CN104895832A - 一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法。本发明考虑到高粘度流体的物理特性，适当加大流道的过流面积，采用速度系数法并综合流体力学的理论知识和以往优秀水力模型设计特点对高粘度离心泵叶轮进行水力设计，使其有着较高的效率和良好的无阻塞性能。本发明提供了一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，主要设计参数主要包括：1.叶轮进口直径D₁，2.叶轮轮毂直径d_h，3.叶片进口安放角β₁，4.叶片出口安放角β₂，5.叶轮出口直径D₂，6.叶片出口宽度b₂，7.叶片数z，8.叶片包角φ等。其优点是：工作平稳，效率高，无阻塞性能好，且适用范围更广泛。

Description

一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种高粘度离心泵的水力设计方法，主要用于工业中作为输送高粘度液体使用，也可用于电力、冶金、煤炭等行业传输含有固体颗粒的浆体，并保证其高效率和良好的无阻塞性能。

背景技术

高粘度泵主要用于工业生产中高粘度液体的输送，国内需求巨大，而工业中高粘度泵多采用齿轮泵和螺旋泵的结构设计，这种高粘度泵效率低、流量小，脉动大，噪声大等缺点。而高粘度离心泵的发明解决了传统高粘度泵的不足，具有流量大且可调，效率高，工作平稳等特点。叶轮是高粘度离心泵的主要过流部件，直接影响高粘度离心泵的性能特性，传统的离心泵水力设计方法有速度系数法、相似模型换算法、加大流量法等，主要是根据一些优秀的水力模型进行相似换算改进，并没有从理论层面对泵的设计进行优化。本发明考虑到高粘度流体的物理特性，适当加大流道的过流面积，采用速度系数法并综合流体力学的理论知识和以往优秀水力模型设计特点对高粘度离心泵叶轮进行水力设计，使其有着较高的效率和良好的无阻塞性能。

发明内容

本发明的目的在给出相应的设计要求参数(流量Q、扬程H等)情况下，设计出一台有着较高效率和良好无阻塞性能高粘度离心泵，本发明提供了一种适用于液体动力粘度范围为0.01～100mPa·s的离心泵叶轮的水力设计方法。

实现上述目的，采用的设计方法如下：

1).对叶轮出口直径进行设计:

$D_2=154.39{n_s}^{-0.606}.\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};40\≤n_s\≤130;$

$D_2=(0.0187{n_s}^{0.5}+88.97{n_s}^{-0.5})\&CenterDot;\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};130<n_s<300;$

D₂₁＝(1.35～1.55)·D₂

2).对叶轮进口直径进行设计:

D₁＝0.04087n_s ^0.5353·D₂₁

3).对叶轮出口边宽度进行设计:

$\mathrm{\&mu;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{du/dy}$

$b_2=0.1035{n_s}^{0.4223}.\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};$

b₂₁＝k₀b₂＝(1.5～1.8)b₂；

4).对叶轮叶片包角进行设计:

5).根据泵的比转速选择合适的叶片数：

$\left\{\begin{array}{cc}z=5~7,& 40\&le;n_s<90\\ z=4~5,& 90\&le;n_s<210\\ z=3,& 210\&le;n_s<300\end{array}\right\}$

式中：

D₂—叶轮出口直径，mm；

D₂₁—高粘度离心泵叶轮出口直径，mm；

n_s—高粘度离心泵比转速；

Q—泵流量，m³/h；

n—泵转速；

D₁—叶轮进口直径，mm；

μ—动力粘度，mPa·s；

b₂—普通离心泵叶片出口宽度，mm；

b₂₁—高粘度离心泵叶片出口宽度，mm；

—叶轮叶片包角，°；

z—叶轮叶片数；

6).叶轮出口直径跟成正比关系，研究发现当泵比转速为130时，其比例系数K_d最小，因此不同的比转速范围区间存在其比例系数关系式，通过大量优秀的高粘度离心泵水力模型和设计经验确定不同比转速区间的比例系数K_d。

7).根据出口直径确定泵的进口直径，通过研究大量优秀的高粘度离心泵水力模型发现，在某一比转速下进出口直径的比值存在最优区间，比值ε最优值和比转速存在指数关系ε＝0.04087·n_s ^0.5353，通过叶轮出口直径能更好更***的确定泵的进口直径。

8).根据权利要求1所述的水力设计方法，其特征在于：叶轮出口宽度和成正比，根据大量的优秀高粘度离心泵水力模型数据库，建立出口宽度系数K_b的数学模型，并针对其效率和汽蚀性能两点采用多目标水力设计优化方法，对所建立的数学模型进行修改，拟合K_b最佳公式。

9).采用闭式叶轮结构，当比转速n_s≤130时，叶轮叶片进口安放角β₁取15°～26°，叶轮叶片出口安放角β₂取12°～21°，当比转速n_s＞130时，叶轮叶片进口安放角β₁取22°～34°，叶轮叶片出口安放角β₂取18°～30°，在设计流量时，叶片冲角Δβ采用正冲角，Δβ取3°～5°。

10).叶片包角的设计从数学模型层面进行推导，并根据流体力学知识和设计经验对包角的计算公式进行修改，当针对有特殊要求的高粘度离心泵可以增加包角以满足设计要求。

11).随着泵比转速的增加，叶片数z趋向于取较小值,叶片进口边适当向吸入口前伸。

附图说明

图1是本发明一个实施例的叶轮的轴面投影图

图2是本发明一个实施例的叶轮结构简图

图中：1.叶轮进口直径D₁，2.叶轮轮毂直径d_h，3.叶片进口安放角β₁，4.叶片出口安放角β₂，5.叶轮出口直径D₂，6.叶片出口宽度b₂，7.叶片数z，8.叶片包角φ。

具体实施方式

下面将提供本发明方法的具体实施过程，设计适用于液体粘度为40mPa·s离心泵叶轮步骤如下：

叶轮出口直径根据所要求的高粘度离心泵扬程H、流量Q、转速n，采用公式(1)、(2)和(3)确定:

$D_2=154.39{n_s}^{-0.060}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};n_s\&le;130;---\left(1\right)$

$D_2=(0.0187{n_s}^{0.5}+88.97{n_s}^{-0.5})\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};n_s>130;---\left(2\right)$

D₂₁＝1.5·D₂   (3)

叶轮进口直径根据相应的比转速和步骤1计算出的出口直径，采用公式(4)确定:

D₁＝0.04087n_s ^0.5353D₂₁   (4)

叶轮出口边宽度由公式(5)确定:

$b_{21}=0.1660{n_s}^{0.4223}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};---\left(5\right)$

叶轮叶片包角根据进出口直径D₁、D₂和比转速，由公式(6)确定:

叶轮叶片数和比转速存在一定关系，由公式(7)确定：

$\left\{\begin{array}{cc}z=5~7,& 40\&le;n_s<90\\ z=4~5,& 90\&le;n_s<210\\ z=3,& 210\&le;n_s<300\end{array}\right\}---\left(7\right)$

采用闭式叶轮结构，当比转速n_s≤130时，叶轮叶片进口安放角β₁取15°～26°，叶轮叶片出口安放角β₂取12°～21°，当比转速n_s＞130时，叶轮叶片进口安放角β₁取22°～34°，叶轮叶片出口安放角β₂取18°～30°，在设计流量时，叶片冲角Δβ采用正冲角，Δβ取3°～5°,随着泵比转速的增加，叶片数z趋向于取较小值,叶片进口边适当向吸入口前伸。

在同一泵壳同一实验条件下按照《GB3216-1989离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵的实验方法》规定的实验方法获取本发明方法的高粘度离心泵模型在设计工况下的水力效率，比传统设计方法的高粘度离心泵水力效率高2％-5％，且具有良好的无阻塞性能。

Claims (7)

1.一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，所述的叶轮包括前盖板(1)、叶片(2)、后盖板(3)，具体特征在于，根据设计要求扬程H,流量Q,效率η等参数，设计离心泵的叶轮出口直径D₂，叶轮进口直径D₁，叶轮叶片出口宽度b₂，叶片包角叶片数z由以下关系式确定：

D₂₁＝(1.35～1.55)·D₂

D₁＝ε·D₂＝0.0409n_s ^0.5353·D₂₁；

b₂₁＝k₀b₂＝(1.5～1.8)b₂

式中：

D₂—普通离心泵叶轮出口直径，mm；

D₂₁—高粘度离心泵叶轮出口直径，mm；

n_s—化工泵比转速，

Q—泵流量，m³/h；

n—泵转速；

D₁—叶轮进口直径，mm；

μ—动力粘度，mPa·s；

b₂—普通离心泵叶片出口宽度，mm；

b₂₁—高粘度离心泵叶片出口宽度，mm；

—叶轮叶片包角，°；

β₁—叶片进口安放角，°；

β₂—叶片出口安放角，°；

z—叶轮叶片数。

2.根据权利要求1所述的一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，其主要适用液体的动力粘度范围为0.1～100mPa·s，其特征在于：叶轮出口直径跟成正比关系，研究发现当泵比转速为130时，其比例系数K_d最小，因此不同的比转速范围区间拟合不同比例系数关系式，最终通过理论和大量优秀的离心泵水力模型确定不同比转速区间的比例系数K_d。

3.根据权利要求1所述的一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，其特征在于：根据出口直径确定泵的进口直径，通过研究大量优秀的离心泵水力模型发现，在某一比转速下进出口直径的比值存在最优区间，比值ε最优值和比转速存在指数关系ε＝0.04087·n_s ^0.5353，通过叶轮出口直径能更好更***的确定泵的进口直径。

4.根据权利要求1所述的一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，其特征在于：叶轮出口宽度和成正比，根据大量的优秀离心泵水力模型数据库，建立出口宽度系数K_b的数学模型，并针对其效率和汽无阻塞性能两点采用多目标水力设计优化方法，对所建立的数学模型进行修改，拟合K_b最佳公式。

5.根据权利要求1所述的一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，其特征在于：采用闭式叶轮结构，当比转速n_s≤130时，叶轮叶片进口安放角β₁取15°～26°，叶轮叶片出口安放角β₂取12°～21°，当比转速n_s＞130时，叶轮叶片进口安放角β₁取22°～34°，叶轮叶片出口安放角β₂取18°～30°，在设计流量时，叶片冲角Δβ采用正冲角，Δβ取3°～5°。

6.根据权利要求1所述的一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，其特征在于：叶片包角的设计从数学模型层面进行推导，并根据流体力学知识和设计经验对包角的计算公式进行修改，当针对有特殊要求的离心泵可以增加包角以满足设计要求，且叶片进口边适当向吸入口前伸。

7.根据权利要求1所述的一种高粘度离心泵叶轮的水力设计方法，其特征在于：随着泵比转速的增加，叶片数z趋向于取较小值。