水力机械蜗壳的研究

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1、水力机械蜗壳的研究摘要：在水力机械屮，蜗壳是非常重要的组成部分之一，其本身属于一种过流部件，它的水力损失人小对水力机械的性能起着至关重耍的影响。近年来，随着水力机械的普遍应用，促进了专家学者对水力机械蜗壳的研究，这使得蜗壳的整体性能有了大幅度提高。基于此点，文章首先对水力机械蜗壳进行简要介绍，并在此基础上对水力机械蜗壳的相关问题展开研究。关键词：蜗壳；离心泵；水轮机中图分类号：TII311文献标识码：A文章编号：1009-2374(2013)18-0038-021水力机械蜗売简介所谓的蜗壳具体是指蜗壳式引水室，由于该

2、设备的外形与蜗牛壳极为相似，故此常被简称为蜗壳。蜗壳是反击式水轮机当中应用非常普遍的一种引水室，它的主要作用是向导水机构均匀供水，为了确保这一作用的实现，蜗壳的断面都是逐渐减小。较为常见的蜗壳有金属蜗壳和混凝土蜗壳两种，本文重点对金属蜗壳进行研究。金属蜗壳常被应用于高水头的水轮机当中，按照制造方法的不同，金属蜗壳乂分为焊接、铸焊和铸造三种类型，其结构类型与水轮机的水头和尺寸有着非常密切的关系。通常情况下,铸焊型和铸造型金属蜗壳多用于直径小于3m的高水头混流式水轮机，由于蜗壳木身的受力情况较为复杂，所以必须根据内水压力

3、进行相应的强度计算，在这一过程中需要假定蜗壳内部的水压力全部由其自身承受，由此确定出蜗壳钢板的实际厚度，保证蜗壳能够正常工作。对于焊接蜗売而言，其节数不宜过少，不然有可能影响到蜗売本身的水力性能，但是这样一来会给制造和安装增添一定的难度，从而导致焊接蜗壳的经济性较差，这也是制约其应用的主要原因Z-；铸造蜗壳最为显著的特点是刚度较大，止因如此使其能够承受一定的外压力，所以常被用作水轮机的支撑点并在其上布置导水机构和传动装置；铸焊蜗壳的外壳一般都是采用钢板压制而成，固定导叶和座环则是先铸造再将它们焊接成整体。2水力机械蜗

4、壳的相关问题研究在水力机械中，蜗壳是非常重要的组成部分之一，正因如此，使得国内外的专家学者对蜗壳进行了大量的研究工作，研究的侧重点一般都是在提高蜗売的水力效率上。2.1外特性试验方面的相关问题利用外特性试验能够获得过流部件的几何参数对水力机械性能的影响规律。以离心泵为例，蜗壳的儿何参数具体包括断面形状、隔舌与叶轮外缘的间隙、喉部面积等等。较为常用的蜗壳截面形状大体上有以下四种:矩形、梯形、圆形和梨形。在梯形与梨形断面的蜗売屮，液流主要是从叶轮的出口进入到压水室当中，在这一过程中，液流处于逐步扩大状态，其水力性能相对较

5、为良好，与梨形断面蜗壳相比，梯形断面的蜗壳在结构上更加简单，故此它的应用也比较广泛。因矩形断面蜗壳具有梯形断面蜗壳的所有优点，可适用于各种比转数的泵，其工艺性在这些断面形状中是最好的一种，而圆形断面蜗壳最为显著的优点是受力情况好，适用于大型的高压泵，但水力损失相对较大。有关专家通过试验，对梨形和矩形断面的蜗壳进行比较分析，结果显示，对于低比转数的屮小型泵而言，应用矩形断面形状的蜗壳或是梨形蜗壳对泵的水力性能影响不人，所以，具体采用哪一种断面形状的蜗壳可以按照泵的实际结构以及生产制造工艺而定。此外，还有部分专家通过试验

6、论证了蜗壳喉部面积对泵性能的影响，结论如下：当蜗壳喉部面积增大且流量相应增大时，水力损失较小，能够使泵的最高效率点无限偏向于大流量，当蜗壳喉部面积减小且流量也相应减小时，水力损失也会有所减小，此时则能够使泵的最高效率无限偏向于小流量，山此可见，通过改变蜗壳的喉部面积，能够使泵的最高效率点位置发生改变，换言之，改变蜗壳喉部面积可以使泵的性能发生改变，这种做法显然要比改变叶轮的结构参数更加简单易行。2.2数值模拟工具在对水力机械进行研究时，数值模拟是一种非常实用的工具。近年来,随着计算机技术的发展和进步，使流动计算模型和

7、数值求解技术获得了进一步完善，数值计算也随之受到业内专家学者的关注和重视，因其能够模拟出流场的真实情况，所以可对水力机械的性能设计进行指导。常用的流场计算一般都是基于NS方程，并通过建立相应的模型来封闭NS方程，随后釆用数值的方法进行离散求解，进而获得流场。通常情况下，对于离心泵蜗壳的计算都是建立在标准的双方程紊流模型这一基础Z上。现如今，更多的专家学者开始倾向于将叶轮与蜗壳的流场进行联合计算，从而获得更为符合实际情况的结果，在这一过程中，需要考虑的因素足怎样处理好叶轮与蜗壳之间的相互影响。有的专家对螺旋型叶轮的泵进

8、行了数值仿真计算，并联合计算了蜗壳、叶轮以及顶端间隙的三维流场，在计算过程中采用的是CFX商用软件，通过试验比较和计算结果进一步验证了其准确性。对于计算中蜗壳与叶轮的相互影响方面，采用了一个商用程序，即瞬时滑移界面，它实质上属于一种约束条件，在具体计算过程中能够确保在每个时间步长中将蜗壳与叶轮这两者的计算数据相互传递，并口还能保证动量与流量守恒