CN102086884A - 离心泵叶轮的四工况点水力设计方法 - Google Patents

Abstract

提供一种满足四工况点要求的离心泵叶轮水力设计方法。其特征是在进行离心泵叶轮水力设计时，把离心泵叶轮的几何参数与四个工况点的性能参数联系到一起，达到离心泵的实际性能曲线与要求的性能曲线重合的效果。采用本发明设计的叶轮可以对叶轮的几何参数进行调节，达到离心泵性能满足四个工况点要求的目的。本发明可以保证离心泵的实际运行性能曲线与要求性能曲线的一致性，特别适用于对性能严格要求的离心泵叶轮水力设计。

Description

离心泵叶轮的四工况点水力设计方法

所属技术领域

本发明涉及一种离心泵叶轮的四工况点水力设计方法，即可以在离心泵的低比转数工况设计叶轮时使用，也可以在离心泵的高比转数工况设计叶轮时使用，尤其适用于对离心泵性能参数要求严格的情况使用。 

背景技术

目前，公知的离心泵叶轮设计均采用速度系数法，这种方法是按使用场合提出的某一个工况点进行叶轮几何参数的设计，该方法确定叶轮主要几何参数公式如下： 

$D_2=K_{D2}\sqrt[3]{\frac{Q_{\mathrm{BEP}}}{n}}$

$b_2=K_{b2}\sqrt[3]{\frac{Q_{\mathrm{BEP}}}{n}}$

式中D₂——叶轮叶片外圆直径，米； 

b₂——叶轮叶片出口宽度，米； 

n——转速，转/分； 

Q_BEP——最优效率工况点流量，米³/秒； 

K_D2——叶轮叶片外圆直径系数； 

K_b2——叶轮叶片外圆宽度系数。 

采用传统速度系数法设计的离心泵，其轴功率曲线随流量的增加而不断上升，经常会出现离心泵在大流量区运行时过载或烧毁电机的现象。同时，采用速度系数法设计离心泵只能保证了最优效率工况点的性能，而其它工况点的性能，由于偏离最优效率工况，其性能在设计中根本无法保证。通常情况下，应用离心泵的现场，其使用要求不能固定在最优效率工况，或根本不是最优效率工况，即对离心泵叶轮的设计不仅应考虑最优效率点的高效率，同时也应满足在其它工况下使用时的可靠性，这就要求离心泵要有较宽的性能范围，以适应从零流量工况 至大于最优效率工况流量的工况变化。目前许多应用现场对离心泵均有严格的性能曲线要求，不仅要求其满足最优效率工况点性能要求，同时也要满足其它工况点的性能要求，即仅仅满足1个工况点的设计是远远不够的，因此，要求离心泵叶轮的设计可以满足四个工况点。可以看出，采用速度系数法进行离心泵叶轮的水力设计越来越不符合日益复杂的生产需要。 

先有的专利技术89212885.2号专利“用于旋转流体机械的渐开线叶轮”、90214606.8号专利“一种无过载低比速离心泵叶轮”和200410014937.0号专利“一种低比转数离心泵叶轮设计方法”，提出了一些新的离心泵叶轮设计方法，但在这三个专利中离心泵叶轮几何参数的确定均是建立在最优效率工况点的基础上，均只能保证最优效率工况点的性能，对如何保证其它工况点性能没有考虑，不能达到离心泵叶轮的四工况点水力设计要求。 

发明内容

为了克服现有离心泵叶轮设计方法的不足，本发明提供一种新的离心泵叶轮的四工况点水力设计方法。采用本发明设计的叶轮可以对叶轮的几何参数进行调节，能达到离心泵的设计性能曲线与要求的性能曲线重合的效果，满足四个工况点要求的目的。本发明专利可以保证离心泵的实际运行性能曲线与要求性能曲线的一致性，特别适用于多个工况点性能要求严格的离心泵叶轮设计。 

本发明的技术方案是： 

1.在设计离心泵叶轮时，根据离心泵的四个工况点要求：第一工况点，零流量Q₁＝0、零流量工况的扬程H₁；第二工况点，0.3倍设计流量工况的流量Q₂、0.3倍设计流量工况的扬程H₂；第三工况点，最优效率工况的流量Q_BEP、最优效率工况的扬程H_BEP；第四工况点，1.2倍设计流量工况的流量Q₄、1.2倍设计流量工况的扬程H₄；以及对叶轮转速n的要求，来设计计算叶轮叶片的几何参数，其特征是：把离心泵叶轮的几何参数与不同工况点的性能参数联系到一起，即叶轮主要几何参数与不同工况点性能参数之间适合以下几个等式的关系： 

${\sin \mathrm{\β}}_2=0.53n^{0.45}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.22}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.35}$

$D_2={5.96n}^{-0.66}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.67}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.44}{b}_2^{-1}{\left({\tan \mathrm{\β}}_2\right)}^{-0.26}{(H_{\mathrm{BEP}}+\mathrm{\ΔH})}^{0.45}$

$b_2=0.082n^{0.34}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.65}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.47}{D}_2^{-4.95}{D}_{2\mathrm{BEP}}^{4.95}$

ΔH＝max{ΔH₁、ΔH₂、ΔH_BEP、ΔH₄} 

ΔH_i＝H_i-H′_i

$H_i^{\′}=H_{\mathrm{BEP}}[{(0.078\ln n_{\mathrm{sBEP}}-1.06)\left(\frac{Q}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2$

$+(-0.62\ln n_{\mathrm{sBEP}}+2.92)\left(\frac{Q}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)+(0.41\ln n_{\mathrm{sBEP}}-0.38)]$

式中：D₂——叶轮叶片外圆直径，米； 

D_2BEP——按最优效率工况点确定的叶轮叶片外圆直径，米； 

b₂——叶轮叶片出口宽度，米； 

Q_BEP——最优效率工况点(即第四工况点)流量，米³/秒； 

H_BEP——最优效率工况点(即第四工况点)扬程，米； 

n_sBEP——最优效率点比转数； 

H_i——设计要求的第i工况点扬程，i＝1-4，米； 

H′_i——速度系数法确定的第i工况点扬程，i＝1-4，米； 

n——转速，转/分； 

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，i＝1-4，米； 

β₂——叶轮叶片出口安放角，度。 

在以上关系式中，没有对叶片包角、叶片数和叶片厚度提出要求，因此，只要在不影响铸造和加工工艺的前提下，设计时可以根据需要随意控制这几个参数。 

2根据所要求各工况点组成的性能曲线形状，将β₂在20°～30°之间调整，当扬程曲线陡降时β₂取小值，当扬程曲线平坦时β₂取大值。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是发明专利一个实施例的叶轮轴面剖视图。 

图2是同一个实施例的叶轮叶片图(揭去叶轮前盖板后从叶轮前盖板朝叶轮后盖板看的叶轮平面剖视图)。 

图3是本发明实施例的泵的实际性能曲线图。 

图中：1.叶轮前盖板，2.叶轮后盖板，3.叶轮叶片出口宽度，4.叶轮叶片的外圆直径，5.叶片，6.叶片工作面，7.叶片背面，8.叶片工作面出口安放角，9.叶片工作面进口安放角，10.叶片包角。 

具体实施方式

图1和图2共同确定了这个实施例的叶轮形状。它与大多数离心泵叶轮一样，具有叶轮前盖板(1)和叶轮后盖板(2)，是一种闭式叶轮。如果没有叶轮前盖板及叶轮后盖板很小，即做成半开式或开式叶轮，也不影响本发明的实施，因为本发明控制的是叶片(5)的参数。在图中，叶片的凸面为叶片工作面(6)，叶片的凹面为叶片工作面(7)。本发明通过以下几个关系式来调整叶轮叶片出口宽度b₂(3)、叶轮叶片的外圆直径D₂(4)、叶轮叶片工作面的出口安放角β₂(8)，叶轮叶片工作面的进口安放角β₁(9)，使这个实施例的离心泵性能满足我们最优效率工况工况的流量Q_BEP、最优效率工况的扬程H_BEP、第i工况点的流量Q_i、第i工况点的扬程H_i、叶轮转速n的要求。 

${\sin \mathrm{\β}}_2=0.53n^{0.45}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.22}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.35}$

$D_2=5.96n^{-0.66}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.67}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.44}{b}_2^{-1}{\left({\tan \mathrm{\β}}_2\right)}^{-0.26}{(H_{\mathrm{BEP}}+\mathrm{\ΔH})}^{0.45}$

$b_2=0.082n^{0.34}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.65}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.47}{D}_2^{-4.95}{D}_{2\mathrm{BEP}}^{4.95}$

ΔH＝max{ΔH₁、ΔH₂、ΔH_BEP、ΔH₄} 

ΔH_i＝H_i-H′_i

$H_i^{\′}=H_{\mathrm{BEP}}[{(0.078\ln n_{\mathrm{sBEP}}-1.06)\left(\frac{Q}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2$

$+(-0.62\ln n_{\mathrm{sBEP}}+2.92)\left(\frac{Q}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)+(0.41\ln n_{\mathrm{sBEP}}-0.38)]$

式中：D₂——叶轮叶片外圆直径，米； 

D_2BEP——按最优效率工况点确定的叶轮叶片外圆直径，米； 

b₂——叶轮叶片出口宽度，米； 

Q_BEP——最优效率工况点(即第四工况点)流量，米³/秒； 

H_BEP——最优效率工况点(即第四工况点)扬程，米； 

n_sBEP——最优效率点比转数； 

H_i——设计要求的第i工况点扬程，i＝1-4，米； 

H′_i——速度系数法确定的第i工况点扬程，i＝1-4，米； 

n——转速，转/分； 

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，i＝1-4，米； 

β₂——叶轮叶片出口安放角，度。 

根据所要求各工况点组成的性能曲线形状，将β₂在20°～30°之间调整，当扬程曲线陡降时β₂取小值，当扬程曲线平坦时β₂取大值。 

这样的设计就可以保证这个实施例的离心泵在多个工况点满足要求，从而达到与所要求的性能曲线相一致。 

在这个实施例中，叶片包角和叶片数可以根据铸造工艺要求选择确定。 

在这个实施例中，泵的四个工况点要求如下： 

第一工况点，H₁＝60米； 

第二工况点，Q₂＝66米³/小时，H₂＝58米； 

第三工况点(最优效率工况点)，Q_BEP＝220米³/小时，H_BEP＝47米； 

第四工况点，Q₅＝265米³/小时，H₅＝44米； 

在这个实施例中，叶轮各几何参数确定如下： 

叶轮出口直径D₂＝0.216米；叶片出口安放角β₂＝27度；叶片数＝6片； 

叶片进口安放角β₁＝24度；叶片包角＝100度。 

图3是这个实施例的泵实际性能曲线。 

Claims (2)

1.离心泵叶轮的四工况点水力设计方法，它根据离心泵的四个工况点要求：第一工况点，零流量Q₁＝0、零流量工况的扬程H₁；第二工况点，0.3倍设计流量工况的流量Q₂、0.3倍设计流量工况的扬程H₂；第三工况点，最优效率工况的流量Q_BEP、最优效率工况的扬程H_BEP；第四工况点，1.2倍设计流量工况的流量Q₄、1.2倍设计流量工况的扬程H₄；以及对叶轮转速n的要求，来设计计算叶轮叶片的几何参数，其特征是：把离心泵叶轮的几何参数与不同工况点的性能参数联系到一起，即叶轮主要几何参数与不同工况点性能参数之间适合以下几个等式的关系：

$\sin {\mathrm{\β}}_2=0.53n^{0.45}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.22}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.35}$

$D_2=5.96n^{-0.66}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.67}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.44}{b}_2^{-1}{\left(\tan {\mathrm{\β}}_2\right)}^{-0.26}{(H_{\mathrm{BEP}}+\mathrm{\ΔH})}^{0.45}$

$b_2=0.082n^{0.34}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.65}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.47}{D}_2^{-4.95}{D}_{2\mathrm{BEP}}^{4.95}$

ΔH＝max{ΔH₁、ΔH₂、ΔH_BEP、ΔH₄}

ΔH_i＝H_i-H′_i

$H_i^{\′}=H_{\mathrm{BEP}}[(0.078\ln n_{\mathrm{sBEP}}-1.06){\left(\frac{Q}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2$

$+(-0.62\ln n_{\mathrm{sBEP}}+2.92)\left(\frac{Q}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)+(0.41\ln n_{\mathrm{sBEP}}-0.38)]$

式中：D₂——叶轮叶片外圆直径，米；

D_2BEP——按最优效率工况点确定的叶轮叶片外圆直径，米；

b₂——叶轮叶片出口宽度，米；

Q_BEP——最优效率工况点(即第三工况点)流量，米³/秒；

H_BEP——最优效率工况点(即第三工况点)扬程，米；

n_sBEP——最优效率点比转数；

H_i——设计要求的第i工况点扬程，i＝1-4，米；

H′_i——速度系数法确定的第i工况点扬程，i＝1-4，米；

n——转速，转/分；

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，i＝1-5，米；

β₂——叶轮叶片出口安放角，度。

2.如权利要求1所述的离心泵叶轮的四工况点设计方法，其特征是：根据所要求各工况点组成的性能曲线形状，将β₂在7°～18°之间调整，当要求的扬程曲线陡降时β₂取小值，当要求的扬程曲线平坦时β₂取大值。

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