CN105927582A - 一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法。通过折边叶片使叶片在叶轮进口处错开加厚，设计错开的叶片有不同的进口安放角和包角且在叶轮进口处有不同的宽度，根据折边叶片的要求合理设计出叶轮的进口当量直径、叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、叶片出口安放角、叶片包角、叶轮折边上下叶片之间出口处对应的弧长、叶轮出口处叶片厚度，改变中高比转速离心泵在运行过程中叶轮进口处的面积及流道中的流动状态，从而使泵的抗空化性能提高。

Description

一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法

技术领域

本发明涉及到一种中高比转速离心泵叶轮叶片结构设计方法，特别涉及一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法。

背景技术

泵是一种应用极其广泛的通用机械，种类繁多，与人类的生活有着密不可分的关系，凡是有液体流动的地方，几乎都有泵的运行工作。随着科学技术水平不断的提高，泵运用的领域正在不断扩大。离心泵结构多种多样，是各种泵中应用最为广泛的一种，广泛应用于城市给水、石油化工、船舶工业、航天航空、农业灌溉等社会生活和国民经济的各个部门中。因此对离心泵的性能提出了越来越高的要求，如抗空化性能、偏工况稳定运行的要求、低噪音振动的要求和高可靠性等。传统的离心泵叶轮水力设计方法是理论和经验的结合，已经不能最大程度满足不断出现的新设计要求。因此，为了继续满足这些不断出现的新设计要求，需要改善结构设计，如低比转速短叶片偏置设计就是在叶轮流道靠近出口处放置短叶片可改善叶轮及泵体内的水力性能。近年来随着中高比转速离心泵的高速化发展，空化现象不断出现，离心泵空化现象对离心泵性能具有重要的影响,空化的发生往往会影响泵内流体的正常流动,产生振动、噪声、过流部件腐蚀破坏和泵的性能下降等一系列问题,空化严重时甚至影响整个***无法正常运行。

发明内容

针对中高比转速离心泵运行过程中所产生的问题，本发明提供了一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法。通过折边叶片使叶片在叶轮进口处错开加厚，设计错开的叶片有不同的进口安放角和包角且在叶轮进口处有不同的宽度，根据折边叶片的要求合理设计出叶轮的进口当量直径、叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、叶片出口安放角、叶片包角、叶轮折边上下叶片之间出口处对应的弧长、叶轮出口处叶片厚度，改变中高比转速离心泵在运行过程中叶轮进口处的面积及流道中的流动状态，可有效减轻叶片负荷，提高离心泵的抗空化性能和运行的可行性，有效的降低进口处的冲击和离心泵的噪音、振动等问题；从而使泵的抗空化性能提高。实现上述目的所采用的技术方案是：

1、叶轮进口当量直径D₀由下式确定：

$D_0=\left\{\begin{array}{c}\left(5.4n^{-0.33}{Q}^{0.33}{H}^{-0.02}+0.076n^{-1}{H}^{0.5}\right),\left(Q\≤3600\right)\\ \left(Q^{0.017}+0.11\right)\left(2.68n^{-0.33}{Q}^{0.33}{H}^{-0.02}+23.3n^{-1}{H}^{0.5}\right),\left(Q>3600\right)\end{array}\right.$

式中：

D₀—叶轮进口当量直径，m；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

n—转速，rev/min；

2、叶轮叶片进口宽度b₁由以下公式确定：

(a)叶轮折边上叶片进口宽度b₁₁由以下公式确定：

$b_{11}=\left\{\begin{array}{c}(0.24n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+1.363)n^{-1}{H}^{0.5},(Q\≤3600)\\ (0.0042n^{2}Q{H}^{-1.5}-0.84n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+7.326)n^{-1}{H}^{0.5},(Q>3600)\end{array}\right.$

(b)叶轮折边下叶片进口宽度b₁₂由以下公式确定：

$b_{12}=\left\{\begin{array}{c}(0.16n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+0.91)n^{-1}{H}^{0.5},(Q\≤3600)\\ (0.0028n^{2}Q{H}^{-1.5}-0.056n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+4.884)n^{-1}{H}^{0.5},(Q>3600)\end{array}\right.$

式中：

b₁₁—上叶轮进口宽度，m；

b₁₂—下叶轮进口宽度，m；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

3、叶轮出口直径D₂由下式确定：

$D_2=\left\{\begin{array}{c}49.4(0.042Z+0.82)(0.007Q^2+0.03Q+0.92)n^{-0.83}{Q}^{-0.083}{H}^{0.375},(Q\≤3600)\\ 49.4(0.7Z^{-0.1}+1.02)(0.0015Q+0.83)n^{-0.83}{Q}^{-0.083}{H}^{0.375},(Q>3600)\end{array}\right.$

式中：

D₂—叶轮出口直径，m；

Z—叶片数，枚；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

4、叶片进口安放角β₁大小由下式确定：

(a)叶轮折边上叶片出口安放角β₁₁由以下公式确定：

${\mathrm{\β}}_{11}=\left\{\begin{array}{c}arctan\left(\right(0.07Z+0.7\left)\frac{8.1}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{11}}\right),(Q\≤3600)\\ arctan\left(\right(1.21Z^{0.02}+0.02\left)\frac{6.9}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{11}}\right),(Q>3600)\end{array}\right.$

(b)叶轮折边下叶片出口安放角β₁₂由以下公式确定：

${\mathrm{\β}}_{12}=\left\{\begin{array}{c}\arctan \left(\left(0.07Z+0.7\right)\frac{8.1}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{12}}\right),\left(Q\≤3600\right)\\ \arctan \left(\left(1.21Z^{0.02}+0.02\right)\frac{6.9}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{12}}\right),\left(Q>3600\right)\end{array}\right.$

式中：

β₁₁—上叶片出口安放角，°；

β₁₂—下叶片出口安放角，°；

D₀—叶轮进口当量直径，m；

b₁₁—上叶片进口宽度，m；

b₁₂—下叶片进口宽度，m；

Q—流量，m³/s；

Z—叶片数，枚；

5、叶片出口宽度b₂大小由下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_2=0.00123k_{D2}{k}_Z{n}^{0.67}{Q}^{0.75}{H}^{-0.62}\\ k_{D2}=-0.006D_2^2+0.028D_2+0.966\\ k_Z=0.7InZ+0.012Z+0.141\end{array}\right.$

式中：

b₂—叶轮出口宽度，m；

k_D2—叶轮外径对叶片出口安放角的影响系数；

k_Z—叶片个数对叶轮出口宽度的影响系数；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

6、叶片包角大小由下式确定：

(a)叶轮折边上叶片包角由以下公式确定：

(b)叶轮折边下叶片包角由以下公式确定：

式中：

—上叶片包角，°；

—下叶片包角，°；

D₀—叶轮进口当量直径，m；

D₂—叶轮出口直径，m；

Z—叶片数，枚；

7、叶轮折边上下叶片之间出口处对应的弧长大小由以下公式确定：

式中：

l—叶轮折边上下叶片之间出口处对应的弧长,m；

D₀—叶轮进口直径，m；

—上叶片包角，°；

8、叶轮叶片的进口处厚度S由以下公式确定：

(a)叶轮折边上叶片进口处厚度S₁₁由以下公式确定：

$S_{11}=\frac{-0.01D_2^2+7D_2-0.21}{0.6D_2+90}$

(b)叶轮折边下叶片进口处厚度S₁₂由以下公式确定：

$S_{12}=-0.12D_2^2+0.6D_2+0.016$

式中：

S₁₁—叶轮折边上叶片进口处厚度，m；

S₁₂—叶轮折边下叶片进口处厚度，m；

D₂—叶轮出口直径，m。

本发明的有益效果是：

通过折边叶轮出口处的叶片合理设计中高比转速离心泵的最佳结构参数，提高了离心泵的性能及运行过程中的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的平面投影图。

图2是本发明实施例的轴面图。

图3是本发明实施叶轮叶片示意图。

图1：β₁₁—上叶片进口安装角，β₁₂—上叶片进口安装角，—上叶片包角，—下叶片包角。

图2:D₀—叶轮进口当量直径，D₂—叶轮出口直径，b₁₁—上叶片进口宽度，b₁₂—下叶片进口宽度,S₁₁—叶轮折边上叶片进口处厚度,S₁₂—叶轮折边下叶片进口处厚度。

图3：1—叶轮上叶片，2—叶轮下叶片，l—上下叶片之间出口处对应的弧长。

具体实施方式

设计要求：设计工况流量为0.096764立方米/秒，设计工况扬程为60米，转速为2900转/秒，g取10米/平方米，叶片数取4枚。

根据以上数据可求出叶轮结构参数的数值：D₀＝170mm；D₂＝390mm；β₁₁＝17°；β₁₂＝18°；b₁₁＝11mm；b₁₂＝8mm；S₁₁＝6mm；S₁₂＝5mm；

在设计过程中，其它系数的选择需要根据具体实际情况进行系数选取，如叶轮的蜗壳参数需要根据泵的实际运行来选择等。

以上，为本发明参照实施例所做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其它实施例或变形例。

Claims (8)

1.一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：在设计离心泵叶轮叶片时，叶轮叶片进口端采用分层折边结构；其中叶轮进口当量直径D₀由下式确定：

$D_0=\left\{\begin{array}{c}(5.4n^{-0.33}{Q}^{0.33}{H}^{-0.02}+0.076n^{-1}{H}^{0.5}),(Q\≤3600)\\ (Q^{0.017}+0.11)(2.68n^{-0.33}{Q}^{0.33}{H}^{-0.02}+23.3n^{-1}{H}^{0.5}),(Q>3600)\end{array}\right.$

式中：

D₀—叶轮进口当量直径，m；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

n—转速，rev/min。

2.如权利要求1所述一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：叶轮叶片进口宽度b₁由以下公式确定：

(a)叶轮折边上叶片进口宽度b₁₁由以下公式确定：

$b_{11}=\left\{\begin{array}{c}(0.24n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+1.363)n^{-1}{H}^{0.5},(Q\≤3600)\\ (0.0042n^{2}Q{H}^{-1.5}-0.84n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+7.326)n^{-1}{H}^{0.5},(Q>3600)\end{array}\right.$

(b)叶轮折边下叶片进口宽度b₁₂由以下公式确定：

$b_{12}=\left\{\begin{array}{c}(0.16n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+0.91)n^{-1}{H}^{0.5},(Q\≤3600)\\ (0.0028n^{2}Q{H}^{-1.5}-0.056n{Q}^{0.5}{H}^{-0.75}+4.884)n^{-1}{H}^{0.5},(Q>3600)\end{array}\right.$

式中：

b₁₁—上叶轮进口宽度，m；

b₁₂—下叶轮进口宽度，m；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m。

3.如权利要求1所述一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：叶轮出口直径D₂由下式公式确定：

式中：

D₂—叶轮出口直径，m；

Z—叶片数，枚；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m。

4.如权利要求1所述一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：叶轮叶片进口安放角β₁由以下公式确定：

(a)叶轮折边上叶片出口安放角β₁₁由以下公式确定：

${\mathrm{\β}}_{11}=\left\{\begin{array}{c}arctan\left(\left(0.07Z+0.7\right)\frac{8.1}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{11}}\right),(Q\≤3600)\\ \arctan \left(\left(1.21Z^{0.02}+0.02\right)\frac{6.9}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{11}}\right),(Q>3600)\end{array}\right.$

(b)叶轮折边下叶片出口安放角β₁₂由以下公式确定：

${\mathrm{\β}}_{12}=\left\{\begin{array}{c}arctan\left(\left(0.07Z+0.7\right)\frac{8.1}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{12}}\right),(Q\≤3600)\\ arctan\left(\left(1.21Z^{0.02}+0.02\right)\frac{6.9}{{\mathrm{nD}}_0^2{b}_{12}}\right),(Q>3600)\end{array}\right.$

式中：

β₁₁—上叶片出口安放角，°；

β₁₂—下叶片出口安放角，°；

D₀—叶轮进口当量直径，m；

b₁₁—上叶片进口宽度，m；

b₁₂—下叶片进口宽度，m；

Q—流量，m³/s；

Z—叶片数，枚。

5.如权利要求1所述一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：叶轮叶片出口宽度b₂由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{b}_2=0.00123k_{D2}{k}_Z{n}^{0.67}{Q}^{0.75}{H}^{-0.62}\\ k_{D2}=-0.006D_2^2+0.028D_2+0.966\\ k_Z=0.7InZ+0.012Z+0.141\end{array}\right.$

式中：

b₂—叶轮出口宽度，m；

k_D2—叶轮外径对叶片出口安放角的影响系数；

k_Z—叶片个数对叶轮出口宽度的影响系数；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m。

6.如权利要求1所述一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：叶轮叶片包角由以下公式确定：

(a)叶轮折边上叶片包角由以下公式确定：

(b)叶轮折边下叶片包角由以下公式确定：

式中：

—上叶片包角，°；

—下叶片包角，°；

D₀—叶轮进口当量直径，m；

D₂—叶轮出口直径，m；

Z—叶片数，枚。

7.如权利要求1所述一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：叶轮折边上下叶片之间出口处对应的弧长大小由以下公式确定：

式中：

l—叶轮折边上下叶片之间出口处对应的弧长,m；

D₀—叶轮进口当量直径，m；

—上叶片包角，°。

8.如权利要求1所述一种中高比转速离心泵叶轮进口端折边叶片结构的设计方法，其特征在于：叶轮叶片的进口处厚度δ由以下公式确定：

(a)叶轮折边上叶片进口处厚度S₁₁由以下公式确定：

$S_{11}=\frac{-0.01D_2^2+7D_2-0.21}{0.6D_2+90}$

(b)叶轮折边下叶片进口处厚度S₁₂由以下公式确定：

$S_{12}=-0.12D_2^2+0.6D_2+0.016$

式中：

S₁₁—叶轮折边上叶片进口处厚度，m；

S₁₂—叶轮折边下叶片进口处厚度，m；

D₂—叶轮出口直径，m。