JP2022515556A - 羽根負荷分布に基づく遠心ポンプの複合羽根車及びその設計方法 - Google Patents
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Abstract
Description
で示される。しかし、この式により羽根車の失速流れを判断する場合は、比較的に煩雑であり、困難度が高い。したがって、失速流れが発生したか否かを判断するには、簡単で効果的な新規の判定基準が必要であり、これによって、流れをより安定させるように短羽根を取り付ける必要があるか否かを判定する。
複合羽根車の設計には、逆圧力勾配に基づく設計方法があり、羽根車流路内の流れに対する羽根の作動力が不均一であり、羽根の圧力面に近い作動力が強く、吸力面に近い作動力が弱いので、逆向圧力勾配では羽根車の出口に逆流と流出が発生しやすくなる。したがって、羽根車の内部の流れを改善するように短羽根を取り付ける必要がある。本発明で採用するオイラーヘッド勾配が羽根のプロファイルに沿った勾配分布であり、この勾配に基づいてオイラーヘッド勾配係数の範囲を求め、さらに、長羽根を短羽根に交換する必要があるか否かを判定する。
まず、得られた長羽根、短羽根の負荷分布曲線を処理する。
本発明は、偶数個の羽根を含む羽根車に対して処理を実行するので、羽根車の失速流れが発生したか否かを簡単に効果的に判定でき、さらに、長羽根を短羽根に交換し、羽根の負荷分布に基づいて、長羽根の総ローディング負荷と短羽根の総ローディング負荷が一致している(即ち、羽根の負荷曲線で囲まれた総面積が一致している)条件下で、複合羽根車に対して最適化設計を行う。よって、ポンプに対するキャビテーションと圧力脈動による不利な影響を同時に改善することができる。
ある遠心ポンプの複合羽根車の設計を例として、複合羽根車の設計フロー図である図1を参照し、本発明の設計プロセスを具体的に説明し、以下のステップを含む。
当該遠心ポンプの性能としては、流量Q=180m3/h、ヘッドH=45m、回転速度n=2950r/minである。遠心ポンプの羽根車の羽根のすべては長羽根である。当該遠心ポンプの羽根車は、初期羽根車とし、その構造図が図2に示されている。
前記ステップにより初期羽根車及び複合羽根車の構造パラメータを得て、まず、SolidWorksソフトウェアで3次元モデリングする。次に、ANSYS ICEMソフトウェアでメッシングを行う。最後に、CFXソフトウェアで数値シミュレーションを行う。初期羽根車及び複合羽根車のキャビテーション性能曲線及び圧力脈動特性を得る。
数値から計算して初期羽根車及び複合羽根車のキャビテーション性能曲線及び圧力脈動特性を得る。これによって、複合羽根車の性能が設計要求を満たすか否かを判断する。
Claims (6)
- 羽根負荷分布に基づく、円周に沿って複数の同じ羽根が等間隔に設けられた初期羽根車を含む遠心ポンプであって、各羽根が羽根車のエッジから羽根車の中心付近まで円弧状に延びた遠心ポンプの複合羽根車の設計方法において、
1)初期羽根車の羽根上の各サンプリング点におけるオイラーヘッド勾配係数を計算することと、
2)オイラーヘッド勾配係数の範囲により、次の方式で失速流れが発生したか否かを判断し、
0<L<0.1であると、ki>37/ωとなり、0.6<L<0.7であると、kimax>87/ωとなり、0.9<L<1.0であると、ki<-10/ωとなり(ここで、Lは無次元化の羽根のプロファイルの長さであり、kimaxはオイラーヘッド勾配係数の最大値であり、ωは羽根車の角速度であり、kiはi番目のサンプリング点におけるオイラーヘッド勾配係数を示し、iはサンプリング点の順序数を示す)
上記の条件を満たすと、羽根車は失速流れが発生し、次のステップを実行し、初期羽根車を調整して複合羽根車を形成し、
上記の条件を満たさないと、羽根車は失速流れが発生せず、初期羽根車を調整しないことと、
3)羽根車における半分の羽根のプロファイルの総長さを短くして短羽根を形成し、元の羽根を長羽根とし、長羽根と短羽根を周方向に沿って交互に配置し、
長羽根に対してアフターローディング処理を実行して長羽根の負荷曲線を得て、
短羽根の総ローディング負荷と長羽根の総ローディング負荷が一致している条件下で、短羽根に対してフロントローディング処理を実行して短羽根の負荷曲線を得て、短羽根の入口流れ角及び出口流れ角を調整することによって、短羽根の総ローディング負荷と長羽根の総ローディング負荷を一致させ、
長羽根の負荷曲線及び短羽根の負荷曲線を入力条件とし、羽根のプロファイルの微分方程式から羽根のパラメータを求め、新しい羽根の造形を得て、羽根のパラメータを計算するための基本的な根拠が羽根のプロファイルの微分方程式であり、次の羽根のプロファイルの微分方程式から羽根の幾何学的パラメータを求めることと、
(ここで、fは羽根の全巻き角であり、ωは羽根車の角速度であり、rは羽根におけるノードの半径であり、Vθはノードの周分速度であり、vmは子午面速度であり、sは子午面流線の長さであり、dfは羽根の全巻き角に対する全微分であり、dsは子午面流線の長さに対する全微分である)
を含むことを特徴とする羽根負荷分布に基づく遠心ポンプの複合羽根車の設計方法。 - 前記1)は、具体的に、
1-1)パラメータが既知の初期羽根車に対して、羽根をプロファイルに沿っていくつかの均等なセクションに分割し、均等なセクションごとに1個のサンプリング点を確立し、すべてのサンプリング点の番号を初期羽根車の中心から外側に向かって増大するように配列するステップと、
1-2)各サンプリング点における絶対速度の周方向成分を得るステップと、
1-3)下記式により各サンプリング点におけるオイラーヘッドを得るステップと、
(ここで、vuはサンプリング点における絶対速度の周方向成分を示し、rsはサンプリング点から羽根車の軸心までの距離を示し、gは重力加速度を示し、ωは羽根車の角速度である)
1-4)下記式により初期羽根車の各サンプリング点におけるオイラーヘッド勾配係数を得て、さらに、初期羽根車のオイラーヘッド勾配の範囲分布を得るステップと、
(ここで、kiはi番目のサンプリング点におけるオイラーヘッド勾配係数を示し、Hiはi番目のサンプリング点におけるオイラーヘッドを示し、Δxは2つの隣接するサンプリング点の間距を示す)
を含むことを特徴とする請求項1に記載の羽根負荷分布に基づく遠心ポンプの複合羽根車の設計方法。 - 前記3)において、羽根のプロファイルの総長さを短くして短羽根を形成することについて、
具体的に、羽根の羽根車のエッジに近い端を変えないままで、羽根の羽根車の中心に近い端をプロファイルの総長さの30%だけ短くすることによって、短羽根のプロファイルの総長さが長羽根のプロファイルの総長さの70%となることを特徴とする請求項1に記載の羽根負荷分布に基づく遠心ポンプの複合羽根車の設計方法。 - 長羽根をアフターローディング方式で処理し、フィッティングにより長羽根の負荷曲線を得て、
さらに、長羽根の負荷曲線と横座標で囲まれた面積を計算し、短羽根に対して、長羽根、短羽根の負荷曲線と横座標で囲まれた面積が等しい条件下で、フロントローディング方式で処理し、短羽根の負荷曲線を得ることを特徴とする請求項1に記載の羽根負荷分布に基づく遠心ポンプの複合羽根車の設計方法。 - 前記初期羽根車上の羽根の総数は偶数個であることを特徴とする請求項1に記載の羽根負荷分布に基づく遠心ポンプの複合羽根車の設計方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の方法により製造してなることを特徴とする羽根負荷分布に基づく遠心ポンプの複合羽根車。
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