混流式水轮机转轮叶片三维造型的研究

传统的水轮机转轮设计包括流体动力学设计和几何设计,在几何设计中采用二维木模图来表示叶片,无法满足数字化设计与制造的要求.为了解决这一不足之处,介绍了利用CAD和Gambit进行叶片三维造型的方法.在叶片的三维造型完成后,可以实现转轮的三维造型,为转轮内流动CFD分析、性能预测和CAM提供基础.     

基于特征的离心泵叶片参数化三维造型

介绍了Pro/E二次开发的方法,对离心泵叶片三维参数化造型进行研究并建立特征模型。利用定义了参数和拓扑关系的离心泵叶片的Pro/E模型文件,通过二次开发工具Pro/TOOLKIT对模型文件中定义参数进行访问,最终完成离心泵叶片的参数化三维造型。     

基于Pro／E盒装袋葡萄酒灌装机的设计

在确定葡萄酒灌装机的总体结构和功能要求的基础上，利用逆向设计思路和Pro／E的三维造型，对葡萄酒灌装机进行模型设计；对各种零件进行模拟装配及运动分析，检查机械各构件运动是否发生干涉；再运用Pro／Mechanism模块进行有限元分析，对灌装机构进行力学计算。通过模仿真实环境下的工作并改正设计上的问题，最终完成盒装袋葡萄酒灌装机的设计与制造。     

潜水搅拌器转轮的三维造型

本课题进行的转轮实体造型的研究是有Pro／ENGINEER软件，通过输入数据来进行三维造型。为以后分析打下基础。     

基于Pro/E Wildfire的水泵叶轮精确建模

基于传统的叶片加工方式，从现有的二维水力木模图的型值点出发，基于Pro／E Wildfire软件，采用从点到线、从线到曲面、再从曲面到实体的方法，实现了泵叶轮空间扭曲叶片和圆柱形叶片的三维实体造型，利用制造模具的常用方法实现了泵叶轮和流道的造型，造型方法精确，为后续的流场数值模拟和数控加工奠定了基础。     

基于Pro/E的渣浆泵水力部件开发

基于三维实体造型软件Pro/E对渣浆泵水力部件进行计算机辅助设计的二次开发,考虑到固体颗粒对水力部件的影响,运用两相流理论设计了渣浆泵水力部件及其相关几何参数.在Windows XP操作系统平台上,借助Visual C＋＋6.0语言开发环境以及MFC可视化对话框技术,利用Pro/E的二次开发工具Pro/TOOLKIT及其相关接口函数,对渣浆泵水力部件设计进行可视化Pro/E Wildfire 2.0系统开发,渣浆泵水力部件的设计子菜单被嵌入在Pro/E的主菜单中.针对水力部件的设计实例,该软件通过渣浆泵相关子菜单弹出设计界面,在对话框中输入渣浆泵的设计参数,可实现水力部件的几何尺寸计算过程,并根据几何尺寸自动生成叶轮、副叶片、蜗壳、前后盖板等水力部件的三维造型.     

双流道泵叶轮参数化三维造型

阐述了双流道泵叶轮的结构和性能特点，指出了双流道泵参数化三维造型的意义和现状。应用PCAD2004设计了双流道泵二维水力设计图并详细分析了双流道泵叶轮的空间三维结构特点，在此基础上给出了用Pro/E进行无堵塞双流道泵叶轮三维造型的方法和过程。应用VC++6.0在Pro/TOOLKIT环境下对Pro/E进行二次开发，通过修改双流道泵三维实体模板几何特征，成功开发出了实用的双流道泵叶轮参数化三维造型程序。采用动态链接库方法实现双流道泵参数化三维造型程序与Pro/E和MFC之间的数据接口。实例应用表明该程序运行结果良好，可以满足工程应用的要求，具有推广应用价值。     

基于Pro/TOOLKIT叶片参数化软件的开发研究

为了克服在Pro/E中根据木模图提供的数据建立三维实体模型效率低、建模复杂、精度低等缺陷,实现泵的水力设计及三维叶片建模的快捷性和简便性.根据一元流动理论,以Pro/E软件为开发平台,Pro/TOOLKIT为开发工具,选择Visual C++6.0编程工具进行叶片参数化软件的开发.本程序采用了模块化的结构体系,每个模块对应的界面,能灵活地进行人机对话.实现了根据泵的设计参数,设计并建立三维实体叶片的功能.实践证明该软件不但可以直接、快速的生成叶片的三维实体模型而且可以提高泵的设计效率和精度.     

搅拌器转轮三维造型的参数化设计

搅拌器转轮的性能好坏关系到污水处理的效果,目前设计主要是依靠二维平面的CAD设计.为了能够更直观地表达出所设计转轮实际的形状,便于生产加工,利用Pro/ENGINEER软件的二次开发功能,基于参数化的设计,通过编制程序,实现了转轮的三维自动造型,为以后的批量设计生产打下一定的基础.     

Pro／E软件在机械设计中的应用

文章主要介绍了Pro／E工程软件功能及作用，并以减速器为例说明了三维实体造型的一般过程。     

混流式水轮机叶片设计与木模图的数值实现

针对传统的混流式水轮机转轮叶片设计方法（如保角变换法）设计周期较长，且不易实现叶片模型制作的状况，通过给定速度矩方程对叶型骨线方程进行逐点积分，并由包角的误差分析对速度矩方程的系数进行修正，实现叶片正面型线的设计，在叶片正面计算流面上使用导出的最大流面厚度公式直接进行叶型加厚，得到水轮机叶片的背面叶型．文中同时给出了各部分的数学分析数值计算表达式，并用CAD系统进行叶片木模图的绘形．从得到的木模图可以看出，用该方法设计更为优化，能较好地体现设计要求，并符合实际转轮叶片的形状，确保了计算和造型的准确性，可用来进一步实现水轮机的整体水力性能分析．由于模型是数值生成，故结合相应的机械加工程序，可实现叶片木模的数控加工．     

卧轴双转轮混流式水轮机的优化设计

采用CFD计算分析了国外某电站的卧轴双转轮混流式水轮机组效率较低、空化性能较差的原因：主要是流道复杂,水流不畅,导致水力损失较大.由于不允许对流道进行调整,因而只能对转轮部分进行优化研究.转轮优化从3个方面进行：采用不同的叶片翼型、调整转轮上冠线的曲度和左右转轮叶片位置.基于N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,采用SIMPLIC算法,对优化后水轮机的全流道进行了三维定常湍流计算,获得了各过流部件的流动细节,预估了水轮机的性能.计算结果表明：采用Ⅲ型叶片转轮、B形上冠线,并且当左右2个转轮叶片位置不同这一方案时,水轮机过流量增大到28.55 m3/s,左转轮效率达92.24%,右转轮效率达91.78%.同时分析了计算转轮上的绝对压力值,得到了分别采用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型叶片转轮的空化情况,结果表明：Ⅲ型叶片转轮的空化性能最好.     

轮缘间隙对贯流式水轮机转轮内部流动特性研究

以柴家峡电站原型机为研究对象,采用数值计算对水轮机转轮区域空化现象进行了系统的研究。通过改变轮缘间隙的距离,对灯泡贯流式水轮机不同轮缘间隙时的空化现象进行模拟,比较了不同间隙值转轮空化的发生状态,分析了轮缘间隙值变化对水轮机转轮空化性能及流场压力脉动的影响。结果表明:转轮内空化区域主要发生在叶片背面轮缘靠近出水边处和叶片背面轮毂间隙处,间隙值增大使轮缘处间隙空化发生剧烈。这是由于叶片与转轮室之间的位置存在间隙泄漏流动所引起的,此位置流体受到转轮主流的排挤作用并且在二次流和回流的共同作用下,间隙泄漏流动容易形成漩涡,从而致使此处的压力降低;叶片压力脉动呈现出周期性的变化,轮缘处对压力脉动所引起的振动敏感性大于叶片中部和轮毂处,当间隙值远离设计值时,压力幅值变化剧烈。     

叶片包角对水轮机模式多级液力透平性能的影响

为了研究叶片包角对水轮机模式液力透平性能的影响,以1台二级透平为研究对象,分别设计转轮叶片包角为20°,30°,40°和50°,采用Fluent软件进行数值计算.结果表明:叶片包角对透平水力性能影响显著,随着包角的增大,透平水头逐渐升高,效率先增大后减小,设计工况下,当包角为30°时效率最高,达到80.24%.受一级转轮出口负环量的影响,二级转轮进口环量低于一级转轮进口环量,从而导致二级转轮效率比一级转轮效率低.通过对其压力脉动特性分析发现,转轮内的压力脉动较其他过流部件脉动强度大,二级转轮内的压力脉动最强,适当的包角取值能够降低各过流部件的压力脉动幅值.针对包角为30°的透平进行试验,数值计算结果与试验结果性能曲线变化趋势一致,验证了数值模拟结果的准确性.     

高含沙水流水轮机转轮的改型与抗磨蚀研究

进行高含沙水流水轮机转轮的改型研究，关键是要从正确确定转轮设计参数和轴面流道型式入手，根据三维水力设计理论，考虑导叶与转轮匹配关系进行叶型设计，针对不同破坏机理选择强磨蚀区采用金属喷涂或非金属保护等综合措施，使水轮机在高舍沙水流中运行时出力增加、抗磨蚀能力提高。     

混流式转轮叶片数对鱼类撞击死亡率的影响

鱼类在通过水轮机流道时会受到其内部高速旋转的转轮叶片撞击而出现伤亡。为了优化某电站混流式转轮的鱼类通过生存率,综合计算流体动力学分析方法与鱼类-叶片撞击的数学模型,研究了不同优化转轮方案下的鱼类撞击死亡率及机组能量性能,获得了混流式水轮机过流量及转轮叶片数对鱼类死亡率的影响规律。研究结果表明,在额定水头下,鱼类通过转轮的撞击死亡率与转轮的流量以及叶片数呈正相关关系;对于原始转轮,当流量增加到额定流量时,鱼类通过转轮的撞击死亡率达到了16.85%;而叶片数为13和11的两个优化转轮则使额定流量下的鱼类撞击死亡率比原始转轮分别降低了2.93和5.3个百分点。最后,通过分析两个优化转轮的鱼类生态性能与能量性能,选择采用13叶片的优化转轮作为最终方案。     

大型轴流泵反向发电压力脉动及流固耦合

为研究南水北调东线某泵站机组反向发电的稳定性,对流道进行了全数值模拟,以研究反向发电工况的压力脉动及应力分布规律.在导叶进口、转轮进口和出口3个截面设置监测点.计算结果表明,轴流泵在反向发电工况下,转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律.压力脉动频率受转轮转频影响,集中在低频.转轮进口处中部及边缘处水流压力脉动明显,最大压力脉动发生在转轮出口处的中部水流,压力脉动幅值是转轮出口边缘处的近3倍,是转轮进口处中间及边缘的近2倍.叶轮出口处,压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大.研究结果表明,叶片总形变主要分布在叶片进水侧,其形变沿轮毂到轮缘方向逐渐增大;应力主要集中在叶片压力面与吸力面的根部,最大等效应力出现在叶片吸力面的叶轮根处.最大等效应力值在叶片材料安全范围内,对转轮运转机组寿命及破坏不构成影响.     

导叶开度对混流式水轮机转轮叶片表面空化性能的影响

由于在一些中小型水电站中,其水轮发电机组的转轮叶片表面常常会发生空化现象,较大程度地影响了机组的安全可靠运行。从某水电站的转轮叶片空化问题出发,首先对该混流式水轮机进行三维建模,然后进行全流道数值模拟,分别对不同导叶开度下转轮叶片表面压力、空泡体积分布规律进行分析。研究发现:随着水头的增加,吸力面低压区面积进一步扩大。特别是40%开度时叶片吸力面低压区面积增大最多,且随着水头的继续增加,低压区有向叶片中部移动的趋势;同时在40%开度下叶片表面空化受水头影响较大,而在100%开度下叶片表面空化受水头影响并不大,但随着导叶开度的增大,叶片表面越容易发生空化,特别是叶片吸力面出水边靠近下环处空化更明显。研究结果可为该水轮发电机组的安全稳定运行提供理论参考依据。     

叶片高压边安放角对高水头水泵水轮机性能的影响

基于低比转数混流式转轮设计程序,在保证转轮其他参数一致的条件下,分别设计了3个具有不同高压边安放角的叶片,并采用CFD技术对3个转轮分别进行了5个水轮机工况和5个水泵工况的全流道数值模拟,分析了叶片高压边安放角对水泵水轮机能量特性、水轮机工况转轮的来流和水泵工况转轮与活动导叶的动静干涉现象的影响.研究表明,水轮机工况下,数值计算的叶片冲角绝对值大于给定冲角的绝对值,叶片的负冲角越大,导致转轮进口撞击越剧烈,引起水轮机工况水力效率略有下降,但是对转轮内流态扰动很小.水泵工况下,叶片高压边安放角越大,与其相匹配的活动导叶转角越小;由于安放角2叶片与14°转角的活动导叶和固定导叶三者相匹配,其水力效率相对最高;而其他3种高压边安放角叶片由于不匹配,内部流场出现了撞击、脱流和回流等不稳定现象,引起水泵工况水力效率的严重下降.     

基于偏微分方程的离心泵叶片反设计方

为实现离心泵叶片的参数化优化设计,将微分方程分别应用于叶轮的轴面设计及叶片空间曲面的生成,首先用4次Bezier曲线控制叶轮轴面,用偏微分方程方法生成轴面流线及准正交线,其次用偏微分方程的方法来生成离心泵叶片空间曲面,根据叶片型线方程,利用控制叶片安放角的分布规律来控制叶片边界上点的圆周角坐标,从而控制微分方程的边界条件,最后达到控制叶片形状的目的.实现了叶片的参数化设计.采用梯度优化的方法将正问题的计算结果用于反问题中对叶片型线的更新,实现了泵叶片的优化设计.应用实例表明提出的离心泵叶片反设计方法是可行的.