CN102678617A - 一种基于离心泵的诱导轮设计方法 - Google Patents

一种基于离心泵的诱导轮设计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于离心泵的诱导轮设计方法，属于泵技术领域。其特征是在给定离心泵装置的情况下进行诱导轮设计。本发明提出的基于离心泵的诱导轮设计方法，根据现有的水泵装置条件，基于外特性实验，确定离心泵最高效率点处的流量、扬程及必需汽蚀余量等实验数据，进行诱导轮的设计。使诱导轮在轮缘外径、入口轮毂比及最佳进口流量系数条件下，取得较高汽蚀比转数。不但可以保证诱导轮具有良好的汽蚀性能，且与泵叶轮之间具有良好的能量匹配关系，提高了诱导轮的性能，增强了系统的运行稳定性，而且可以避免因原有设计方法造成的泵与诱导轮的尺寸差异，而引起的装配困难，提高了设计诱导轮的效率。具有推广价值。

Description

一种基于离心泵的诱导轮设计方法
技术领域
本发明涉及一种离心泵主要零件的设计方法，特别涉及一种离心泵的诱导轮设计方法。
背景技术
诱导轮技术是目前公知的提高离心泵汽蚀性能的最为有效的途径之一，被广泛应用。诱导轮属于轴流式叶轮，用于提高离心泵的汽蚀性能，其本身也可以在一定程度的汽蚀状态下工作。在实际的设计情况下，往往会在泵装置已经确定的情况下，为了改善其汽蚀性能，而进行诱导轮的设计。在这种情况下，现有的诱导轮设计方法存在一些不足：现有设计方法中泵与诱导轮在设计中往往独立完成，从而会导致诱导轮出口直径要比泵进口直径大，如果减小诱导轮出口直径，则会降低诱导轮的扬程，并且影响其效率；如果保持诱导轮外径不变，则会引起装配困难，需要调整泵进口的管道，加装锥形导流套等连接装置，增加了生产和试验的成本，为生产试验带来了不必要的麻烦。
经检索，目前尚无与本发明相关的专利公布，只是在部分文献中有所涉及，《诱导轮与泵主叶轮的匹配关系研究》（水泵技术，1999，9：7~9，13），提出通过加大泵进口直径的方式来实现泵与诱导轮的优化配合，而这种方法不能应用在泵装置已经确定的情况下的诱导轮设计；《高速泵变螺距诱导轮的设计分析》（农业机械学报，1997,28（4）：102~106），提出了变螺距诱导轮设计方法，其设计结构形式是诱导轮外径大于泵叶轮进口直径，这种结构需要在诱导轮和叶轮之间加装锥形导流装置，并改变叶轮后盖板的形状，这为生产试验带来了不必要的麻烦，而且由于诱导轮的径向尺寸过大，会使诱导轮在运行中的不稳定力增加。
发明内容
为了克服现有诱导轮设计方法的不足，本发明提出了一种基于离心泵的诱导轮设计方法。本发明以泵叶轮进口尺寸为依据，来进行诱导轮的设计，不但可以保证诱导轮具有良好的汽蚀性能，并与泵叶轮优化配合，还可以避免因设计尺寸不匹配，需要调整泵进口管道，加装锥形导流套等连接装置，而引起的装配困难。
本发明的技术方案是：一种基于离心泵的诱导轮设计方法，其水力设计方法步骤如下。
（1）搭建离心泵外特性实验台，离心泵的扬程H由离心泵进、出口的压力表测量得到，功率P采用电测法进行测量，流量Q由离心泵出口管路系统上的电磁流量计读出，效率η由公式η=ρgQH/P计算得到，采用真空泵控制吸入口的真空度，使离心泵发生汽蚀，测量离心泵的必需汽蚀余量NPSH r 。通过以上实验确定离心泵最高效率点时的Q、H及NPSH r ，并初步估算所需诱导轮的汽蚀比转数C。
（2）测量离心泵装置的进口管道直径D 1，由诱导轮的最佳径向间隙                                                
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE001
，可得诱导轮轮缘直径
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE003
为泵叶轮进口直径，为了保持较高的同心度，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE004
可以取较大值。
（3）取入口轮毂比
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE005
，一般取0.2~0.4之间，当入口无轴穿过时，取
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE006
，当入口有轴穿过
时，取
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE007
。
（4）由公式
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE008
，求得在
Figure 942776DEST_PATH_IMAGE004
及条件下的最佳进口流量系数
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE009
，Q为泵的流量，
n为泵的转速。
（5） 将
Figure 540428DEST_PATH_IMAGE005
及
Figure 235982DEST_PATH_IMAGE009
代入
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE010
，检验诱导轮汽蚀比转数的大小（C i >C），如果过小，返回第2步重新选取进口轮毂比
Figure 650783DEST_PATH_IMAGE005
，计算最佳进口流量系数
Figure 593331DEST_PATH_IMAGE009
。
（6）计算诱导轮的进出口螺距值：
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE012
；其中
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE013
为叶片进口冲角，一般取2°~3°；
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE014
为诱导轮出口排挤系数，一般取1.03；
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE015
为泵的流量；
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE016
，为诱导轮出口计算直径；
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE017
，为诱导轮出口计算直径处的圆周速度，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE018
为诱导轮理论扬程，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE019
为重力加速度，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE020
为诱导轮出口轮毂比，一般取0.4~0.6。
（7）选取合适的叶片数及叶栅稠密度，计算叶片包角。
（8）选取合适的叶片进口后掠角
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE024
，一般取90°~150°，按
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE025
修整圆弧进口边。
（9）选取合适的叶缘厚度及叶片表面夹角
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE027
，一般取1~3mm， 
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE029
。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于离心泵的诱导轮设计方法，不但可以保证诱导轮具有良好的汽蚀性能，并与泵叶轮之间具有良好的能量匹配关系，提高了诱导轮的性能，增强系统的运行稳定性，而且可以避免因原有设计方法造成的泵与诱导轮的尺寸差异，而引起的装配困难，提高了设计诱导轮的效率。具有一定的推广价值。
附图说明
图1为一种基于离心泵的诱导轮设计方法的流程图。
图2为本发明实施例诱导轮的二维水力图。
图3为本发明实施例诱导轮的型线加厚示意图。
图4为本发明实施例诱导轮的三维结构图。
图5为本发明实施例诱导轮的试验性能曲线。
图中
Figure 96513DEST_PATH_IMAGE004
为诱导轮轮缘直径，
Figure 579447DEST_PATH_IMAGE005
为诱导轮入口轮毂比，
Figure 52016DEST_PATH_IMAGE009
为诱导轮进口最佳流量系数，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE030
为诱导轮汽蚀比转数，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE031
为诱导轮进口螺距值，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE032
为诱导轮出口螺距值，
Figure 40832DEST_PATH_IMAGE021
为叶片数，
Figure 841429DEST_PATH_IMAGE022
为叶栅稠密度，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE033
为叶片包角，
Figure 938173DEST_PATH_IMAGE024
为叶片进口后掠角，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE034
为叶片进口修圆半径，
Figure 875036DEST_PATH_IMAGE026
为叶缘厚度，
Figure 159387DEST_PATH_IMAGE027
为叶片表面夹角；其中，H1= 131.23; H2=35.14; R=55.9; φ1=58; φ2=70; R1=82.85; H3=3;H4=47.85; H5=53.85;H6=5.8;H7=5.5；(长度单位：mm)。
具体实施方式
本实施例基于离心泵的诱导轮设计方法的流程图如图1所示，包括如下步骤。
（1）搭建离心泵外特性实验台，离心泵的扬程H由离心泵进、出口的压力表测量得到，功率P采用电测法进行测量，流量Q由离心泵出口管路系统上的电磁流量计读出，效率η由公式η=ρgQH/P计算得到，采用真空泵控制吸入口的真空度，使离心泵发生汽蚀，测量离心泵的必需汽蚀余量NPSH r 。通过以上实验确定离心泵最高效率点时Q=80m3/h，H=30m，NPSH r=2.2m，初步估算诱导轮的汽蚀比转数C=2500。
（2）通过测量得到离心泵进口管道直径
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE035
，根据
Figure 384963DEST_PATH_IMAGE002
，选
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE036
，得
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE037
。
（3）取入口轮毂比
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE038
。
（4）由公式
Figure 240660DEST_PATH_IMAGE008
，求得在
Figure 422243DEST_PATH_IMAGE037
及条件下的最佳进口流量系数。
（5）将
Figure 387105DEST_PATH_IMAGE005
及代入
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE040
，得，诱导轮具有良好的汽蚀性能。
（6）进一步计算得出诱导轮的进出口螺距值
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE042
，其中取
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE044
，其中
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE050
。
（7）选取叶片数
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE051
，叶栅稠密度，计算叶片包角
Figure 628785DEST_PATH_IMAGE023
=340。
（8）选取叶片进口后掠角=90°，按
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE053
修整圆弧进口边。
（9）选取叶缘厚度
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE054
，叶片表面夹角
Figure 2012101550620100002DEST_PATH_IMAGE055
。
设计结果如表1所示：
                                          表1 诱导轮设计结果
按照设计结果，分别绘制诱导轮的轴面图、径向图及型线展开图等，本实施例诱导轮的二维水力图如图2所示，型线加厚如图3所示，三维结构如图4所示。
在闭式实验台，对不加装诱导轮和加装诱导轮时泵机组进行汽蚀试验，确保进口管路具有良好的密封性，通过真空泵控制吸入口的真空度，使泵发生汽蚀，试验结果如图5所示，不加装诱导轮泵机组的必需汽蚀余量为2.2m,，加装诱导轮后泵机组必需汽蚀余量低于0.55m，满足性能要求，而用传统方法设计的诱导轮，其外径约为221mm，这就需要调整泵进口管道，加装锥形导流套等连接装置，从而引起装配困难，为生产试验带来了不必要的麻烦。如果减小诱导轮出口直径，会降低诱导轮的扬程，并且影响其效率，很难使诱导轮与泵主叶轮的配合达到最优。

Claims (1)

1. 一种基于离心泵的诱导轮设计方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）搭建离心泵外特性实验台，离心泵的扬程H由离心泵进、出口的压力表测量得到；功率P采用电测法进行测量；流量Q由离心泵出口管路系统上的电磁流量计读出；效率η由公式η=ρgQH/P计算得到；采用真空泵控制吸入口的真空度，使离心泵发生汽蚀，测量离心泵的必需汽蚀余量NPSH r ；
通过以上实验确定离心泵最高效率点时的Q、H及NPSH r ，并初步估算所需诱导轮的汽蚀比转数C；
（2）测量离心泵装置的进口管道直径D 1，由诱导轮的最佳径向间隙                                                
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE001
，可得诱导轮轮缘直径
Figure 636822DEST_PATH_IMAGE002
，D 1为泵叶轮进口直径，为了保持较高的同心度，
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE003
可以取较大值；
（3）取入口轮毂比，一般取0.2~0.4之间，当入口无轴穿过时，取
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE005
，当入口有轴穿过
时，取；
（4）由公式
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE007
，求得在
Figure 539028DEST_PATH_IMAGE003
及
Figure 353401DEST_PATH_IMAGE004
条件下的最佳进口流量系数
Figure 988912DEST_PATH_IMAGE008
，Q为泵的流量，
n为泵的转速；
（5） 将及
Figure 330212DEST_PATH_IMAGE008
代入
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE009
，检验诱导轮汽蚀比转数的大小（C i >C），如果过小，返回第2步重新选取进口轮毂比
Figure 999091DEST_PATH_IMAGE004
，计算最佳进口流量系数
Figure 54772DEST_PATH_IMAGE008
；
（6）计算诱导轮的进出口螺距值：
Figure 809101DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE011
；其中
Figure 359162DEST_PATH_IMAGE012
为叶片进口冲角，一般取2°~3°；
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE013
为诱导轮出口排挤系数，一般取1.03；
Figure 772562DEST_PATH_IMAGE014
为泵的流量；
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE015
，为诱导轮出口计算直径；，为诱导轮出口计算直径处的圆周速度，
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE017
为诱导轮理论扬程，为重力加速度，
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE019
为诱导轮出口轮毂比，一般取0.4~0.6；
（7）选取合适的叶片数
Figure 656838DEST_PATH_IMAGE020
及叶栅稠密度
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE021
，计算叶片包角；
（8）选取合适的叶片进口后掠角
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE023
，一般取90°~150°，按
Figure 510842DEST_PATH_IMAGE024
修整圆弧进口边；
（9）选取合适的叶缘厚度
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE025
及叶片表面夹角
Figure 239764DEST_PATH_IMAGE026
，一般取
Figure 2012101550620100001DEST_PATH_IMAGE027
1~3mm， 
Figure 131627DEST_PATH_IMAGE028
。
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