探索轴流式翼型桨设计理论与方法来指导搅拌桨的设计, 对提高搅拌设备的设计水平, 提升搅拌设备的研制具有重要意义。这里借鉴轴流泵和轴流式水轮机的转轮设计理论来进行轴流式搅拌桨的型线计算和叶轮的水力设计。
1 用奇点分布法设计轴流式搅拌桨
轴流式叶轮中的液流运动是复杂的三维运动, 目前, 三维直接反问题的计算还处于初级阶段, 这方面的研究成果在实际设计工作中还难于发挥其作用。实际工程中应用的轴流式叶片的设计理论都是二维流动理论。二维流动理论的计算假定是: (1) 流体是不可压的理想流体, 运动是定常的; (2流动是轴对称的; (3) 液体的绝对运动无旋 (4) 流体在不同的圆柱形流面上运动, 即绝对、相对速度的径向分速度为零; (5) 轴向 (面) 速度为常数。根据以上假定, 下面采用奇点分布法来设计轴流式搅拌叶轮。
1.1 初步参数分析和参数选取
(1) 叶轮直径D。叶轮直径可按合适的轴面速度确定。轴面速度与圆周速度有一定的关系, 以保证得到最优的叶片进口安放角β。按下式确定的轴面速度, 实践证明效果很好。
(2) 轮毂比。轮毂用来固定叶片, 在结构和强度上应保证安装叶片 (包括调节叶片的要求。
(3) 叶栅稠密度1/t。在选择叶栅稠密度1t时, 从能量转换和汽蚀性能考虑, 不论叶片数多少, 叶片都应当有一定的长度, 用以形成理想的通道, 所以选择1/t除考虑其它因素外还应当考虑叶片数多少, 根据试验研究, 推荐外缘处的1/t值为:Z=3, 1/t=0.6~0.75;Z=41/t=0.75~0.85;Z=5, 1/t=0.8~0.9。叶栅稠密度还可以根据设计的需要进行必要调整。
(4) 叶片数。叶片数通常按照表1中的推荐值选取。
(5) 计算截面的选取。轴流式转轮叶片的水力设计实际上是先计算出几个 (通常为5个) 圆柱面上的翼型展开图的骨线坐标, 再参照良好的翼型沿其骨线加厚, 最后把这些有一定厚度的翼型按一定关系组合成叶片。为此, 首先把欲设计的转轮叶片分
1.2 奇点分布法计算轴流式转轮叶片步骤
奇点分布法设计轴流式叶片的要点是选定环量密度y (s) , 求解由平面平行来流和分布涡所产生的流速场。利用液流绕流无脱体的条件绘制叶型。应用奇点分布法设计轴流式转轮叶片主要包括:根据给定条件确定转轮流道主要几何参数、转轮计算参数, 选取转轮进出口轴向流速和速度矩沿半径方向的分布规律, 取5~7个计算断面按平面直列叶栅计算翼型骨线形状及其安放角。选定翼形加厚规律在骨线上加厚, 即可得到各计算断面翼形展开图[1]。
应用奇点分布法计算平面直列叶栅时要选取环量密度。环量密度仅仅表示分布涡的分布规律, 并不给出各个涡点坐标。但是在求分布涡的诱导流速时, 除应选取分布涡的分布规律外, 还应知道翼型骨线形状, 而翼型骨线形状正是求解绕流反问题的结果。因此要用迭代法进行计算。应用奇点分布法计算轴流式叶片大体上可按下述步骤进行: (1) 确定轴面速度vm、速度环量Γ分布规律; (2) 计算各截面进、出口速度三角形, 确定相关速度; (3) 计算绕翼型的环量; (4) 选取环量密度; (5) 第一次近似翼型计算; (6) 第二次近似翼型计算。
1.3 木模图的绘制
木模图一般包括叶片各计算截面的翼型剖面图、叶片轴面投影图和平面投影图。用该图就可以做出供制造叶片用的木模和供检查叶片型线用的样板。绘制叶片木模图是水力设计的最后一项工作。叶片木模图通常均按叶片转角为0°位置给出各计算截面翼型的坐标值[2]。
(1) 翼型的最大厚度。应用奇点分布法计算由薄翼翼型组成的叶棚时, 计算结果仅得到翼型骨线。为得到具有所需厚度翼型, 就要先确定翼型的最大厚度, 再参照性能良好的翼型进行加厚, 从而获得有一定厚度的翼型。计算和试验均表明:最大应力出现在叶片根部断面和叶片出水边与圆柱截面之间的斜面上。所以靠近转轮轮毅断面翼型厚度应比其它断面大些。在按常规选取转轮轮毂比情况下, 建议轮毂处翼型断面最大厚度‰= (0.04-0.045) D, 转轮轮缘处翼型断面最大厚度‰= (0.01—0.017) D, 各中间断面可按沿半径向下凹的分布规律选取相应的厚度。按所取的厚度变化规律在翼型骨线上加厚翼型。最后进行转轮叶片的强度校核。
(2) 沿骨线加厚。第二次近似计算以后, 翼型的骨线就可以作出。这里可以参照成熟的翼型参数进行沿骨线加厚。这里由于搅拌器转速很慢, 而且以内循环为主, 所以对汽蚀性能要求不高, 这里选用的是效率较高的NACA4412翼型进行骨线加厚。
(3) 翼型转动轴线位置。在选定翼型最大厚度和翼型厚度沿骨线变化规律后, 就可以在各翼型骨线上作各计算截面的翼型剖面图。选定翼型转动轴线并按此把各计算截面翼型组成转轮叶片。确定翼型转动轴线时应考虑以下两点。
(1) 转动轴线位置必须使转轮叶片开启和关闭时具有相近的水力矩。为此应使翼型转动轴线位置尽可能靠近翼型的升力作用线。研究表明, 对稠密度为1/t=0.5的稀疏型叶栅, 沿翼型的压差分布接近三角形分布, 这时升力作用线距翼型前缘约为0.3511, 而对稠密度为1/t=1.3的稠密叶栅, 最大压差所在位置移向翼型中部, 升力作用线距翼型前缘约为0.451, 1为翼型弦长, 参照上述数据确定翼型转动轴线, 应使之尽可能位于翼型内并靠近翼型中心。
(2) 所确定的翼型转动轴线应使各计算截面翼型出水边位于同一轴截面上, 以便于叶片的制作和型线的检查。同时当叶片转角Φ=0°时转轮叶片出水边应尽可能在同一个水平面上。
(4) 表面光滑性检查。通常是用几组不同的截面切割叶片, 检查叶片被切割面上的截线是否平顺光滑。多用两种截面检查转轮叶片表面的光滑性。一为轴截面, 一般可取8~10个左右角度相等的轴截面切割叶片, 可得到轴截面与叶片的交线, 检查叶片在轴面上的光滑性。另一为水平面, 用垂直于轴线的水平截面切割叶片, 检查叶片的光滑性。若所得截线不够光滑可修改转轮叶片转动轴线的位置或翼型厚度。即用一组水平截面1-1、2-2、切割叶片, 各水平截面和翼型正面、背面分别交于两点, 量出叶片转动轴线到各交点的水平距离, 在叶片平面图相应圆柱上标出, 将同一水平截面与各翼型正背面的交点分别用光滑曲线连接。
2 结语
本文选取奇点分布法作为本文拟采用的轴流式搅拌桨的设计方法, 着重介绍了应用该方法设计搅拌桨时的参数的选取、具体设计步骤以及如何绘制木模图。
摘要：搅拌设备是一种量大面广、品种繁多的机械产品, 在诸多行业中得到广泛的应用, 尤其以化学工业中使用最多。本文应用奇点分布法, 对于轴流式搅拌桨的设计工作进行探讨, 有利于研制循环能力强, 剪切作用小的高效轴流式叶轮。
关键词：搅拌设备,轴流式搅拌桨,奇点分布法,参数分析,木模图
参考文献
[1] 徐洁, 谷传纲.长短叶片离心泵叶轮内部流动的数值计算[J].化工学报, 2004, 55 (4) .
[2] 张梅, 严敬.轴流叶轮设计的翼型计算新方法[J].四川工业学院学报, 2003, 22 (1) .