水力机械的二相流设计方法及其应用的制作方法

专利名称：水力机械的二相流设计方法及其应用的制作方法技术领域：本发明涉及涡轮机流体动力学技术，具体地说是一种水力机械的二相流设计方法及其应用，本方法适用于设计在二相流情况下工作的水泵、水轮机的叶型和流道。目前，水泵、水轮机的叶型和流道都是按照清水一相流设计方法设计的。但这些水力机械的使用条件往往不仅是清水，经常含有各种固体介质，例如煤、泥沙、尾矿、精矿、灰渣等，也就是说，水力机械实际上是在固液二相流情况下工作的，造成设计和使用条件不一致，存在的问题是(1)能量转换不充分，效率低;(2)磨蚀严重，寿命短;(3)不能实现高浓度输送。本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种在固液二相流的条件下，求解固液二相速度场、压力场，设计叶型和流道的方法。为实现此目的，本发明把清水设计作为参照量，把固体作为动边界条件，以“相对阻塞”和“相对抽吸”的新方法，同时求解湍流强度、粒子的跟随性以及复杂边界条件下的相干结构，并且以当量直径表征固体的浓度，解决了无穷多颗粒的设计、计算问题。所说的“相对阻塞”是指固体运动速度小于水流速度时，固体对水流通道产生相对阻塞效应，该效应表现在(1)水流速度畸变，水流速度上升;(2)过流断面缩小。所说的“相对抽吸”是指固体运动速度大于水流速度时，固体对水流通道产生相对抽吸效应，该效应表现在(1)水流速度畸变，水流速度降低;(2)过流断面扩大。现以固液泵为例，说明其设计要点如下设清水的速度为VC二相流水流的畸变速度为VL，二相流固体的速度为V2，则有V2L-V2C＝K2……(1)式(1)称为二相流畸变方程式VL-V2＝K……(2)式(2)称为二相流输送方程式式中K称为固体特性系数，和固体的粒度、浓度、重度以及绕流条件有关。即K＝f(ρ、d、Cθ、CX、CY)当量直径di＝BC1/2θD0……(3)式中Cθ为固体流量百分比，D0为过流断面等效直径固体作为水流的动边界条件，相对阻塞时为di'＝(2- (VL)/(V2) )1/2di……(4)相对抽吸时为di″＝( (VL)/(V2) )1/2di……(5)叶片入口驻点固体的速度为零，产生绝对阻塞，然后尾随水流形成相对阻塞;叶片出口驻点，固体的速度为零，产生绝对抽吸，然后领先水流形成相对抽吸。按正、反、正的方法，先假定进口尺寸，求解速度场，由速度场定叶型及流道，由叶型流道求出口速度场、求泵的参数，叫正反正设计体系，按该方法设计的产品叫二相流泵或二相流水轮机。本发明由于按二相流水流速度场设计叶型和流道，能够充分转换能量并防止汽蚀破坏，同时使固液二相速度化率趋于一致，减少撞击磨损，从而提高了效率、延长寿命，平均节能20～40%，使用寿命延长2～5倍。图1是本发明二相流设计方法与一相流设计方法的叶片入口速度三角形对比图。图2是本发明二相流设计方法的叶片入口角度的求解图。图3是本发明二相流设计方法的叶片出口角度的求解图。图4是本发明二相流设计方法与一相流设计方法的吸入口流道对比图。图5是本发明二相流设计方法与一相流设计方法的叶轮的流道和叶型对比图。图6是本发明二相流设计方法与一相流设计方法的压水室流道对比图。下面将结合附图详细说明本发明的设计过程。参照图1和图2，首先按设计参数H、Q、n，给定进口尺寸，求出VC。按固本特性求出K。由(1)、(2)式求出VL、V2。再按以下方法求叶型及流道清水进口角为βC;二相流时，产生绝对阻塞，法向进口，绝对速度为V'mL＝V'Lε'1;然后过滤到相对阻塞，以di'阻塞流道，入口角从β'1过滤到β1。故β1和βC有极大差异。参照图3，同理也可求出叶片出口速度三角形，因离心力作用，轴面畸变速度为VmL，抽吸代替阻塞，故叶片出口角小于清水时的出口角，至于蜗室，其速度V3L＝KY3 -△YU2，阻塞粒径d3i＝αD3 ，求出出口断面FⅧ。最后再按均布求出各个断面尺寸。图4、图5、图6分别是应用本发明二相流设计方法设计出来的产品与一相流设计方法的对比。图4示出吸入口流道对比，图5示出叶轮的流道和叶型的对比，图6示出压水室流道的对比。权利要求1.水力机械的二相流设计方法及其应用，其特征在于(1)把清水作为参照量，求解二相流畸变速度的畸变方程式VL2-VC2=K2，式中VC为清水的速度，VL为二相流水流的畸变速度，K=f(ρ、d、Cθ、CX、CY)，称为固体特性系数，式中Cθ为固体流量百分比；(2)求解固液二相流速度场的输送方程式VL-V2=K，式中V2为二相流固体的速度；(3)以当量直径di代替一定浓度及特性的固体颗粒，di=BCθ1/2D0，式中D0为过流断面等效直径；(4)求相对阻塞值di'＝(2- (VL)/(V2) )1/2di,相对抽吸值di″＝( (VL)/(V2) )1/2di；(5)设叶片进口驻点固体的速度为零，求绝对阻塞；(6)利用绝对阻塞向相对阻塞，以及相对抽吸的过渡过程，求进出口流道及叶型；(7)选择最佳设计工况V2≥K，以满足用户对磨损及汽蚀的不同要求；(8)求解吸入口、叶轮、压水室二相流速度场；(9)利用正、反、正水泵及水轮机的二相流设计方法，设计出吸入口，叶轮、压水室的叶型及流道；(10)以此方法设计的水泵、水轮机命名为二相流水泵、二相流水轮机。全文摘要本发明的水力机械的二相流设计方法是依据“相对抽吸”，“相对阻塞”的概念，把清水作为参照量，把固体作为动边界条件，对水泵、水轮机按二相流速度场设计叶型和流道。其主要优点是(1)效率高，平均节能20～40％；(2)运行汽蚀性能好，不发生汽蚀破坏，撞击磨损小，使用寿命长；(3)适合高浓度输送。文档编号F04D29/68GK1085293SQ9111128公开日1994年4月13日 申请日期1991年12月5日 优先权日1991年12月5日发明者蔡保元 申请人:中国机械工业技术总公司