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卷盘式喷灌机水涡轮优化设计与内部流动分析

汤玲迪  
【摘要】:卷盘式喷灌机是一种适合我国国情,能适应大、中、小不同规模地块高效作业的集约化灌溉装备,具有适应性强、机动方便、自动化程度高、单位面积设备投资低等优势。近年来,我国卷盘式喷灌机产业发展迅速,但我国卷盘式喷灌机品种规格偏少,还没有真正形成产品系列,在关键技术研究、产品品质和性能等方面与国外还存在很大差距。特别是大量国产卷盘式喷灌机专用水涡轮还是采用欧洲40多年前的技术,效率低的问题尤为突出。国外先进水涡轮技术虽有少量引进,但优化设计、内部流动机理等基础理论研究仍是空白。由于国外没有研究文献公开,使得研究的难度很大。针对以上问题,本文在国家重点研发计划项目课题(2016YFC0400104-04)“基于清洁能源驱动的水肥一体化卷盘式喷灌机研制”和江苏省农业科技支撑计划项目(BE2012385) “低能耗自动卷盘式智能农业灌溉装备研究与开发”的资助下开展工作,主要研究内容和创新点有:1.基本掌握了冲击式进口结构型式专用水涡轮的理论基础和基本特性。针对国外冲击式进口专用水涡轮的特殊结构型式,从理论分析、数值模拟和试验验证等方面,研究了专用水涡轮的基础理论。发现特殊结构专用水涡轮中喷嘴射流主体段的相似性和线性扩散规律均被破坏,射流是一种非自由的淹没射流;转轮叶片的型线弯曲程度对受力有影响,叶片曲率大的面受力大,曲率小的面受力小;尾水管不同截面的速度分布在弯头附近呈现内侧流速大于外侧流速和涡带随流量减少而加长加大等现象。采用CFD分析预测了国外专用水涡轮的外特性,并通过建立的水涡轮性能试验装置进行试验验证。不同转速下水涡轮轴功率都有极大值,水头越高,功率的极值向高速偏移。国外水涡轮最高效率达34%,性能预测与试验的最大误差在5个百分点以内。2.首次采用负载分析法建立了专用水涡轮轴功率的确定方法。通过分析牵引PE管和喷头车的各种地面阻力、牵引平移速度、盘绕层、转动惯量的组成等负载侧的变化因素,掌握了卷盘的需求牵引力、牵引力矩、转动力矩和功率的变化规律。分析发现地面对PE管的滑动摩擦阻力远大于对喷头车的滚动摩擦阻力;转动力矩远小于PE管全部伸展在地面时的牵引力矩,卷盘转矩可用牵引力矩估算;发明了卷盘式喷灌机传动系统效率试验装置,通过试验,建立了卷盘的需求功率与水涡轮需求轴功率之间的关系,获得了水涡轮轴功率设计参数,在常用平移速度40m/h以下时,在摩擦系数分别取0.8和0.5时,75-300型卷盘式喷灌机专用水涡轮轴功率分别应不小于195W和125W。3.发现并掌握了影响专用水涡轮效率的显著因素和内流机理。通过CFD对正交试验产生的18个方案进行模拟试验和性能预测,并经极差和方差分析,获得各因素对水涡轮效率的影响程度依次为出口直径、叶片出口倾斜角、叶片数、叶片宽度、进口安放角和叶缘间隙等,采用多重分析法发现出口直径因素的3与1、2水平之间和叶片出口倾斜角的1与3水平之间呈极显著差异。对具有显著影响因素进行的内流分析表明,出口直径越大,水流从叶片流出时产生的撞击损失越大,且尾水管中心的低压区越大,越易产生涡带,造成损失增加;出口倾角越大,对水流的导向作用越强,在叶片出口处的涡旋越少,水流能顺畅流入尾水管,减少因涡旋产生的损耗。对18组方案中相对性能较优的6组方案经3D打印造型的转轮进行实体试验,与数值模拟预测的结果基本一致,流量在15m3/h~22.5m3/h范围内最大误差在6.3%以内。18个方案中最好的14号方案在17.5m3/h工况下的效率为38%,比国外水涡轮高6.4个百分点。4.建立了专用水涡轮转轮几何参数的优化设计方法。采用GA_BP优化算法,以水涡轮正交试验设计所得多组参数作为优化的初始输入,获得了优化的转轮几何参数,解决了正交试验存在后续试验工作效率低等问题。通过原型水涡轮与优化的水涡轮内流比较,发现尾水管涡带的大小和长度与叶片出口倾角的大小有密切关系,倾角越大,叶片对水流的约束和导向作用大,流速降低,尾水管不易形成涡带;径向截面压力分布和叶片工作面受力分布表明,优化的水涡轮除喷嘴射流正对的流道外,其他区域近似等压状态,压能集中在流道间恢复;叶片进口叶形弯曲程度对叶片受力影响较大,曲率大,叶片受力更加集中,优化的水涡轮转轮扭矩比原型高出约26%,比14号高出10%;优化的水涡轮设计工况下的实测效率达42.5%,比原型高8.5个百分点,比14号高3个百分点,优化水涡轮的整体性能明显提高。5.基本掌握了专用水涡轮动静干涉作用机理和压力脉动特性。采用CFD非定常计算,模拟了专用水涡轮喷嘴前后、转轮外缘、尾水管进口、尾水管弯头和尾水管出口 13个不同监测点的压力脉动,通过时域和频谱分析,掌握了专用水涡轮的压力脉动特性和动静干涉现象对转轮叶片做功的影响。研究表明,专用水涡轮各测点的压力脉动均呈现出稳定的周期性,在转轮旋转一周的过程中,出现的波峰与波谷数都与转轮叶片数相同。动静干涉作用时,原型水涡轮叶片达到受力峰值较为缓慢,进入流道的水流速度矢量方向混乱,当射流不正对流道时,水流分叉,叶片凹面流速加快,造成凹面压力减小,作用力也会随之减小;而优化的水涡轮由于叶型弯曲,接受射流冲击的反作用力强,叶片受力快而集中,在动静干涉作用的整个过程,进入流道的水流速度矢量顺着叶片凸面向叶片出口流动,凹面的流速很低,故凹面压力将会增大,作用力也会随之增大。


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