陳 明

(海軍駐江蘇科技大學(xué)選培辦,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶壓載水系統(tǒng)自清濾器水力驅(qū)動(dòng)葉輪的設(shè)計(jì)

陳 明

(海軍駐江蘇科技大學(xué)選培辦,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

結(jié)合船舶壓載水管理系統(tǒng)自清濾器，采用升力法設(shè)計(jì)理論，對(duì)無(wú)動(dòng)力自清濾器的軸流式水力驅(qū)動(dòng)葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了升力法設(shè)計(jì)葉輪的理論依據(jù)和計(jì)算步驟，包括葉輪外形參數(shù)輪轂比和葉片數(shù)的選擇，以及葉片截面參數(shù)葉柵稠密度、葉片厚度等的選擇計(jì)算。通過(guò)Solidworks軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的葉輪進(jìn)行了三維實(shí)體建模，并導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬與簡(jiǎn)單的水力性能分析。

壓載水系統(tǒng)；自清濾器;升力法;水動(dòng)力;葉輪

0 引言

為控制和預(yù)防外來(lái)水生物隨船舶壓載水傳播給到岸國(guó)帶來(lái)的危害，2004年2月13日，國(guó)際海事組織(IMO)制定了《2004年國(guó)際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》(以下簡(jiǎn)稱“公約”)。該公約規(guī)定了當(dāng)世界商船總噸位不少于35%，且至少有30個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)后，在其后的12月公約生效。 截止到2015年1月6日，已有43個(gè)國(guó)家加入了公約，其商船的保有量已占世界商船總噸位32.54%[1]，因此，船舶壓載水防海生物系統(tǒng)的研發(fā)工作迫在眉睫,但是目前還未研制出一種能滿足安全、有效、可操作及經(jīng)濟(jì)性要求的壓載水防海生物處理技術(shù)。

過(guò)濾裝置作為公約設(shè)定的必要設(shè)備，雖然原理簡(jiǎn)單，安裝方便，初始費(fèi)用低，對(duì)環(huán)境無(wú)破壞，但在船舶機(jī)艙空間內(nèi)，在滿足最小微生物的前提下體積應(yīng)盡可能小。由于壓載水中的泥沙和絮狀物易堵塞濾網(wǎng)，為了保證壓載水供給充分，需對(duì)濾網(wǎng)反沖洗，這樣會(huì)消耗電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能且花費(fèi)時(shí)間[2]。另外，為保證壓載水供給量充沛，需要在同等的過(guò)濾器體積內(nèi)盡可能多地增加濾網(wǎng)的面積[2-3]。針對(duì)壓載水處理系統(tǒng)中的過(guò)濾技術(shù)所存在的諸多問(wèn)題，如壓載管道的水能損失及過(guò)濾器反沖洗消耗量大等問(wèn)題，本文擬設(shè)計(jì)一個(gè)水力驅(qū)動(dòng)的葉輪，以代替電動(dòng)泵用來(lái)驅(qū)動(dòng)過(guò)濾器的反沖洗裝置。這樣，既能充分利用壓載管道的水能，又能解決過(guò)濾器反沖洗消耗能量的問(wèn)題。同時(shí)，可以降低自清洗濾器的高度，減小自清洗濾器的體積，達(dá)到適宜安裝、節(jié)能環(huán)保的目的。

本文以流量Q為200 m3/h，揚(yáng)程H為32 m的壓載水管理系統(tǒng)的自清濾器作為設(shè)計(jì)對(duì)象，依據(jù)升力法設(shè)計(jì)1個(gè)外徑D為200 mm的水力驅(qū)動(dòng)葉輪，并基于Solidworks對(duì)葉輪進(jìn)行了三維實(shí)體建模，然后導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行數(shù)值模擬，最后對(duì)所設(shè)計(jì)的葉輪進(jìn)行水力性能分析。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 基本理論

設(shè)計(jì)的水力驅(qū)動(dòng)葉輪實(shí)質(zhì)上是一種將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化裝置，其功能類似于水輪機(jī)。本文設(shè)計(jì)的葉輪是軸流式的，屬于軸流式水力機(jī)械。而軸流式轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計(jì)理論源于軸流葉片泵的設(shè)計(jì)理論，其設(shè)計(jì)理論均為二維理論[4]。其簡(jiǎn)化假設(shè)條件如下。

(1)流體為不可壓的理想流體，運(yùn)動(dòng)為定常狀態(tài)。

(2)流體運(yùn)動(dòng)為軸對(duì)稱。

(3)液體絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中無(wú)旋轉(zhuǎn)。

(4)流體在不同的圓柱形流面上運(yùn)動(dòng)，其絕對(duì)、相對(duì)速度的徑向分量為零。

(5)軸向(面)速度為定常。

根據(jù)此5項(xiàng)假設(shè)，即可得出軸流泵葉輪內(nèi)流體的絕對(duì)、相對(duì)流場(chǎng)：

(1)

(2)

式中：vz為軸向速度，vu為徑向速度，Q為通過(guò)葉輪的流量，D為葉輪直徑，Dh為葉輪輪轂直徑，g為加速度，HE為沿流線的能量，R為某一圓柱形流面的半徑，ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速，u為圓周速度。

其能量方程為：

(3)

式中：C為常數(shù)，p為流體靜壓力，w為相對(duì)流速，ρ為流體密度。

當(dāng)w、ρ已知時(shí)，可計(jì)算出靜壓力。

當(dāng)規(guī)定沿流線的能量變化值HE后，即可求出絕對(duì)流場(chǎng)和相對(duì)流場(chǎng)，從而得到流體絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的流線。葉輪進(jìn)口和出口部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)流線就是葉輪葉片上的骨線，如按一定厚度加厚骨線，即可獲得葉片剖面。將若干葉片剖面按某基準(zhǔn)堆疊，就能設(shè)計(jì)出三維實(shí)體葉片。此即理論上的葉片設(shè)計(jì)方法。

實(shí)際工作中，若要規(guī)定能量HE沿流線的最佳變化值是非常困難的，所以，人們?cè)谳S流泵葉片設(shè)計(jì)中，通常利用葉片進(jìn)口HE=H1(葉片進(jìn)口流體能量)時(shí)所對(duì)應(yīng)的均勻流場(chǎng)與葉片出口HE=H2(葉片出口流體能量)時(shí)所對(duì)應(yīng)的均勻流場(chǎng)。其中，葉片出口流體能量與葉片進(jìn)口流體能量之差就是泵的理論揚(yáng)程Ht=H2-H1，因此，新的均勻相對(duì)流場(chǎng)的相對(duì)速度為：

(4)

式中：w∞為合成后新的均勻相對(duì)流速，稱為無(wú)窮遠(yuǎn)相對(duì)來(lái)流速度；w1、w2分別為沿流線的流體能量等于葉片進(jìn)口和出口處能量所對(duì)應(yīng)的均勻流場(chǎng)的相對(duì)流速。

根據(jù)該合成流場(chǎng)設(shè)計(jì)葉片，就能得到滿足預(yù)定的水力性能要求的葉輪。

利用合成后新的均勻相對(duì)流速w∞設(shè)計(jì)軸流泵葉片的方法有多種，本文主要探討升力法在葉輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1.2 設(shè)計(jì)方法

作為最早在實(shí)際設(shè)計(jì)中廣泛運(yùn)用的軸流泵葉輪理論之一，升力法是目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用的設(shè)計(jì)方法之一，其思想是：應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)于機(jī)翼翼型的研究，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正的設(shè)計(jì)方法。在積累大量的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及母型泵數(shù)據(jù)的前提下，研究人員得出了升力法是一種準(zhǔn)確、實(shí)用的軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)方法[5]。本文采用該種設(shè)計(jì)方法對(duì)葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

升力法理論有2個(gè)假設(shè)，其一基本假設(shè)稱之為圓柱層無(wú)關(guān)性假設(shè)，該假設(shè)設(shè)定在軸流式轉(zhuǎn)輪內(nèi)，水流通過(guò)葉輪半徑方向時(shí)速度為零，并設(shè)定在計(jì)算中，將葉片視為簡(jiǎn)化的5～6個(gè)平面直列葉柵[6]；其二為補(bǔ)充假設(shè)，其假定轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)稀少，葉柵中的液體繞流接近于單個(gè)翼型的繞流，柵中翼型相互作用，對(duì)繞流特性影響較小，此時(shí)，將軸流式葉柵中的每個(gè)翼型視為相互獨(dú)立的，即可應(yīng)用所測(cè)得的單個(gè)翼型動(dòng)力特性來(lái)設(shè)計(jì)葉片?？紤]到假設(shè)的近似性原理，通常設(shè)計(jì)者需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料對(duì)流體繞流柵中的翼型與單個(gè)翼型的差異進(jìn)行修正(或認(rèn)為近似相等，不加修正)。采用升力法設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，需要依據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常情況下，設(shè)計(jì)者多采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法[7]。為了滿足軸流式水力機(jī)械內(nèi)部實(shí)際的水流狀態(tài)，可依據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理地選擇葉片出口環(huán)量的分布規(guī)律，在轉(zhuǎn)輪(葉輪)葉片的徑向方向按不等功來(lái)進(jìn)行葉片的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的升力法設(shè)計(jì)葉片的基本方程式[8]如下：

(5)

式中：Cyp為葉柵的升力系數(shù)；l為翼型弦長(zhǎng)；t為柵距；Δvu=vu1-vu2,vu1、vu2分別為葉片進(jìn)出口速度圓周分量；β∞為來(lái)流角；λ為葉柵繞流受力與升力之間的夾角。

1.3 計(jì)算步驟

采用升力法設(shè)計(jì)葉片的步驟[7]如下。

步驟1 確定基本參數(shù)(如揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、過(guò)流部件外形、葉片數(shù)等)。

步驟2 確定轉(zhuǎn)輪計(jì)算截面，求得進(jìn)出口處的速度三角形。

步驟3 選擇翼型和l/t，根據(jù)式(5)求出cyp，并校正至單翼升力系數(shù)cy，再結(jié)合翼型的動(dòng)力特性，確定各截面的沖角α和翼型安放角β；也可先給定α，由翼型特性確定cy并修正至cyp，然后根據(jù)式(5)確定l/t。在試驗(yàn)資料詳實(shí)、充分的條件下，采用該設(shè)計(jì)方法能夠做到方便準(zhǔn)確，大大提高了設(shè)計(jì)速度。

2 葉片的設(shè)計(jì)計(jì)算

因所選壓載水供水系統(tǒng)的管道直徑為200 mm，供水流量為200 m3/h，故取流量Q=200 m3/h，葉輪外徑D=200 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 葉輪外形參數(shù)的選擇

2.1.1 輪轂比Dh/D的選擇

由《現(xiàn)代泵設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，輪轂用來(lái)固定葉片，在結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上應(yīng)保證葉片(包括調(diào)節(jié)葉片)的要求。為提高水力性能，適當(dāng)減小輪轂比可減小水力摩擦損失，增加過(guò)流面積，有利于抗汽蝕性能的改善。但是過(guò)分的減小輪轂比，會(huì)增加葉片的扭曲，當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，會(huì)造成液體流動(dòng)的紊亂，在葉輪進(jìn)出口形成二次回流，降低泵效率，高效范圍變窄。

水力驅(qū)動(dòng)葉輪對(duì)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求高。為了提高水力性能，應(yīng)選取較小的輪轂比。本文選取輪轂比Dh/D=0.34，則Dh=68 mm。

2.1.2 葉片數(shù)的選擇

隨著葉片數(shù)的增加，揚(yáng)程、功率和效率都會(huì)逐漸增加。用數(shù)值模擬研究葉片數(shù)變化對(duì)軸流泵性能的影響發(fā)現(xiàn)，軸流泵在葉片數(shù)為6～7片時(shí)效率最高[6]，因此，為提高葉輪水力轉(zhuǎn)化效率，葉片數(shù)Z選擇為6片。

最終葉輪的外形參數(shù)為：

設(shè)計(jì)流量Q=200 m3/h;葉輪外徑D=200 mm，輪轂比Dh/D=0.34，葉片數(shù)Z=6。

2.2 葉片截面參數(shù)的選擇計(jì)算

將葉片等距分成5個(gè)圓柱截面，分別計(jì)算每個(gè)截面上的葉片參數(shù)[9]。

2.2.1 葉柵稠密度的選擇

l/t是軸流泵葉輪的重要幾何參數(shù)，它直接影響泵的效率，也是決定汽蝕性能的重要參數(shù)。一方面，減小l/t，表征葉輪葉片總面積減小，葉片兩面的壓差增加，將使汽蝕性能變壞；但另一方面，因摩擦面積減小，可以提高效率。另外，相對(duì)速度最大的外緣處，也是最容易發(fā)生汽蝕的部位[8]。在選擇l/t時(shí)，應(yīng)考慮以下3點(diǎn)：

(1)從能量轉(zhuǎn)換和汽蝕性能考慮，不論葉片數(shù)多少，葉片都應(yīng)當(dāng)有一定的長(zhǎng)度，用以形成理想的通道。所以選擇l/t除考慮其他因素外，還應(yīng)當(dāng)考慮葉片數(shù)多少。根據(jù)試驗(yàn)研究，選擇外緣側(cè)的l/t值，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

Z=3、l/t=0.65～0.75；Z=4、l/t=0.75～0.85;Z=5、l/t=0.8～0.9

(2)適當(dāng)減小外緣側(cè)的l/t，增加輪轂側(cè)的l/t，以減小內(nèi)外側(cè)翼型的長(zhǎng)度差，均衡葉片出口揚(yáng)程。

(3)修圓葉片進(jìn)口外緣部分，以提高葉片的抗汽蝕性能。

本設(shè)計(jì)選用的葉片邊緣到輪轂間的各截面的葉柵稠密度從0.8～1.0線性變化。

2.2.2 葉片厚度y的確定

輪轂處的翼型厚度按強(qiáng)度條件確定,通常按式(6)粗略估算：

(6)

(7)

輪緣截面的厚度按其工藝條件確定。其輪緣截面相對(duì)厚度：

(8)

從輪轂到輪緣，其厚度可按直線規(guī)律變化。本設(shè)計(jì)選用的葉片邊緣到輪轂間各截面的相對(duì)厚度從5%～10%線性變化。

2.2.3 葉片翼型的選擇

選擇葉片翼型時(shí)不僅要考慮葉輪效率，還要考慮葉輪的抗汽蝕性能。

葉輪的抗汽蝕性能與其升力系數(shù)有關(guān)。其升力系數(shù)越大，升力也就越大，這使得葉輪中翼型工作面和被壓面的壓力差增大，葉輪的汽蝕可能性增大。因此，設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，所選用的升力系數(shù)受到汽蝕條件限制的。

NACA(4 406～4 415)翼型是美國(guó)航空咨詢委員會(huì)提出對(duì)翼型進(jìn)行設(shè)計(jì)的參數(shù)模板。該參數(shù)翼型模板經(jīng)常用來(lái)設(shè)計(jì)葉輪。

本設(shè)計(jì)選用的葉片邊緣到輪轂間各截面的翼型從4 406～4 410線性變化。

葉片截面參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 葉片截面參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

參數(shù)截面12345截面直徑/mm68101134167200節(jié)距t/mm35.652.8870.1687.44104.7葉柵稠密度l/t/mm1.00.950.900.850.80弦長(zhǎng)l/mm35.650.23663.14474.32483.8y/l/(%)15107.565y/mm5.345.04.744.464.18翼型的型號(hào)NACA44104409440844074406

3 三維建模和數(shù)值模擬

3.1 葉輪三維模型的生成

通過(guò)Profili軟件[9]導(dǎo)出相關(guān)翼型坐標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Excel中，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算所求得的翼型的弦長(zhǎng)l和厚度y做相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

將變換求得翼型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Solidworks里，生成葉片實(shí)體如圖1所示，完成葉輪的三維實(shí)體建模。

圖1 葉輪的三維建模功能

3.2 葉輪的數(shù)值模擬

由葉輪三維模型生成流體計(jì)算域，并定義出非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)流域進(jìn)行離散化處理，再對(duì)葉片、交接面以及近壁區(qū)域采用加密網(wǎng)格，整體流域的網(wǎng)格劃分如圖2所示。將進(jìn)口邊界條件定義為速度進(jìn)口，并選用壓力出口，不同區(qū)域的交接面采用內(nèi)部界面的邊界條件，其壁面采用無(wú)滑移的固壁邊界，并定義固體邊界的粗糙度為0.5，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來(lái)確定邊界層流動(dòng)。采用有限體積法離散方程，使用壓力—速度耦合的方法，并選用SIMPLE算法，利用其二階迎風(fēng)差分格式。對(duì)流動(dòng)場(chǎng)的求解采用多重參考系法，將計(jì)算域分為2種：槳葉附近區(qū)域在旋轉(zhuǎn)參考系下計(jì)算，而其他區(qū)域使用靜止參考系，選用RNGK-ε湍流模型封閉方程。

圖2 整體流域的網(wǎng)格劃分

葉片壓力面和吸力面的靜壓分布及渦量分布情況如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)壓載水處理系統(tǒng)中過(guò)濾器的反沖洗消耗量大、耗能多的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)1個(gè)水力驅(qū)動(dòng)的葉輪來(lái)代替原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以達(dá)到節(jié)能高效的目的。所設(shè)計(jì)的水力驅(qū)動(dòng)葉輪可為自清洗過(guò)濾器提供濾網(wǎng)旋轉(zhuǎn)清洗的動(dòng)力，為研制更高效、節(jié)能、環(huán)保的壓載水處理系統(tǒng)提供了有效的無(wú)功耗的過(guò)濾設(shè)備，從而為進(jìn)一步降低系統(tǒng)的能耗提供了一種可選的有效方案，具有廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)，本文是基于傳統(tǒng)的升力法理論設(shè)計(jì)的葉輪，其設(shè)計(jì)上還存在不足，需要進(jìn)一步的修正改進(jìn)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)上的最優(yōu)化。

圖3 葉片壓力面和吸力面的靜壓分布及渦量分布

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2015-11-03

陳明(1966—)，男，副教授，從事高等教育、船舶裝備方面工作。

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