船舶壓載水系統自清濾器水力驅動葉輪的設計

陳 明

(海軍駐江蘇科技大學選培辦,江蘇 鎮江 212003)

船舶壓載水系統自清濾器水力驅動葉輪的設計

陳 明

(海軍駐江蘇科技大學選培辦,江蘇 鎮江 212003)

結合船舶壓載水管理系統自清濾器，采用升力法設計理論，對無動力自清濾器的軸流式水力驅動葉輪進行了設計。詳細介紹了升力法設計葉輪的理論依據和計算步驟，包括葉輪外形參數輪轂比和葉片數的選擇，以及葉片截面參數葉柵稠密度、葉片厚度等的選擇計算。通過Solidworks軟件對所設計的葉輪進行了三維實體建模，并導入到Fluent軟件中進行數值模擬與簡單的水力性能分析。

壓載水系統；自清濾器;升力法;水動力;葉輪

0 引言

為控制和預防外來水生物隨船舶壓載水傳播給到岸國帶來的危害，2004年2月13日，國際海事組織(IMO)制定了《2004年國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》(以下簡稱“公約”)。該公約規定了當世界商船總噸位不少于35%，且至少有30個國家批準后，在其后的12月公約生效。 截止到2015年1月6日，已有43個國家加入了公約，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的研發工作迫在眉睫,但是目前還未研制出一種能滿足安全、有效、可操作及經濟性要求的壓載水防海生物處理技術。

過濾裝置作為公約設定的必要設備，雖然原理簡單，安裝方便，初始費用低，對環境無破壞，但在船舶機艙空間內，在滿足最小微生物的前提下體積應盡可能小。由于壓載水中的泥沙和絮狀物易堵塞濾網，為了保證壓載水供給充分，需對濾網反沖洗，這樣會消耗電機的驅動能且花費時間[2]。另外，為保證壓載水供給量充沛，需要在同等的過濾器體積內盡可能多地增加濾網的面積[2-3]。針對壓載水處理系統中的過濾技術所存在的諸多問題，如壓載管道的水能損失及過濾器反沖洗消耗量大等問題，本文擬設計一個水力驅動的葉輪，以代替電動泵用來驅動過濾器的反沖洗裝置。這樣，既能充分利用壓載管道的水能，又能解決過濾器反沖洗消耗能量的問題。同時，可以降低自清洗濾器的高度，減小自清洗濾器的體積，達到適宜安裝、節能環保的目的。

本文以流量Q為200 m3/h，揚程H為32 m的壓載水管理系統的自清濾器作為設計對象，依據升力法設計1個外徑D為200 mm的水力驅動葉輪，并基于Solidworks對葉輪進行了三維實體建模，然后導入到Fluent中進行數值模擬，最后對所設計的葉輪進行水力性能分析。

1 設計依據

1.1 基本理論

設計的水力驅動葉輪實質上是一種將水能轉換為機械能的能量轉化裝置，其功能類似于水輪機。本文設計的葉輪是軸流式的，屬于軸流式水力機械。而軸流式轉輪葉片的設計理論源于軸流葉片泵的設計理論，其設計理論均為二維理論[4]。其簡化假設條件如下。

(1)流體為不可壓的理想流體，運動為定常狀態。

(2)流體運動為軸對稱。

(3)液體絕對運動中無旋轉。

(4)流體在不同的圓柱形流面上運動，其絕對、相對速度的徑向分量為零。

(5)軸向(面)速度為定常。

根據此5項假設，即可得出軸流泵葉輪內流體的絕對、相對流場：

(1)

(2)

式中：vz為軸向速度，vu為徑向速度，Q為通過葉輪的流量，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為葉輪旋轉角速，u為圓周速度。

其能量方程為：

(3)

式中：C為常數，p為流體靜壓力，w為相對流速，ρ為流體密度。

當w、ρ已知時，可計算出靜壓力。

當規定沿流線的能量變化值HE后，即可求出絕對流場和相對流場，從而得到流體絕對運動和相對運動的流線。葉輪進口和出口部分的相對運動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堆疊，就能設計出三維實體葉片。此即理論上的葉片設計方法。

實際工作中，若要規定能量HE沿流線的最佳變化值是非常困難的，所以，人們在軸流泵葉片設計中，通常利用葉片進口HE=H1(葉片進口流體能量)時所對應的均勻流場與葉片出口HE=H2(葉片出口流體能量)時所對應的均勻流場。其中，葉片出口流體能量與葉片進口流體能量之差就是泵的理論揚程Ht=H2-H1，因此，新的均勻相對流場的相對速度為：

(4)

式中：w∞為合成后新的均勻相對流速，稱為無窮遠相對來流速度；w1、w2分別為沿流線的流體能量等于葉片進口和出口處能量所對應的均勻流場的相對流速。

根據該合成流場設計葉片，就能得到滿足預定的水力性能要求的葉輪。

利用合成后新的均勻相對流速w∞設計軸流泵葉片的方法有多種，本文主要探討升力法在葉輪設計中的應用。

1.2 設計方法

作為最早在實際設計中廣泛運用的軸流泵葉輪理論之一，升力法是目前國內設計人員經常使用的設計方法之一，其思想是：應用空氣動力學對于機翼翼型的研究，并依據經驗積累和試驗數據進行適當修正的設計方法。在積累大量的模型試驗數據以及母型泵數據的前提下，研究人員得出了升力法是一種準確、實用的軸流泵葉輪的設計方法[5]。本文采用該種設計方法對葉輪進行設計。

升力法理論有2個假設，其一基本假設稱之為圓柱層無關性假設，該假設設定在軸流式轉輪內，水流通過葉輪半徑方向時速度為零，并設定在計算中，將葉片視為簡化的5～6個平面直列葉柵[6]；其二為補充假設，其假定轉輪的葉片數稀少，葉柵中的液體繞流接近于單個翼型的繞流，柵中翼型相互作用，對繞流特性影響較小，此時，將軸流式葉柵中的每個翼型視為相互獨立的，即可應用所測得的單個翼型動力特性來設計葉片。考慮到假設的近似性原理，通常設計者需根據經驗資料對流體繞流柵中的翼型與單個翼型的差異進行修正(或認為近似相等，不加修正)。采用升力法設計葉輪時，需要依據大量的試驗數據，通常情況下，設計者多采用半理論半經驗的方法[7]。為了滿足軸流式水力機械內部實際的水流狀態，可依據具體的設計要求，合理地選擇葉片出口環量的分布規律，在轉輪(葉輪)葉片的徑向方向按不等功來進行葉片的設計。

傳統的升力法設計葉片的基本方程式[8]如下：

(5)

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

1.3 計算步驟

采用升力法設計葉片的步驟[7]如下。

步驟1 確定基本參數(如揚程、轉速、過流部件外形、葉片數等)。

步驟2 確定轉輪計算截面，求得進出口處的速度三角形。

步驟3 選擇翼型和l/t，根據式(5)求出cyp，并校正至單翼升力系數cy，再結合翼型的動力特性，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，然后根據式(5)確定l/t。在試驗資料詳實、充分的條件下，采用該設計方法能夠做到方便準確，大大提高了設計速度。

2 葉片的設計計算

因所選壓載水供水系統的管道直徑為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進行設計。

2.1 葉輪外形參數的選擇

2.1.1 輪轂比Dh/D的選擇

由《現代泵設計手冊》可知，輪轂用來固定葉片，在結構和強度上應保證葉片(包括調節葉片)的要求。為提高水力性能，適當減小輪轂比可減小水力摩擦損失，增加過流面積，有利于抗汽蝕性能的改善。但是過分的減小輪轂比，會增加葉片的扭曲，當偏離設計工況時，會造成液體流動的紊亂，在葉輪進出口形成二次回流，降低泵效率，高效范圍變窄。

水力驅動葉輪對結構和強度要求高。為了提高水力性能，應選取較小的輪轂比。本文選取輪轂比Dh/D=0.34，則Dh=68 mm。

2.1.2 葉片數的選擇

隨著葉片數的增加，揚程、功率和效率都會逐漸增加。用數值模擬研究葉片數變化對軸流泵性能的影響發現，軸流泵在葉片數為6～7片時效率最高[6]，因此，為提高葉輪水力轉化效率，葉片數Z選擇為6片。

最終葉輪的外形參數為：

設計流量Q=200 m3/h;葉輪外徑D=200 mm，輪轂比Dh/D=0.34，葉片數Z=6。

2.2 葉片截面參數的選擇計算

將葉片等距分成5個圓柱截面，分別計算每個截面上的葉片參數[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，它直接影響泵的效率，也是決定汽蝕性能的重要參數。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，相對速度最大的外緣處，也是最容易發生汽蝕的部位[8]。在選擇l/t時，應考慮以下3點：

(1)從能量轉換和汽蝕性能考慮，不論葉片數多少，葉片都應當有一定的長度，用以形成理想的通道。所以選擇l/t除考慮其他因素外，還應當考慮葉片數多少。根據試驗研究，選擇外緣側的l/t值，供設計時參考。

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)適當減小外緣側的l/t，增加輪轂側的l/t，以減小內外側翼型的長度差，均衡葉片出口揚程。

(3)修圓葉片進口外緣部分，以提高葉片的抗汽蝕性能。

本設計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。其輪緣截面相對厚度：

(8)

從輪轂到輪緣，其厚度可按直線規律變化。本設計選用的葉片邊緣到輪轂間各截面的相對厚度從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有關。其升力系數越大，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，設計葉輪時，所選用的升力系數受到汽蝕條件限制的。

NACA(4 406～4 415)翼型是美國航空咨詢委員會提出對翼型進行設計的參數模板。該參數翼型模板經常用來設計葉輪。

本設計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。

葉片截面參數的設計結果見表1。

表1 葉片截面參數設計計算結果

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

3 三維建模和數值模擬

3.1 葉輪三維模型的生成

通過Profili軟件[9]導出相關翼型坐標的原始數據，導入到Excel中，根據設計計算所求得的翼型的弦長l和厚度y做相應的轉換。

將變換求得翼型數據導入到Solidworks里，生成葉片實體如圖1所示，完成葉輪的三維實體建模。

圖1 葉輪的三維建模功能

3.2 葉輪的數值模擬

由葉輪三維模型生成流體計算域，并定義出非結構化網格，對流域進行離散化處理，再對葉片、交接面以及近壁區域采用加密網格，整體流域的網格劃分如圖2所示。將進口邊界條件定義為速度進口，并選用壓力出口，不同區域的交接面采用內部界面的邊界條件，其壁面采用無滑移的固壁邊界，并定義固體邊界的粗糙度為0.5，近壁處采用標準壁面函數來確定邊界層流動。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，利用其二階迎風差分格式。對流動場的求解采用多重參考系法，將計算域分為2種：槳葉附近區域在旋轉參考系下計算，而其他區域使用靜止參考系，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 結語

針對壓載水處理系統中過濾器的反沖洗消耗量大、耗能多的問題，本文設計1個水力驅動的葉輪來代替原有的驅動電機，以達到節能高效的目的。所設計的水力驅動葉輪可為自清洗過濾器提供濾網旋轉清洗的動力，為研制更高效、節能、環保的壓載水處理系統提供了有效的無功耗的過濾設備，從而為進一步降低系統的能耗提供了一種可選的有效方案，具有廣闊的市場前景。同時，本文是基于傳統的升力法理論設計的葉輪，其設計上還存在不足，需要進一步的修正改進，以達到結構上的最優化。

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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