【doc】喷水推进轴流泵叶轮强度计算

【doc】喷水推进轴流泵叶轮强度计算 喷水推进轴流泵叶轮强度计算 2005年第33卷第ll期流体机械33 文章编号:1005----0329(2005)1l—0o33—04 喷水推进轴流泵叶轮强度计算 吴刚.王立祥.张新 (中船集团公司第708研究所,上海200011) 摘要:对喷水推进轴流泵的叶轮受力情况进行了分析,并分别推导出 了等环量和变环量 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 下的强度校核公式,可 供设计人员参考使用. 关键词:轴流泵;喷水推进;强度计算 中图分类号:TH312文献标识码:A StrengthCalculationofWater-jetAxialPumpImpeller wUGang,WANGLi-xiang,ZHANGXin (MarineDesign&ResearchInstituteofChina,Sha.ghai200011,China) Abstract:Thestrengthanalyseofthewaterjetaxialpumpimpellerwasdetaile d,atthe$anletime,thestrengthcheckingformulasof invariableandvariablecirculationdesignwerebroughtupintheendofthisarti cle. Keywords:axialpump;water-jet;strengthcalculation 符号 —— 叶栅的无扰动来流速度,m/s —— 叶栅无扰动来流的轴向分速度,m/s . —— 叶栅无扰动来流的周向分速度,m/s ,—— 流体轴面速度,流体周向速度,m/s 卜一叶剖面弦长,mill r——环绕翼元的速度环量,m2/s —— 沿径向单个叶片的环量分布平均值,m2/s —— 叶栅无扰动来流角,. rr)——某半径处单个叶片的环量,m2/s y——液体重度,N/m3,y=Pg ,——栅距,mill,t=2rcr/z 尺——叶轮半径,mill —— 轮毂半径,mill rn——轮毂密封处的半径(或轴径),mill 艿——计算切面最大厚度,mill —— 扬程系数 —— 流量系数 d——毂径比,d=rh/R pm——叶轮材料的密度,ks/m3 d——流体作用在翼片上的轴向推力,N 收稿日期:2oo5—o8—26 dP.——流体作用在翼元上的圆周分力(旋转阻力),m no——叶轮转速,s —— 叶片数 尸——流体作用在叶轮轮毂端面上的轴向力,N —— 设计扬程,m —— 理论扬程,m —— 由流动动力的旋转阻力产生的弯矩,N?m —— 由流动动力的轴向力产生的弯矩,N?m —— 水力效率 —— 螺距角,. (r)——环量分布系数 1,2——下标,叶轮进,出口 1前言 船舶喷水推进轴流泵的流量系数和扬程系数 比工业,水利,农业用的轴流泵流量系数,扬程系 数大得多…1,这必然带来船舶喷水推进轴流泵叶 轮的受力较其他用途轴流泵的更大,加之轴流泵 叶轮根部弦长和厚度影响推进泵的性能,故较精 确的强度计算对于船舶喷水推进轴流泵的设计相 当重要.本文在 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 文献[2,3]的基础上,对喷水 34FLUIDMACHINERYVo1.33,No.11,2005 推进轴流泵叶轮根部受力进行了分析并详细推导 了强度校核公式. 2叶轮受力分析 本文仅讨论叶轮等转速下的轴流泵强度计算, 此时流体作用在叶轮上的外力负荷不变.喷水推 进轴流泵在工作时,作用在叶轮上的力除流体动力 外还有叶轮旋转时的离心力和叶轮的重力. 2.1流体动力 根据库塔.儒柯夫斯基定理_4J,作用在叶片翼 元上的升力为: P=pWF(1) 将P分解为沿轴线和沿叶轮旋转方向的两 个分力(见图1),则栅中翼元所受的力(见图1): 轴向分力: dPz=pWFcospdr(2) 旋转阻力(方向与叶轮转向相反): dP=pW//sin/?dr(3) 轮毂端面 水流方 『, 《I/\ d只 \ I【,导边 Id只\\轴线 轮毂端 图1流体动力产生的弯矩分力作用示意 叶轮总的轴向推力包括叶片所受总的轴向分 力和叶轮轮毂由于端面压力差所受的轴向力 ,此合力的确定具有重要意义,因为该力的大 小是计算推力轴承强度,叶片强度和喷水推进轴 流泵可靠性的基础.结合文献[5],可知作用在喷 水推进轴流泵叶轮上总的轴向力F:为: Fz:P+Pz rR =z1(r)dr+ =7Hr(1一ln) +7f),日(r2一r2)(4) 2.2叶个叶 片的重量为G,叶轮重心离轴线的距离为.则 单个泵叶轮产生的离心力c为: C:2(6) 3弯矩 喷水推进轴流泵叶轮旋转时,其叶片根部所 受的应力最大,故应用计算分析法计算叶片强度 时,主要计算对叶根剖面产生的弯矩.对于轴流 泵,在计算叶片强度时,重力的影响很小,可以忽 略不计[3;同时因大部分喷水推进轴流泵叶轮都 没有纵斜和侧斜,离心力对切面不产生弯矩.因 此本文只推导由于流体动力在叶根剖面处产生的 弯矩.当叶轮具有纵斜和侧斜时,离心力的作用 线并不通过计算切面的形心,故应相应考虑离心 力对该切面产生的弯矩_6_6. 3.1轴向力对根部产生的弯矩M 计算轴向力对根部产生的弯矩时,都假 定水流进入叶轮不存在预旋,即Vh=0. 由式(2)知翼元上的轴向力: d:pWFcosfldr=dr 1 : Pr(一{)dr(7) 则轴向力产生的弯矩M为: rR1 –Ir(一寺)(r—r)dr(8)厶 3.1.1等环量假定 2005年第33卷第11期流体机械35 假定理论扬程猫径向分布为常数,则每个半 径处单个叶片的环量也为常数,即: r=n.D(9) 而M=2rrn0r,当Vl=0,有v2=gnT/it= =__ 世 ,代人式(8)得:2a-no 一 — dln1)](10) 3.1.2变环量假定 在喷水推进轴流泵的叶轮设计中经常进行 ―变环量设计‖,任意变环量的形式有很多种,根据 实践,假定环量分布为: r:Fo(r)=k(r) 式中k(r)=a0+alr+口2r是环量分布系 数.这种环量分布其实质是等旋流,强制涡,自由 涡的合成,则: =.D 7) 3.3合成弯矩 通常通过切面形心来取惯性主轴,喷水推进轴 流泵叶片翼元的惯性主轴和Y可以大体上认为 沿剖面的弦和垂直于弦的方向(见图l(d)).则有: ;二(18M帆=sin声一c0s声J 4切面应力 4.1流体动力弯矩引起的最大拉应力 由弯矩计算可知,力矩使叶轮在刚度最 小的平面内弯曲,力矩帆使叶轮在刚度最大的 平面内弯曲.若已知根部剖面的面积和抗弯剖面 模数,则可求出由弯矩和引起的应力值. 由图1可知最大弯曲应力发生在根部截面的a, b,c点,其S=(0.67—0.73)lh3h l’g=rh+0.3(一) 则最大拉伸应力一: =r+(21) 的应力大于设计工况下的数值;叶轮所受的应力 同时会产生周期性的变更;汽蚀及振动等对叶轮 材料有剥蚀及疲劳作用;同时叶轮与轮毂的厚度 相差较大,在铸造时两部分的冷却速度不尽相同, 使叶根部分的实际强度降低;此外,喷水推进器在 推动船舶前进时有可能吸人异物,使旋转的叶轮 遭受突然负荷.由于以上诸多原因,泵叶所取用 的许用应力值甚低,即安全系数K(强度储备系 数)较大. 许用应力:[]=t7b/K(22) 其中,不宜取得太小,一般在5左右,当 d一?[],可认为该喷水推进轴流泵的叶轮强度 满足要求. 5许用应力 6实例计算 在计算喷水推进轴流泵叶轮强度时,通常都 以船在设计工况下推进泵发出的推力及吸收的转将文献[2]中的数据代人以上推导的公式得 矩为依据,但当泵刚启动时,有可能致使叶轮所受到的结果如表1所示. 表1实例计算结果 轴向力产生弯矩旋转阻力产生弯矩沿剖面弦线方向的最大拉伸应力设计方法 帆(N?m)(N?m)合成弯矩(N?m)o-T(N/mm2) 等环量假定4.672.044.5433.66 变环量假定4.832.154.8335.78 从以上算例可以看到,在进行喷水推进轴流 泵变环量设计时强度校核如果采用等环量校核公 式,得到的最大拉伸应力偏小,故采用变环量的强 度校核公式较安全. 7结论 (1)船舶喷水推进轴流泵叶片的厚度比对推 进泵的汽蚀性能和叶片翼型的升阻比影响很大, 相对准确的强度计算,能得出合理的厚度分布,从 而能提高泵的性能和抗汽蚀能力,同时亦能减轻 水泵叶轮的重量,节省成本. (2)所推导的‖喷水推进轴流泵叶轮强度校 核计算公式‖是建立在翼型升力理论的基础上,未 考虑叶栅影响系数;公式中所需的数据均是在叶 片设计时的已知值(离心力较小,一般可不计,必 要时加大K值),建议在设计喷水推进轴流泵叶 轮前结合本计算公式综合平衡其他各项参数. (3)所讨论的船舶喷水推进轴流泵为一般的 喷水推进轴流泵,不包括特殊设计的轴流泵,如在 叶轮前面装用前置导叶的喷水推进轴流泵,叶轮 进流存在预旋,强度校核需在以上分析的基础上 考虑叶轮进口来流的预旋影响. 参考文献: [1]金平仲,王立祥.喷水推进在中国高性能船艇上的 应用[A].船舶喷水推进及轴流式推进泵论文集 [c].1992. [2]金平仲,王立祥,洪亥生,等.喷水推进轴流泵的设 计[A].船舶喷水推进及轴流式推进泵论文集[c]. 199l2. [3](苏)A.A.洛马金.离心泵和轴流泵[M].机械工业 出版社,1978. [4]王献孚,韩久瑞.机翼理论[M].人民交通出版社, 1987. [5]丁成伟.离心泵和轴流泵原理及水力设计[M].机 械工业出版社,1981. [6]崔承根.船舶推进[M].华中理工大学出版社, 1991 作者简介:吴刚(1978一),研究生,工程师,从事喷水推进器 的设计与研究工作,通讯地址:.200011,上海市西藏南路1688号中 船集团公司第708研究所.