学模型：（1）蜗壳常数）蜗壳常数C的确定的确定 (式式2.3)（2） 圆形断面尺寸的确定圆形断面尺寸的确定 (式式2.46)（3）椭圆形断面尺寸的确定）椭圆形断面尺寸的确定 (式式2.7)（4）计算蜗壳临界幅角）计算蜗壳临界幅角 (式式2.8)2.3.3 水轮机蜗壳流道的数字化设计软件开发水轮机蜗壳流道的数字化设计软件开发教材教材P53 图图2-3开始开始水轮机基本工作参数，蜗壳参数及流速参数，

6、座环及蝶形边参数水轮机基本工作参数，蜗壳参数及流速参数，座环及蝶形边参数输入：输入：1、水轮机基本参数、水轮机基本参数 2、蜗壳设计参数、蜗壳设计参数 3、座环与蜗壳联接型式及相关参数、座环与蜗壳联接型式及相关参数计算蜗壳进口断面参数和蜗壳系数，蜗壳常数计算蜗壳进口断面参数和蜗壳系数，蜗壳常数根据蜗壳与座环联接型式计算蜗壳的临界幅角根据蜗壳与座环联接型式计算蜗壳的临界幅角交互输入圆整的蜗壳进口断面半径交互输入圆整的蜗壳进口断面半径计算蜗壳其它圆断面的参数，并图形显示检查计算蜗壳其它圆断面的参数，并图形显示检查计算蜗壳椭圆断面的参数，并图形显示检查计算蜗壳椭圆断面的参数，并图形显示检查按数据对进

7、口钢管直径标准化，显示有关信息确认按数据对进口钢管直径标准化，显示有关信息确认按规律保存各断面特征数据按规律保存各断面特征数据绘制蜗壳断面单线图，尺寸标注绘制蜗壳断面单线图，尺寸标注绘制蜗壳平面单线图，尺寸标注绘制蜗壳平面单线图，尺寸标注结束结束蜗壳过流面三维几何造型蜗壳过流面三维几何造型水轮机金属蜗壳流道的数字化设计计算流程图水轮机金属蜗壳流道的数字化设计计算流程图 水轮机金属蜗壳单线图水轮机金属蜗壳单线图 金属蜗壳过流表面三维形状金属蜗壳过流表面三维形状 2.3 离心泵蜗壳流道的数字化设计离心泵蜗壳流道的数字化设计 离心泵、压缩机广泛采用螺旋型蜗壳作为压出室。螺旋型蜗离心泵、压缩机广泛采用

8、螺旋型蜗壳作为压出室。螺旋型蜗壳一般由断面逐渐增大的壳一般由断面逐渐增大的螺旋线流道螺旋线流道和和扩散段扩散段组成。螺旋型组成。螺旋型蜗壳广泛用于单级单吸式离心泵、单级双吸式离心泵和水平蜗壳广泛用于单级单吸式离心泵、单级双吸式离心泵和水平中开式离心泵。中开式离心泵。2.4.1 离心泵蜗壳流道的数字化设计模型离心泵蜗壳流道的数字化设计模型 蜗壳流道过流断面面积蜗壳流道过流断面面积F及高度及高度H的计算的计算 (式式2.1014)过流断面圆角的计算过流断面圆角的计算 (式式2.15)各过流断面几何尺寸和的计算各过流断面几何尺寸和的计算 (式式2.1617)2.4.2 离心泵蜗壳流道的数字化设计软件

9、开发离心泵蜗壳流道的数字化设计软件开发u根据蜗壳流道设计的数字化模型，在程序设计时可以首先交互输入基本设计参数条件，通过计算结果调整各过水断面圆角值，然后将调整的各过水断面圆角值作为输入已知条件，再进行校核计算并显示图形。u分析检查过流断面面积沿螺旋线的变化规律，判断设计结果的合理性。通过交互式修改设计，直到对设计结果满意后为止。u最后绘制蜗壳流道的单线图，并将蜗壳流道的断面数据按规律保存为数据文件，供蜗壳三维几何造型。 程序设计思路：程序设计思路：设计结果表达方式设计结果表达方式 19 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程 蜗壳进口蜗壳进口d4, b4 横截面形状横截

10、面形状rectangle, trapezoid, circle, free-form 蜗壳几何蜗壳几何contour calculation 扩散器扩散器direction, length, shape 3D几何几何 visualization, export 20 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗壳设计软件界面蜗壳设计软件界面 21 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗壳进口参数给定蜗壳进口参数给定l手工输入手工输入/ /读入叶轮设计文件读入叶轮设计文件l进口直径、宽度进口直径、宽度 22 /86 Copyright 2012蜗壳设计流

11、程蜗壳设计流程径向扩压段蜗壳进口参数给定径向扩压段蜗壳进口参数给定l平行平行/ /锥形锥形 23 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗壳进口参数给定蜗壳进口参数给定l体积效率、流量因子体积效率、流量因子l环形腔室几何参数环形腔室几何参数 24 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗室横截面形状蜗室横截面形状l圆形、矩形、梯形圆形、矩形、梯形l对称、非对称对称、非对称 25 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗室蜗室横截面形状横截面形状l圆形、矩形、梯形圆形、矩形、梯形l对称、非对称对称、非对称 26 /86 Copyr

12、ight 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗室型线蜗室型线形状形状l各过水断面形状积叠、面积变化规律各过水断面形状积叠、面积变化规律l面积比、隔舌位置定义面积比、隔舌位置定义Pfleiderer ：Cu*Rx=const 27 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程Stepanoff : Cu=const蜗室型线蜗室型线形状形状l各过水断面形状积叠、面积变化规律各过水断面形状积叠、面积变化规律l面积比、隔舌位置定义面积比、隔舌位置定义 28 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗室型线蜗室型线形状形状l用户自定义面积变化规律用户自定义面积变化规律 29 /86 Copyright 2012蜗壳设计流程蜗壳设计流程蜗室扩散管蜗室扩散管l扩散管方向：径向，切向，样条曲线控制扩散管方向：径向，切向，样条曲线控制l扩散管出口截面形状扩散管出口截面形状 30 /86 Copyright 2012蜗