CN108223424B - 一种立式轴流泵泵段 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立式轴流泵泵段，包括从下至上依次同轴固定设置的导水锥管、转轮室和导叶体；转轮室内设有转轮，转轮包括导水锥、轮毂、主轴和转轮叶片；转轮叶片采用不对称扭曲叶片，叶片根部至叶缘翼型采用不等厚度不等弦长的翼型组成。轮毂为球面，轮毂底部与导水锥固定连接，导水锥用以保持轴流泵进口水流流态平稳，流速均匀分布；导叶***于转轮出口，内置数量为5~7的不对称固定导叶，以回收转轮出口环量。泵段扬程范围为1~5m，经数值模拟与试验验证，泵装置效率可达75%以上，泵叶轮效率可达90%以上，发电工况下，发电效率在65%以上，叶轮效率在85%以上，该泵型能够用于中低扬程大流量泵站运行，也可供现有轴流泵站更新改造使用。

Description

一种立式轴流泵泵段
技术领域
本发明涉及流体机械及能源动力技术领域，特别是一种立式轴流泵泵段。
背景技术
南水北调工程穿越长江流域、淮河流域、黄河流域和海河流域，是关系到我国经济、社会和生态环境可持续发展的重大基本建设项目。轴流泵是南水北调工程低扬程、大流量泵站的优选泵型，立式轴流泵装置具有安装方便，运行稳定可靠性高和投资省、维护费用少等突出优点，因此设计开发高效的立式轴流泵对减少能源消耗，获得较为理想的经济效益具有较为深远的意义。
目前，大型立式轴流泵在国内外的运用比较多，在管理等面方面已积累了丰富的经验，但当立式泵装置应用于低扬程泵站时，因泵轴竖直安装，水流经过两次90°转向而导致流道水力损失较大，与卧式泵相比，立式轴流泵装置的流道效率和泵装置效率都比较低。不少轴流泵站根据水泵机组的可逆特性，利用节制闸下泄的水资源进行水泵机组反向发电，但多数轴流泵在发电工况，发电效率普遍比较低。因此已有的轴流泵泵站面临着泵装置水力优化设计、结构优化等方面的问题需要解决。未来在众多的低扬程、大流量泵站工程更多将会采用轴流泵，为了充分实现低扬程、大流量泵站的高效经济运行，具备更优的轴流泵必不可少，以发挥轴流泵的最大优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种立式轴流泵泵段，该立式轴流泵泵段的扬程适用范围为1～5m，能解决以往轴流泵流泵装置效率低、水流流态差、结构复杂、发电工况效率低等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种立式轴流泵泵段，包括从下至上依次同轴固定设置的导水锥管、转轮室和导叶体；转轮室内设置有转轮，转轮包括导水锥、轮毂、主轴和转轮叶片；导水锥、轮毂和主轴从下至上依次同轴固定设置，导水锥底部位于导水锥管内，转轮叶片沿周向布设在轮毂上，主轴与传动装置相连接。
导叶体内设置有若干个固定导叶，用于回收转轮出口环量。
每个转轮叶片均为不对称扭曲叶片，每个转轮叶片从轮毂侧至轮缘侧均采用不等厚度不等弦长的翼型。
每个转轮叶片均由空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型拟合而成，其中Span＝0为轮毂侧截面，Span＝1.0为轮缘侧截面。
以转轮叶片的转动轴与各个空间截面的交点为原点建立坐标系，X为各坐标系的横坐标，Y为各坐标系的纵坐标；则每个转轮叶片在空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型曲线上点的坐标将能以如下公式进行表示：
Span＝0处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-3E-07X3+1E-04X2-0.6528X+68.870；
Span＝0处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-07X2+0.0004X2-0.6683X-65.048；
Span＝0.25处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-1E-07X3+8E-05X2-0.4959X+28.666
Span＝0.25处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-07X3+0.0002X2-0.4975X-64.151
Span＝0.50处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-08X3+5E-05X2-0.4044X+11.202
Span＝0.50处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-7E-08X3+0.0001X2-0.3981X-60.812
Span＝0.75处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-08X3+3E-05X2-0.3193X+10.289
Span＝0.75处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-08X3+8E-05X2-0.3176X-49.663
Span＝1.0处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-08X3+1E-05X2-0.2524X+18.982；
Span＝1.0处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-3E-08X3+6E-05X2-0.2545X-33.933。
固定导叶采用不对称导叶翼型，固定导叶数为5～7，固定导叶中线所在截面截得导叶翼型弦长c与转轮直径D0的比值为0.557～0.561，导叶翼型最大厚度dmax与导叶翼型弦长c的比值
Figure BDA0001488682140000021
为0.034～0.038，导叶翼型最大弯度fmax与导叶翼型弦长c的比值
Figure BDA0001488682140000022
为0.093～0.097。
导水锥母线由四段圆弧拟合而成，四段圆弧半径R1、R2、R3、R4与转轮直径D0的比值分别为0.021～0.025、0.186～0.190、0.656～0.660、1.457～1.461。
导水锥管的断面为圆形，导水锥管进口直径D1、导水锥管出口直径D2、导水锥管高度h1与转轮直径D0的比值分别为1.127～1.131、0.995～0.999、0.364～0.368。
转轮室高度h2与转轮室直径D0的比值为0.385～0.389；转轮室进口直径D2、转轮室出口直径D3与转轮直径D0的比值为0.995～0.999、0.975～0.979；主轴直径D4与转轮直径D0的比值为0.348～0.352；轮毂比即轮毂直径Dh与转轮直径D0的比值为0.398～0.402。
导叶体高度h3与转轮直径D0的比值为0.675～0.679；导叶体进口直径D3、导叶体出口直径D4与转轮直径D0的比值分别为0.975～0.979、1.028～1.032。
本发明具有的有益效果如下：
1、本发明的立式轴流泵泵段经数值模拟与试验验证，在28m3/s～30m3/s流量范围内，泵段扬程为4.40m左右时，泵装置效率可达75％以上，泵叶轮效率可达90％以上，能够用于中低扬程大流量泵站运行，也可供现有轴流泵站更新改造使用。
2、本发明的立式轴流泵泵段经数值模拟与试验验证，在发电工况下，流量在22.5m3/s～25m3/s范围内，水头范围为3.9m～4.6m，发电效率可达65％以上，最高发电效率达到73.04％，叶轮效率可达85％以上，能够用于中低扬程大流量泵站发电运行。
3、本发明所设计的导水锥能够保持轴流泵进口水流流态平稳，流速均匀分布。
4、本发明所设计的转轮叶片的相对扭角较大，具有较强的做功能力。
5、本发明的立式轴流泵泵段导叶翼弦较长，导叶翼型弯曲度较大且导叶各翼型相对扭角较大。另外，固定导叶的摆放位置能够有效消除液体环量，转换转轮出口速度能为压能，同时调整叶轮出口流态，固定导叶扬程损失仅为0.32m左右。
附图说明
图1显示了本发明一种立式轴流泵泵段的正视图。
图2显示了本发明转轮室示意图。
图3显示了本发明转轮形状示意图。
图4显示了本发明转轮叶片的翼型位置参数定义图。
图5显示了本发明转轮叶片的翼型轴向投影示意图。
图6显示了本发明转轮叶片在Span＝0处翼型型线示意图。
图7显示了本发明转轮叶片在Span＝0.25处翼型型线示意图。
图8显示了本发明转轮叶片在Span＝0.50处翼型型线示意图。
图9显示了本发明转轮叶片在Span＝0.75处翼型型线示意图。
图10显示了本发明转轮叶片在Span＝1.0处翼型型线示意图。
图11显示了在立式轴流泵设计工况时，转轮叶片翼型压力载荷分布图。
图12显示了在水轮机设计工况时，转轮叶片翼型压力载荷分布图。
图13显示了本发明导叶体示意图。
图14显示了本发明固定导叶示意图。
图15显示了本发明固定导叶A-A截面翼型形状示意图。
图中：1、导水锥管；2、导水锥；3、转轮室；4、转轮叶片；5、轮毂；6、主轴；7、导叶体；8、固定导叶；D0、转轮直径；D1、导水锥管进口直径；D2、转轮室进口直径(也即导水锥管进口直径)；D3、转轮室出口直径(也即导叶体进口直径)；D4、导叶体出口直径；h1、导水锥管高度；h2、转轮室高度；h3、导叶体高度；R1、R2、R3和R4、导水锥的四个拟合圆弧半径；c、导叶翼型弦长；dmax、导叶翼型最大厚度；fmax、导叶翼型最大弯度。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种立式轴流泵泵段，包括从下至上依次同轴固定设置的导水锥管1、转轮室3和导叶体7。
如图1所示，导水锥管1逐渐收缩，且导水锥管1的断面为圆形，便于安装。导水锥管进口直径D1、导水锥管出口直径D2、导水锥管高度h1与转轮直径D0的比值分别为1.127～1.131、0.995～0.999、0.364～0.368。
如图1、图2和图3所示，转轮室高度h2与转轮室直径D0的比值为0.385～0.389；转轮室进口直径D2、转轮室出口直径D3与转轮直径D0的比值为0.995～0.999、0.975～0.979。
转轮室内设置有转轮，转轮包括导水锥2、轮毂5、主轴6和转轮叶片4；导水锥、轮毂和主轴从下至上依次同轴固定设置。
导水锥底部位于导水锥管内，导水锥用以保持轴流泵进口水流流态平稳，流速均匀分布。
如图3所示，导水锥母线由四段圆弧拟合而成，四段圆弧半径R1、R2、R3、R4与转轮直径D0的比值分别为0.021～0.025、0.186～0.190、0.656～0.660、1.457～1.461。
轮毂5优选为球面，方便转轮叶片4的安装与固定，同时根据不同运行要求，方便进行转轮叶片角度的调整。轮毂比即轮毂直径Dh与转轮直径D0的比值优选为0.398～0.402。
主轴与传动装置相连接，优选与电动机相连接，起传动作用；主轴直径D4与转轮直径D0的比值优选为0.348～0.352。
转轮叶片沿周向布设在轮毂上，每个转轮叶片均优选为不对称扭曲叶片，每个转轮叶片从轮毂侧至轮缘侧均采用不等厚度不等弦长的翼型。
如图4所示，每个转轮叶片均优选由空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型拟合而成，其中Span＝0为轮毂侧截面，Span＝1.0为轮缘侧截面。
如图5至图10所示，以转轮叶片的转动轴与各个空间截面的交点为原点建立坐标系，X为各坐标系的横坐标，Y为各坐标系的纵坐标。
则转轮叶片4的空间截面型线部分点在直角坐标系下的位置参数如表1所示。
表1(单位：mm)
根据上述位置参数，每个转轮叶片在空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型曲线上点的坐标将用以下公式进行表示。
Span＝0处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-3E-07X3+1E-04X2-0.6528X+68.870
Span＝0处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-07X2+0.0004X2-0.6683X-65.048
Span＝0.25处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-1E-07X3+8E-05X2-0.4959X+28.666
Span＝0.25处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-07X3+0.0002X2-0.4975X-64.151
Span＝0.50处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-08X3+5E-05X2-0.4044X+11.202
Span＝0.50处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-7E-08X3+0.0001X2-0.3981X-60.812
Span＝0.75处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-08X3+3E-05X2-0.3193X+10.289
Span＝0.75处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-08X3+8E-05X2-0.3176X-49.663
Span＝1.0处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-08X3+1E-05X2-0.2524X+18.982；
Span＝1.0处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-3E-08X3+6E-05X2-0.2545X-33.933。
转轮叶片的翼型上某点占翼型中心线长度的比例为x％，其中进水边处x＝0，出水边处x＝100，水泵设计工况(转速为125r/min，水泵设计扬程为4.15m)时，如图11所示，五个翼型上的压力载荷分布较为均匀。
水轮机设计工况(转速为62.5r/min，水头为4.22m)时，如图12所示，五个翼型上的压力载荷分布也较为均匀。
导叶体高度h3与转轮直径D0的比值优选为0.675～0.679；导叶体进口直径D3、导叶体出口直径D4与转轮直径D0的比值分别为0.975～0.979、1.028～1.032。
如图13所示，导叶体内设置有若干个固定导叶，优选数量为5～7，用于回收转轮出口环量。每个固定导叶均采用不对称导叶翼型。
如图14和图15所示，固定导叶中线所在截面(也即A-A截面)截得导叶翼型弦长c与转轮直径D0的比值为0.557～0.561，导叶翼型最大厚度dmax与导叶翼型弦长c的比值为0.034～0.038，导叶翼型最大弯度fmax与导叶翼型弦长c的比值
Figure BDA0001488682140000072
为0.093～0.097。
以下以几个具体算例对本发明的高扬程灯泡贯流泵进行的试验效果验证如下：
例1，转轮叶片转角为10°，转速为125r/min时，泵装置扬程为4.14m，机组实测流量24.75m3/s，泵装置效率77.47％，转轮效率86.99％，泵段效率79.54％，导叶体扬程损失0.35m。
例2，转轮叶片转角为12°，转速为125r/min时，泵装置扬程为4.16m，机组实测流量27.22m3/s，泵装置效率76.40％，叶轮效率93.44％，泵段效率83.82％，导叶体扬程损失0.33m。
例3，转轮叶片转角为14°，转速为125r/min时，泵装置扬程为4.16m，机组实测流量29.69m3/s，泵装置效率78.40％，叶轮效率92.27％，泵段效率84.87％，导叶体扬程损失0.32m。
例4，转轮叶片转角为16°，转速为125r/min时，泵装置扬程为4.11m，机组实测流量31.55m3/s，泵装置效率77.40％，叶轮效率90.48％，泵段效率81.39％，导叶体扬程损失0.37m。
例5，转轮叶片转角为18°，转速为125r/min时，泵装置扬程为4.24m，机组实测流量34.10m3/s，泵装置效率76.20％，叶轮效率91.27％，泵段效率80.62％，导叶体扬程损失0.47m。
例6，转轮叶片转角为10°，转速为62.5r/min时，泵装置在发电工况下，水头为4.12m，机组实测流量21.10m3/s，效率为62.00％，叶轮效率为83.52％，导叶体水头损失0.043m。
例7转轮叶片转角为12°，转速为62.5r/min时，泵装置在发电工况下，水头为4.06m，机组实测流量22.16m3/s，效率为68.20％，叶轮效率为85.95％，导叶体水头损失0.049m。
例8，转轮叶片转角为14°，转速为62.5r/min时，泵装置在发电工况下，水头为4.22m，机组实测流量23.27m3/s，效率为73.04％，叶轮效率为87.67％，导叶体水头损失0.052m。
例9，转轮叶片转角为16°，转速为62.5r/min时，泵装置在发电工况下，水头为4.09m，机组实测流量24.49m3/s，效率为73.36％，叶轮效率为87.82％，导叶体水头损失0.062m。
例10，转轮叶片转角为18°，转速为62.5r/min时，泵装置在发电工况下，水头为4.05m，机组实测流量25.72m3/s，效率为74.22％，叶轮效率为88.14％，导叶体水头损失0.071m。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种立式轴流泵泵段，其特征在于：包括从下至上依次同轴固定设置的导水锥管、转轮室和导叶体；
转轮室内设置有转轮，转轮包括导水锥、轮毂、主轴和转轮叶片；导水锥、轮毂和主轴从下至上依次同轴固定设置，导水锥底部位于导水锥管内，转轮叶片沿周向布设在轮毂上，主轴与传动装置相连接；
导叶体内设置有若干个固定导叶，用于回收转轮出口环量；
每个转轮叶片均为不对称扭曲叶片，每个转轮叶片从轮毂侧至轮缘侧均采用不等厚度不等弦长的翼型；每个转轮叶片均由空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型拟合而成，其中Span＝0为轮毂侧截面，Span＝1.0为轮缘侧截面；
固定导叶采用不对称导叶翼型，固定导叶数为5～7，固定导叶中线所在截面截得导叶翼型弦长c与转轮直径D0的比值为0.557～0.561，导叶翼型最大厚度dmax与导叶翼型弦长c的比值
Figure FDA0002260487400000011
为0.034～0.038，导叶翼型最大弯度fmax与导叶翼型弦长c的比值为0.093～0.097；
导水锥母线由四段圆弧拟合而成，四段圆弧半径R1、R2、R3、R4由导水锥端部向导水锥与轮毂结合处依次设置，且R1、R2、R3、R4与转轮直径D0的比值分别为0.021～0.025、0.186～0.190、0.656～0.660、1.457～1.461。
2.根据权利要求1所述的立式轴流泵泵段，其特征在于：以转轮叶片的转动轴与各个空间截面的交点为原点建立坐标系，X为各坐标系的横坐标，Y为各坐标系的纵坐标；则每个转轮叶片在空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型曲线上点的坐标将能以如下公式进行表示：
Span＝0处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-3E-07X3+1E-04X2-0.6528X+68.870；
Span＝0处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-07X2+0.0004X2-0.6683X-65.048；
Span＝0.25处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-1E-07X3+8E-05X2-0.4959X+28.666；
Span＝0.25处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-07X3+0.0002X2-0.4975X-64.151；
Span＝0.50处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-08X3+5E-05X2-0.4044X+11.202；
Span＝0.50处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-7E-08X3+0.0001X2-0.3981X-60.812；
Span＝0.75处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-08X3+3E-05X2-0.3193X+10.289
Span＝0.75处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-4E-08X3+8E-05X2-0.3176X-49.663；
Span＝1.0处翼型压力面曲线拟合方程为：Y＝-2E-08X3+1E-05X2-0.2524X+18.982；
Span＝1.0处翼型吸力面曲线拟合方程为：Y＝-3E-08X3+6E-05X2-0.2545X-33.933。
3.根据权利要求1所述的立式轴流泵泵段，其特征在于：导水锥管的断面为圆形，导水锥管进口直径D1、导水锥管出口直径D2、导水锥管高度h1与转轮直径D0的比值分别为1.127～1.131、0.995～0.999、0.364～0.368。
4.根据权利要求1所述的立式轴流泵泵段，其特征在于：转轮室高度h2与转轮直径D0的比值为0.385～0.389；转轮室进口直径D2、转轮室出口直径D3与转轮直径D0的比值为0.995～0.999、0.975～0.979；主轴直径D4与转轮直径D0的比值为0.348～0.352；轮毂比即轮毂直径Dh与转轮直径D0的比值为0.398～0.402。
5.根据权利要求1所述的立式轴流泵泵段，其特征在于：导叶体高度h3与转轮直径D0的比值为0.675～0.679；导叶体进口直径D3、导叶体出口直径D4与转轮直径D0的比值分别为0.975～0.979、1.028～1.032。
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