專利名稱：水力機(jī)械的二相流設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，具體地說是一種水力機(jī)械的二相流設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用，本方法適用于設(shè)計(jì)在二相流情況下工作的水泵、水輪機(jī)的葉型和流道。
目前，水泵、水輪機(jī)的葉型和流道都是按照清水一相流設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的。但這些水力機(jī)械的使用條件往往不僅是清水，經(jīng)常含有各種固體介質(zhì)，例如煤、泥沙、尾礦、精礦、灰渣等，也就是說，水力機(jī)械實(shí)際上是在固液二相流情況下工作的，造成設(shè)計(jì)和使用條件不一致，存在的問題是(1)能量轉(zhuǎn)換不充分，效率低;(2)磨蝕嚴(yán)重，壽命短;(3)不能實(shí)現(xiàn)高濃度輸送。
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種在固液二相流的條件下，求解固液二相速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，設(shè)計(jì)葉型和流道的方法。
為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明把清水設(shè)計(jì)作為參照量，把固體作為動(dòng)邊界條件，以“相對(duì)阻塞”和“相對(duì)抽吸”的新方法，同時(shí)求解湍流強(qiáng)度、粒子的跟隨性以及復(fù)雜邊界條件下的相干結(jié)構(gòu)，并且以當(dāng)量直徑表征固體的濃度，解決了無窮多顆粒的設(shè)計(jì)、計(jì)算問題。所說的“相對(duì)阻塞”是指固體運(yùn)動(dòng)速度小于水流速度時(shí)，固體對(duì)水流通道產(chǎn)生相對(duì)阻塞效應(yīng)，該效應(yīng)表現(xiàn)在(1)水流速度畸變，水流速度上升;(2)過流斷面縮小。所說的“相對(duì)抽吸”是指固體運(yùn)動(dòng)速度大于水流速度時(shí)，固體對(duì)水流通道產(chǎn)生相對(duì)抽吸效應(yīng)，該效應(yīng)表現(xiàn)在(1)水流速度畸變，水流速度降低;(2)過流斷面擴(kuò)大?，F(xiàn)以固液泵為例，說明其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下設(shè)清水的速度為VC二相流水流的畸變速度為VL，二相流固體的速度為V2，則有V2L-V2C＝K2……(1)式(1)稱為二相流畸變方程式VL-V2＝K……(2)式(2)稱為二相流輸送方程式式中K稱為固體特性系數(shù)，和固體的粒度、濃度、重度以及繞流條件有關(guān)。即K＝f(ρ、d、Cθ、CX、CY)當(dāng)量直徑di＝BC1/2θD0……(3)式中Cθ為固體流量百分比，D0為過流斷面等效直徑固體作為水流的動(dòng)邊界條件，相對(duì)阻塞時(shí)為di'＝(2- (VL)/(V2) )1/2di……(4)相對(duì)抽吸時(shí)為di″＝( (VL)/(V2) )1/2di……(5)葉片入口駐點(diǎn)固體的速度為零，產(chǎn)生絕對(duì)阻塞，然后尾隨水流形成相對(duì)阻塞;葉片出口駐點(diǎn)，固體的速度為零，產(chǎn)生絕對(duì)抽吸，然后領(lǐng)先水流形成相對(duì)抽吸。按正、反、正的方法，先假定進(jìn)口尺寸，求解速度場(chǎng)，由速度場(chǎng)定葉型及流道，由葉型流道求出口速度場(chǎng)、求泵的參數(shù)，叫正反正設(shè)計(jì)體系，按該方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品叫二相流泵或二相流水輪機(jī)。
本發(fā)明由于按二相流水流速度場(chǎng)設(shè)計(jì)葉型和流道，能夠充分轉(zhuǎn)換能量并防止汽蝕破壞，同時(shí)使固液二相速度化率趨于一致，減少撞擊磨損，從而提高了效率、延長(zhǎng)壽命，平均節(jié)能20～40%，使用壽命延長(zhǎng)2～5倍。


圖1是本發(fā)明二相流設(shè)計(jì)方法與一相流設(shè)計(jì)方法的葉片入口速度三角形對(duì)比圖。
圖2是本發(fā)明二相流設(shè)計(jì)方法的葉片入口角度的求解圖。
圖3是本發(fā)明二相流設(shè)計(jì)方法的葉片出口角度的求解圖。
圖4是本發(fā)明二相流設(shè)計(jì)方法與一相流設(shè)計(jì)方法的吸入口流道對(duì)比圖。圖5是本發(fā)明二相流設(shè)計(jì)方法與一相流設(shè)計(jì)方法的葉輪的流道和葉型對(duì)比圖。
圖6是本發(fā)明二相流設(shè)計(jì)方法與一相流設(shè)計(jì)方法的壓水室流道對(duì)比圖。
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)過程。
參照?qǐng)D1和圖2，首先按設(shè)計(jì)參數(shù)H、Q、n，給定進(jìn)口尺寸，求出VC。按固本特性求出K。由(1)、(2)式求出VL、V2。再按以下方法求葉型及流道清水進(jìn)口角為βC;二相流時(shí)，產(chǎn)生絕對(duì)阻塞，法向進(jìn)口，絕對(duì)速度為V'mL＝V'Lε'1;然后過濾到相對(duì)阻塞，以di'阻塞流道，入口角從β'1過濾到β1。故β1和βC有極大差異。參照?qǐng)D3，同理也可求出葉片出口速度三角形，因離心力作用，軸面畸變速度為VmL，抽吸代替阻塞，故葉片出口角小于清水時(shí)的出口角，至于蝸室，其速度V3L＝KY3
-△YU2，阻塞粒徑d3i＝αD3
，求出出口斷面FⅧ。最后再按均布求出各個(gè)斷面尺寸。
圖4、圖5、圖6分別是應(yīng)用本發(fā)明二相流設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品與一相流設(shè)計(jì)方法的對(duì)比。圖4示出吸入口流道對(duì)比，圖5示出葉輪的流道和葉型的對(duì)比，圖6示出壓水室流道的對(duì)比。
權(quán)利要求
1.水力機(jī)械的二相流設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用，其特征在于(1)把清水作為參照量，求解二相流畸變速度的畸變方程式VL2-VC2=K2，式中VC為清水的速度，VL為二相流水流的畸變速度，K=f(ρ、d、Cθ、CX、CY)，稱為固體特性系數(shù)，式中Cθ為固體流量百分比；(2)求解固液二相流速度場(chǎng)的輸送方程式VL-V2=K，式中V2為二相流固體的速度；(3)以當(dāng)量直徑di代替一定濃度及特性的固體顆粒，di=BCθ1/2D0，式中D0為過流斷面等效直徑；(4)求相對(duì)阻塞值di'＝(2- (VL)/(V2) )1/2di,相對(duì)抽吸值di″＝( (VL)/(V2) )1/2di；(5)設(shè)葉片進(jìn)口駐點(diǎn)固體的速度為零，求絕對(duì)阻塞；(6)利用絕對(duì)阻塞向相對(duì)阻塞，以及相對(duì)抽吸的過渡過程，求進(jìn)出口流道及葉型；(7)選擇最佳設(shè)計(jì)工況V2≥K，以滿足用戶對(duì)磨損及汽蝕的不同要求；(8)求解吸入口、葉輪、壓水室二相流速度場(chǎng)；(9)利用正、反、正水泵及水輪機(jī)的二相流設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出吸入口，葉輪、壓水室的葉型及流道；(10)以此方法設(shè)計(jì)的水泵、水輪機(jī)命名為二相流水泵、二相流水輪機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明的水力機(jī)械的二相流設(shè)計(jì)方法是依據(jù)“相對(duì)抽吸”，“相對(duì)阻塞”的概念，把清水作為參照量，把固體作為動(dòng)邊界條件，對(duì)水泵、水輪機(jī)按二相流速度場(chǎng)設(shè)計(jì)葉型和流道。其主要優(yōu)點(diǎn)是(1)效率高，平均節(jié)能20～40％；(2)運(yùn)行汽蝕性能好，不發(fā)生汽蝕破壞，撞擊磨損小，使用壽命長(zhǎng)；(3)適合高濃度輸送。
文檔編號(hào)F04D29/68GK1085293SQ9111128
公開日1994年4月13日 申請(qǐng)日期1991年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月5日
發(fā)明者蔡保元 申請(qǐng)人:中國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)總公司