CN104005983B - 一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法，该叶轮适用于农田灌溉、电厂冷却循环和城市给水等场合。其特征是在设计轴流泵叶轮时，将叶轮的几何参数与泵的设计工况点、小流量工况点及大流量工况点的性能参数之间用关系式联系起来，使泵在上述三个工况点的性能参数均能满足设计要求，通过三个工况点的性能参数设计实现对泵性能曲线特征的控制和调整，以获得符合设计要求的轴流泵性能曲线。用本发明设计的高比转速轴流泵不仅能够满足多个工况点的设计性能要求，还具有效率高、高效区宽和运行稳定的特点。

Description

一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法

技术领域

本发明专利涉及一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法，具体的说，涉及一种适用于满足多个工况点设计要求的高效轴流泵叶轮设计方法。

背景技术

目前，轴流泵叶轮设计一般均采用单工况点设计方法，其叶轮几何参数的确定和计算都基于设计工况点的性能参数。随着轴流泵比转速的增大，其性能曲线呈现出一个典型的马鞍型变化，轴流泵的扬程曲线先降后升，由此形成不稳定的运行状况。同时，在大流量情况下，轴流泵的扬程、效率曲线均易出现显著降低的现象，性能曲线急速下降，从而导致常规设计的高比转速轴流泵出现水力效率低、高效区窄和稳定运行范围小的特点。在高比转速轴流泵的实际运行过程中，泵机组的实际运行工况点和设计工况点并不重合，其实际运行工况点的流量一般会在小流量工况点和大流量工况点之间变化。因此，对于高比转速的轴流泵而言，为了提高水力性能曲线的高效区宽度，改善叶轮内部流动和运行稳定性，应对其在小流量工况点至大流量工况点之间的性能曲线进行一定的控制和优化。

先有的专利技术200810235506.5号专利“离心泵叶轮的多工况点设计法”，主要是针对中低比转速离心泵提出的一种多工况设计方法，该方法是通过叶轮外圆直径和宽度两个参数进行多工况设计。专利技术201010520561.6号专利“一种基于CFD的离心泵多工况水力优化方法”是借助于初始的水力模型数据库，通过CFD数值模拟技术的反复迭代和计算，逐步拟合以获得理想性能曲线的方法。201010520494.8号专利“一种基于损失的离心泵多工况水力优化方法”同样是以初始的水力损失公式和外特性试验结果为基础，通过设计软件的反复迭代，最终收敛至理想曲线的方法。现有的专利技术仍然存在以下两个问题：1.现有的有关专利技术均是关于径向叶片结构的离心泵叶轮设计方法，目前还没有适合于高比转速轴流泵叶轮的多工况点设计方法；2.现有技术没有指出以多少个工况点的性能参数作为设计参数最为合适，只是提出了一个大致的范围，而过多或过少的设计参数均容易引起设计过程的失效和设计结果的不准确。

发明内容

为了克服现有高比转速轴流泵叶轮设计方法的不足，本发明提供了一种新的高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法，使用本发明设计的轴流泵不仅能够满足设计工况点的水力性能要求，还能够对叶轮在小流量工况点和大流量工况点的水力性能进行控制。采用本发明设计的轴流泵叶轮可以对叶轮和径向三个流面的翼型几何参数进行调整，最终达到轴流泵的设计性能曲线与要求的性能曲线基本重合的目的，并有效的增大轴流泵的高效区宽度和稳定运行范围。

本发明的技术方案是：

在设计叶轮时，根据轴流泵设计工况点、小流量工况点和大流量工况点下的流量、扬程参数Q_opt、H_opt、Q₁、H₁、Q₂、H₂的要求，来设计相应的轴流泵叶轮几何参数值。其方法是将轴流泵叶轮的几何参数与其设计工况点、小流量工况点和大流量工况点的性能参数联系起来，使得叶轮的几何尺寸参数与上述三个工况点的性能参数之间适合以下几个等式的关系：

$D=\frac{{(Q_1^{1.5}+Q_{opt}^{15}+Q_2^{1.5})}^{0.33}}{n{\left({\mathrm{tan\β}}_b\right)}^{0.5}{Q}_{opt}^{0.66}}\sqrt{\frac{H_1^2+H_{opt}^2+H_2^2}{1-14.1{n_s}^{-0.53}}}$

D_j＝(1.86-0.22In(n_s))D

$R_a=\frac{1+k_a}{2}D-\frac{D_j}{2}$

$R_b=\frac{1+k_b}{2}D-\frac{D_j}{2}$

$R_c=\frac{1+k_c}{2}D-\frac{D_j}{2}$

${\mathrm{tan\β}}_a=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_1}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_1-H_2)}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

${\mathrm{tan\β}}_b=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_{opt}}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_1-H_{opt})}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

${\mathrm{tan\β}}_c=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_2}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_{opt}-H_2)}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

式中：D——叶轮外径，米；n——叶轮转速，转/分钟；

Q_opt——设计工况点流量，立方米/秒；H_opt——设计工况点扬程，米；

Q₁——小流量工况点流量，立方米/秒；H₁——小流量工况点扬程，米；

Q₂——大流量工况点流量，立方米/秒；H₂——大流量工况点扬程，米；

D_j——叶轮轮毂直径，米；n_s——叶轮比转速；

R_a——流面A的半径，米；R_b——流面B的半径，米；

R_c——流面C的半径，米；k_a——修正系数，k_a＝0.85～0.90；

k_b——修正系数，k_b＝0.45～0.50；k_c——修正系数，k_c＝0.1～0.15；

β_a——流面A的翼型安放角，度；β_b——流面B的翼型安放角，度；

β_c——流面C的翼型安放角，度；g——重力加速度，米/平方秒；

z——叶轮叶片数，片。

在上述关系式中，没有对叶轮流面翼型的长度、厚度等形状特征提出要求，因此在设计时可以进行自由的选择，一般建议选用应用较为成熟的NACA航空翼型或圆弧翼型，有利于叶轮的模具造型和铸造加工。流面A是指围绕中心线半径R_a确定的圆柱面。流面B是指围绕中心线半径R_b确定的圆柱面。流面C是指围绕中心线半径R_c确定的圆柱面。

从上述设计方法可知，三个流面的径向位置决定了叶轮叶片的形状，为了获得合理的流面径向尺寸，应综合考虑到流面上的翼型尺寸特征。因此，确定流面半径的方法是：沿径向分布的A、B、C三个流面的半径与其翼型长度之间适合以下等式的关系：

$\frac{2{\mathrm{\πR}}_a}{l_{a}z}=1.39~1.67$

$\frac{R_b}{l_{b}z}=0.91\frac{R_a}{l_{a}z}$

$\frac{R_c}{l_{c}z}=0.82\frac{R_a}{l_{a}z}$

式中：R_a——流面A的半径，米；R_b——流面B的半径，米；

R_c——流面C的半径，米；l_a——流面A的翼型长度，米；

l_b——流面B的翼型长度，米；l_c——流面C的翼型长度，米；

z——叶轮叶片数，片。

在上述设计方法中，叶轮的小流量工况点和大流量工况点的流量参数选择具有一定的限制范围，流量选择超过设计限制范围会对叶轮的设计性能曲线产生影响。确定小流量工况点和大流量工况点选择范围的方法是：小流量工况点和大流量工况点的流量Q₁、Q₂与其设计工况点的流量Q_opt之间应适合以下等式的关系：

$\frac{Q_1}{Q_{opt}}=0.65~0.85$

$\frac{Q_2}{Q_{opt}}=1.15~1.35$

根据轴流泵比转速的大小确定叶轮叶片数z，其一般为3-5片，当叶轮比转速较大时，选择较少的叶片数。

本发明的有益效果是：采用该方法设计的高比转速轴流泵叶轮不仅能够满足设计工况点的性能参数要求，还能够满足小流量工况点和大流量工况点的要求，使用该叶轮的轴流泵具有效率高、高效区宽和运行平稳的特点。

本发明经用户试用，产品使用效果良好，该叶轮的水力特征平稳，高效区宽，在非设计工况下的运行可靠性得到有效提高。

附图说明

图1是本发明一个实施例的叶轮轴面图；

图2是同一个实施例的叶轮平面图；

图3是同一个实施例的叶轮流面A的翼型图；

图4是同一个实施例的叶轮流面B的翼型图；

图5是同一个实施例的叶轮流面C的翼型图；

图中：1—叶轮外径D，2—叶轮轮毂直径D_j，3—叶轮叶片，4—叶轮轮毂，5—流面A的半径R_a，6—流面B的半径R_b，7—流面C的半径R_c，8—流面A的翼型安放角β_a，9—流面A的翼型长度l_a，10—流面B的翼型安放角β_b，11—流面B的翼型长度l_b，12—流面C的翼型安放角β_c，13—流面C的翼型长度l_c。

具体实施方式

图1至图5共同确定了这个实施例的叶轮形状和几何尺寸。这是一种开式结构的高比转速轴流泵叶轮，叶轮叶片(3)的外缘呈圆弧型，均匀分布在叶轮轮毂(4)上，叶轮叶片(3)的形状由流面A、B、C及其翼型决定。叶轮叶片(3)一般为3-5片，当叶轮比转速较大时，选择较少的叶片数。本发明通过以下几个关系式来确定叶轮外径D(1)、叶轮轮毂直径D_j(2)、流面A的半径R_a(5)、流面B的半径R_b(6)、流面C的半径R_c(7)、流面A的翼型安放角β_a(8)、流面B的翼型安放角β_b(10)和流面C的翼型安放角β_c(12)。

$D=\frac{{(Q_1^{1.5}+Q_{opt}^{15}+Q_2^{1.5})}^{0.33}}{n{\left({\mathrm{tan\β}}_b\right)}^{0.5}{Q}_{opt}^{0.66}}\sqrt{\frac{H_1^2+H_{opt}^2+H_2^2}{1-14.1{n_s}^{-0.53}}}$

D_j＝(1.86-0.22In(n_s))D

$R_a=\frac{1+k_a}{2}D-\frac{D_j}{2}$

$R_b=\frac{1+k_b}{2}D-\frac{D_j}{2}$

$R_c=\frac{1+k_c}{2}D-\frac{D_j}{2}$

${\mathrm{tan\β}}_a=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_1}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_1-H_2)}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

${\mathrm{tan\β}}_b=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_{opt}}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_1-H_{opt})}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

${\mathrm{tan\β}}_c=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_2}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_{opt}-H_2)}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

叶轮流面翼型的设计可以进行自由的选择，建议选用NACA航空翼型或圆弧翼型，有利于叶轮的模具造型和铸造加工。

在图中，流面A、B、C的半径(5)、(6)、(7)根据各自的翼型尺寸特征进行设计，沿径向分布的A、B、C三个流面的半径与其翼型长度之间适合以下等式的关系：

$\frac{2{\mathrm{\πR}}_a}{l_{a}z}=1.39~1.67$

$\frac{R_b}{l_{b}z}=0.91\frac{R_a}{l_{a}z}$

$\frac{R_c}{l_{c}z}=0.82\frac{R_a}{l_{a}z}$

在设计叶轮过程中，小流量工况点和大流量工况点的流量Q₁、Q₂与其设计工况点的流量Q_opt之间应适合以下等式的关系：

$\frac{Q_1}{Q_{opt}}=0.65~0.85$

$\frac{Q_2}{Q_{opt}}=1.15~1.35$

叶轮叶片数z的选择与其比转速有关，其一般为3-5片，当叶轮比转速较大时，选择较少的叶片数。

这样设计的高比转速轴流泵叶轮就能同时满足设计工况点、小流量工况点和大流量工况点的性能参数要求，并通过控制不同工况点的性能参数值，实现对轴流泵性能曲线的调整和优化，使得轴流泵的设计性能曲线与要求的性能曲线基本重合，满足性能曲线的设计要求。

Claims (4)

1.一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法，根据轴流泵在设计工况点、小流量工况点及大流量工况点下的流量、扬程参数Q_opt、H_opt、Q₁、H₁、Q₂、H₂的设计要求，来设计高比转速轴流泵叶轮的几何参数，其特征在于：将轴流泵叶轮的几何参数与其设计工况点、小流量工况点和大流量工况点的性能参数联系起来，使得轴流泵性能曲线同时满足上述三个工况点的性能参数要求，即叶轮的几何尺寸参数与上述三个工况点的性能参数之间适合以下几个等式的关系：

$D=\frac{{(Q_1^{1.5}+Q_{opt}^{1.5}+Q_2^{1.5})}^{0.33}}{n{\left({\mathrm{tan\β}}_b\right)}^{0.5}{Q}_{opt}^{0.66}}\sqrt{\frac{H_1^2+H_{opt}^2+H_2^2}{1-14.1n_s^{-0.53}}}$

D_j＝(1.86-0.22In(n_s))D

$R_a=\frac{1+k_a}{2}D-\frac{D_j}{2}$

$R_b=\frac{1+k_b}{2}D-\frac{D_j}{2}$

$R_c=\frac{1+k_c}{2}D-\frac{D_j}{2}$

${\mathrm{tan\β}}_a=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_1}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_1-H_2)}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

${\mathrm{tan\β}}_b=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_{opt}}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_1-H_{opt})}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

${\mathrm{tan\β}}_c=16.93\sqrt{\frac{0.76\sqrt{2{\mathrm{gH}}_2}}{1+z}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{1.65}}\frac{(H_{opt}-H_2)}{{\left(Q_{opt}{n}^2\right)}^{2/3}}$

式中：D是叶轮外径，米；n是叶轮转速，转/分钟；

Q_opt是设计工况点流量，立方米/秒；H_opt是设计工况点扬程，米；

Q₁是小流量工况点流量，立方米/秒；H₁是小流量工况点扬程，米；

Q₂是大流量工况点流量，立方米/秒；H₂是大流量工况点扬程，米；

D_j是叶轮轮毂直径，米；n_s是叶轮比转速；

R_a是流面A的半径，米；R_b是流面B的半径，米；

R_c是流面C的半径，米；k_a是修正系数，k_a＝0.85～0.90；

k_b是修正系数，k_b＝0.45～0.50；k_c是修正系数，k_c＝0.1～0.15；

β_a是流面A的翼型安放角，度；β_b是流面B的翼型安放角，度；

β_c是流面C的翼型安放角，度；g是重力加速度，米/平方秒；

z是叶轮叶片数，片。

2.如权利要求1所述的一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法，其特征是：叶轮叶片的形状主要由沿径向分布的A、B、C三个流面的翼型所决定，三个流面的半径与其翼型长度之间适合以下等式的关系：

$\frac{2{\mathrm{\πR}}_a}{l_{a}z}=1.39~1.67$

$\frac{R_b}{l_{b}z}=0.91\frac{R_a}{l_{a}z}$

$\frac{R_c}{l_{c}z}=0.82\frac{R_a}{l_{a}z}$

式中：R_a是流面A的半径，米；R_b是流面B的半径，米；

R_c是流面C的半径，米；l_a是流面A的翼型长度，米；

l_b是流面B的翼型长度，米；l_c是流面C的翼型长度，米；

z是叶轮叶片数，片。

3.如权利要求1所述的一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法，其特征是：叶轮的小流量工况点和大流量工况点的流量分别为Q₁、Q₂，其与设计工况点的流量Q_opt之间适合以下等式的关系：

$\frac{Q_1}{Q_{opt}}=0.65~0.85$

$\frac{Q_2}{Q_{\mathrm{opt}}}=1.15~1.35.$

4.如权利要求1所述的一种高比转速轴流泵叶轮三工况点设计方法，其特征是：叶轮叶片数z为3-5片。