船舶压载水系统自清滤器水力驱动叶轮的设计

陈 明

(海军驻江苏科技大学选培办,江苏 镇江 212003)

船舶压载水系统自清滤器水力驱动叶轮的设计

陈 明

(海军驻江苏科技大学选培办,江苏 镇江 212003)

结合船舶压载水管理系统自清滤器，采用升力法设计理论，对无动力自清滤器的轴流式水力驱动叶轮进行了设计。详细介绍了升力法设计叶轮的理论依据和计算步骤，包括叶轮外形参数轮毂比和叶片数的选择，以及叶片截面参数叶栅稠密度、叶片厚度等的选择计算。通过Solidworks软件对所设计的叶轮进行了三维实体建模，并导入到Fluent软件中进行数值模拟与简单的水力性能分析。

压载水系统；自清滤器;升力法;水动力;叶轮

0 引言

为控制和预防外来水生物随船舶压载水传播给到岸国带来的危害，2004年2月13日，国际海事组织(IMO)制定了《2004年国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》(以下简称“公约”)。该公约规定了当世界商船总吨位不少于35%，且至少有30个国家批准后，在其后的12月公约生效。 截止到2015年1月6日，已有43个国家加入了公约，其商船的保有量已占世界商船总吨位32.54%[1]，因此，船舶压载水防海生物系统的研发工作迫在眉睫,但是目前还未研制出一种能满足安全、有效、可操作及经济性要求的压载水防海生物处理技术。

过滤装置作为公约设定的必要设备，虽然原理简单，安装方便，初始费用低，对环境无破坏，但在船舶机舱空间内，在满足最小微生物的前提下体积应尽可能小。由于压载水中的泥沙和絮状物易堵塞滤网，为了保证压载水供给充分，需对滤网反冲洗，这样会消耗电机的驱动能且花费时间[2]。另外，为保证压载水供给量充沛，需要在同等的过滤器体积内尽可能多地增加滤网的面积[2-3]。针对压载水处理系统中的过滤技术所存在的诸多问题，如压载管道的水能损失及过滤器反冲洗消耗量大等问题，本文拟设计一个水力驱动的叶轮，以代替电动泵用来驱动过滤器的反冲洗装置。这样，既能充分利用压载管道的水能，又能解决过滤器反冲洗消耗能量的问题。同时，可以降低自清洗滤器的高度，减小自清洗滤器的体积，达到适宜安装、节能环保的目的。

本文以流量Q为200 m3/h，扬程H为32 m的压载水管理系统的自清滤器作为设计对象，依据升力法设计1个外径D为200 mm的水力驱动叶轮，并基于Solidworks对叶轮进行了三维实体建模，然后导入到Fluent中进行数值模拟，最后对所设计的叶轮进行水力性能分析。

1 设计依据

1.1 基本理论

设计的水力驱动叶轮实质上是一种将水能转换为机械能的能量转化装置，其功能类似于水轮机。本文设计的叶轮是轴流式的，属于轴流式水力机械。而轴流式转轮叶片的设计理论源于轴流叶片泵的设计理论，其设计理论均为二维理论[4]。其简化假设条件如下。

(1)流体为不可压的理想流体，运动为定常状态。

(2)流体运动为轴对称。

(3)液体绝对运动中无旋转。

(4)流体在不同的圆柱形流面上运动，其绝对、相对速度的径向分量为零。

(5)轴向(面)速度为定常。

根据此5项假设，即可得出轴流泵叶轮内流体的绝对、相对流场：

(1)

(2)

式中：vz为轴向速度，vu为径向速度，Q为通过叶轮的流量，D为叶轮直径，Dh为叶轮轮毂直径，g为加速度，HE为沿流线的能量，R为某一圆柱形流面的半径，ω为叶轮旋转角速，u为圆周速度。

其能量方程为：

(3)

式中：C为常数，p为流体静压力，w为相对流速，ρ为流体密度。

当w、ρ已知时，可计算出静压力。

当规定沿流线的能量变化值HE后，即可求出绝对流场和相对流场，从而得到流体绝对运动和相对运动的流线。叶轮进口和出口部分的相对运动流线就是叶轮叶片上的骨线，如按一定厚度加厚骨线，即可获得叶片剖面。将若干叶片剖面按某基准堆叠，就能设计出三维实体叶片。此即理论上的叶片设计方法。

实际工作中，若要规定能量HE沿流线的最佳变化值是非常困难的，所以，人们在轴流泵叶片设计中，通常利用叶片进口HE=H1(叶片进口流体能量)时所对应的均匀流场与叶片出口HE=H2(叶片出口流体能量)时所对应的均匀流场。其中，叶片出口流体能量与叶片进口流体能量之差就是泵的理论扬程Ht=H2-H1，因此，新的均匀相对流场的相对速度为：

(4)

式中：w∞为合成后新的均匀相对流速，称为无穷远相对来流速度；w1、w2分别为沿流线的流体能量等于叶片进口和出口处能量所对应的均匀流场的相对流速。

根据该合成流场设计叶片，就能得到满足预定的水力性能要求的叶轮。

利用合成后新的均匀相对流速w∞设计轴流泵叶片的方法有多种，本文主要探讨升力法在叶轮设计中的应用。

1.2 设计方法

作为最早在实际设计中广泛运用的轴流泵叶轮理论之一，升力法是目前国内设计人员经常使用的设计方法之一，其思想是：应用空气动力学对于机翼翼型的研究，并依据经验积累和试验数据进行适当修正的设计方法。在积累大量的模型试验数据以及母型泵数据的前提下，研究人员得出了升力法是一种准确、实用的轴流泵叶轮的设计方法[5]。本文采用该种设计方法对叶轮进行设计。

升力法理论有2个假设，其一基本假设称之为圆柱层无关性假设，该假设设定在轴流式转轮内，水流通过叶轮半径方向时速度为零，并设定在计算中，将叶片视为简化的5～6个平面直列叶栅[6]；其二为补充假设，其假定转轮的叶片数稀少，叶栅中的液体绕流接近于单个翼型的绕流，栅中翼型相互作用，对绕流特性影响较小，此时，将轴流式叶栅中的每个翼型视为相互独立的，即可应用所测得的单个翼型动力特性来设计叶片。考虑到假设的近似性原理，通常设计者需根据经验资料对流体绕流栅中的翼型与单个翼型的差异进行修正(或认为近似相等，不加修正)。采用升力法设计叶轮时，需要依据大量的试验数据，通常情况下，设计者多采用半理论半经验的方法[7]。为了满足轴流式水力机械内部实际的水流状态，可依据具体的设计要求，合理地选择叶片出口环量的分布规律，在转轮(叶轮)叶片的径向方向按不等功来进行叶片的设计。

传统的升力法设计叶片的基本方程式[8]如下：

(5)

式中：Cyp为叶栅的升力系数；l为翼型弦长；t为栅距；Δvu=vu1-vu2,vu1、vu2分别为叶片进出口速度圆周分量；β∞为来流角；λ为叶栅绕流受力与升力之间的夹角。

1.3 计算步骤

采用升力法设计叶片的步骤[7]如下。

步骤1 确定基本参数(如扬程、转速、过流部件外形、叶片数等)。

步骤2 确定转轮计算截面，求得进出口处的速度三角形。

步骤3 选择翼型和l/t，根据式(5)求出cyp，并校正至单翼升力系数cy，再结合翼型的动力特性，确定各截面的冲角α和翼型安放角β；也可先给定α，由翼型特性确定cy并修正至cyp，然后根据式(5)确定l/t。在试验资料详实、充分的条件下，采用该设计方法能够做到方便准确，大大提高了设计速度。

2 叶片的设计计算

因所选压载水供水系统的管道直径为200 mm，供水流量为200 m3/h，故取流量Q=200 m3/h，叶轮外径D=200 mm进行设计。

2.1 叶轮外形参数的选择

2.1.1 轮毂比Dh/D的选择

由《现代泵设计手册》可知，轮毂用来固定叶片，在结构和强度上应保证叶片(包括调节叶片)的要求。为提高水力性能，适当减小轮毂比可减小水力摩擦损失，增加过流面积，有利于抗汽蚀性能的改善。但是过分的减小轮毂比，会增加叶片的扭曲，当偏离设计工况时，会造成液体流动的紊乱，在叶轮进出口形成二次回流，降低泵效率，高效范围变窄。

水力驱动叶轮对结构和强度要求高。为了提高水力性能，应选取较小的轮毂比。本文选取轮毂比Dh/D=0.34，则Dh=68 mm。

2.1.2 叶片数的选择

随着叶片数的增加，扬程、功率和效率都会逐渐增加。用数值模拟研究叶片数变化对轴流泵性能的影响发现，轴流泵在叶片数为6～7片时效率最高[6]，因此，为提高叶轮水力转化效率，叶片数Z选择为6片。

最终叶轮的外形参数为：

设计流量Q=200 m3/h;叶轮外径D=200 mm，轮毂比Dh/D=0.34，叶片数Z=6。

2.2 叶片截面参数的选择计算

将叶片等距分成5个圆柱截面，分别计算每个截面上的叶片参数[9]。

2.2.1 叶栅稠密度的选择

l/t是轴流泵叶轮的重要几何参数，它直接影响泵的效率，也是决定汽蚀性能的重要参数。一方面，减小l/t，表征叶轮叶片总面积减小，叶片两面的压差增加，将使汽蚀性能变坏；但另一方面，因摩擦面积减小，可以提高效率。另外，相对速度最大的外缘处，也是最容易发生汽蚀的部位[8]。在选择l/t时，应考虑以下3点：

(1)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l/t除考虑其他因素外，还应当考虑叶片数多少。根据试验研究，选择外缘侧的l/t值，供设计时参考。

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)适当减小外缘侧的l/t，增加轮毂侧的l/t，以减小内外侧翼型的长度差，均衡叶片出口扬程。

(3)修圆叶片进口外缘部分，以提高叶片的抗汽蚀性能。

本设计选用的叶片边缘到轮毂间的各截面的叶栅稠密度从0.8～1.0线性变化。

2.2.2 叶片厚度y的确定

轮毂处的翼型厚度按强度条件确定,通常按式(6)粗略估算：

(6)

(7)

轮缘截面的厚度按其工艺条件确定。其轮缘截面相对厚度：

(8)

从轮毂到轮缘，其厚度可按直线规律变化。本设计选用的叶片边缘到轮毂间各截面的相对厚度从5%～10%线性变化。

2.2.3 叶片翼型的选择

选择叶片翼型时不仅要考虑叶轮效率，还要考虑叶轮的抗汽蚀性能。

叶轮的抗汽蚀性能与其升力系数有关。其升力系数越大，升力也就越大，这使得叶轮中翼型工作面和被压面的压力差增大，叶轮的汽蚀可能性增大。因此，设计叶轮时，所选用的升力系数受到汽蚀条件限制的。

NACA(4 406～4 415)翼型是美国航空咨询委员会提出对翼型进行设计的参数模板。该参数翼型模板经常用来设计叶轮。

本设计选用的叶片边缘到轮毂间各截面的翼型从4 406～4 410线性变化。

叶片截面参数的设计结果见表1。

表1 叶片截面参数设计计算结果

参数截面12345截面直径/mm68101134167200节距t/mm35.652.8870.1687.44104.7叶栅稠密度l/t/mm1.00.950.900.850.80弦长l/mm35.650.23663.14474.32483.8y/l/(%)15107.565y/mm5.345.04.744.464.18翼型的型号NACA44104409440844074406

3 三维建模和数值模拟

3.1 叶轮三维模型的生成

通过Profili软件[9]导出相关翼型坐标的原始数据，导入到Excel中，根据设计计算所求得的翼型的弦长l和厚度y做相应的转换。

将变换求得翼型数据导入到Solidworks里，生成叶片实体如图1所示，完成叶轮的三维实体建模。

图1 叶轮的三维建模功能

3.2 叶轮的数值模拟

由叶轮三维模型生成流体计算域，并定义出非结构化网格，对流域进行离散化处理，再对叶片、交接面以及近壁区域采用加密网格，整体流域的网格划分如图2所示。将进口边界条件定义为速度进口，并选用压力出口，不同区域的交接面采用内部界面的边界条件，其壁面采用无滑移的固壁边界，并定义固体边界的粗糙度为0.5，近壁处采用标准壁面函数来确定边界层流动。采用有限体积法离散方程，使用压力—速度耦合的方法，并选用SIMPLE算法，利用其二阶迎风差分格式。对流动场的求解采用多重参考系法，将计算域分为2种：桨叶附近区域在旋转参考系下计算，而其他区域使用静止参考系，选用RNGK-ε湍流模型封闭方程。

图2 整体流域的网格划分

叶片压力面和吸力面的静压分布及涡量分布情况如图3所示。

4 结语

针对压载水处理系统中过滤器的反冲洗消耗量大、耗能多的问题，本文设计1个水力驱动的叶轮来代替原有的驱动电机，以达到节能高效的目的。所设计的水力驱动叶轮可为自清洗过滤器提供滤网旋转清洗的动力，为研制更高效、节能、环保的压载水处理系统提供了有效的无功耗的过滤设备，从而为进一步降低系统的能耗提供了一种可选的有效方案，具有广阔的市场前景。同时，本文是基于传统的升力法理论设计的叶轮，其设计上还存在不足，需要进一步的修正改进，以达到结构上的最优化。

图3 叶片压力面和吸力面的静压分布及涡量分布

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2015-11-03

陈明(1966—)，男，副教授，从事高等教育、船舶装备方面工作。

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