CN102966601B - 一种泵用半螺旋吸水室水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泵用半螺旋吸水室水力设计方法。利用以下几个关系式来确定吸水室的主要几何参数，主要包括：隔舌角α，隔舌夹角γ，吸入室上侧半径R₁，隔舌出入口半径r₁，基圆半径R₂，吸入室下侧半径R₃，隔板长l，隔板夹角θ，隔板厚度δ，八断面进口半径b₃，八断面倾斜角ω，各断面半径R_i，各断面水平长l_i和各断面高h_i。用本发明设计的吸水室不仅改善了流动条件，能保证在叶轮进口得到均匀的速度场，同时大大提高了泵的抗汽蚀性能。

Description

一种泵用半螺旋吸水室水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种泵用半螺旋吸水室水力设计方法，可适用于双吸泵、管道泵、多级泵等多种泵的吸水室水力设计，特别适用于对泵的水力性能、汽蚀性能和流态要求较高的场合。

背景技术

吸水室是泵进口法兰到叶轮进口的部分，其功能是把液体按要求的条件引入叶轮。吸水室中的流动状态，直接影响叶轮中的流动情况，对泵效率也有一定的影响，尤其对泵的汽蚀性能影响较大。对吸水室的要求是：保证叶轮进口有要求的速度场，如速度分布均匀，大小适当，方向符合要求，水力损失最小。

目前，吸水室的种类主要分为直锥形吸水室，环形吸水室和半螺旋形吸水室等。直锥形吸水室结构简单，性能优良，但由于结构限制，主要用于单级悬臂式泵。环形吸水室是形状断面积相同的吸水室，因结构简单对称，常用于杂质泵和多级泵。但在环形吸水室中不能保证叶轮进口具有轴对称均匀的速度场，水力损失较大。半螺旋形吸水室中，有一部分液体进入叶轮，断面是从大到小逐渐变化，外壁是螺旋形的。和环形吸水室相比，有利于改善流动条件，能保证在叶轮进口得到均匀的速度场。但半螺旋形吸水室设计目前只有少量的经验公式，没有具体设计方法，实际设计仍然过分依赖经验。

叶亚丽等设计了一种多级离心泵的吸水室结构，使得整个流道内的水流速度保持均匀和稳定，而且还具有结构简单、易于加工的优点。蒋弼夏发明了一种高效半螺旋吸水室内燃机冷却水泵，使水泵效率提高10％～15％，适合用于各种车辆内燃机冷却系统。王威等设计了一种全螺旋形吸水室，一方面提高了泵的工作效率，另一方面使泵的抗汽蚀性能得到进一步提高。袁力发明了一种吸水室密封式高效离心水泵，不仅提高了离心水泵的抗汽蚀性能，还提高了离心水泵的水力效率、容积效率和圆盘损失效率，整体提升了离心水泵的综合性能。谢芳等设计了一种焊接泵体的吸水室结构，改善了泵体内液体的流动情况，减小了水力损失，使液体进入叶轮前的面积均匀变化。曾伟等发明了一种立式管道泵环形吸水室，解决了现有立式管道泵吸水室因采用直隔板而产生漩涡损失的技术问题，提高了水力效率。

但是吸水室设计目前只有少量的经验公式，没有具体设计方法，实际设计仍然过分依赖经验的，主要的研究也着重于结构设计。如今汽蚀是流体机械中的一个热门领域，光靠改造叶轮形状有时不能满足抗汽蚀性能要求，需要对泵吸水室形状做进一步改良。

发明内容

为解决现有多级泵中吸水室设计方法上的不足，本发明提供了一种泵用半螺旋吸水室水力设计方法。其特征在于，利用以下几个关系式来确定吸水室的主要几何参数，主要包括：隔舌角α，隔舌夹角γ，吸入室上侧半径R₁，隔舌出入口半径r₁，基圆半径R₂，吸入室下侧半径R₃，隔板长l，隔板夹角θ，隔板厚度δ，进口第一断面半径R_a，进口第二断面半径R_b，进口第二断面长a_b，宽b_b，进口第三断面半径R_c，进口第三断面长a_c，宽b_c，八断面进口半径b₃，八断面倾斜角ω，各断面半径R_i，各断面水平长l_i和各断面高h_i。用本发明设计的吸水室不仅改善了泵进口流道内的流动情况，同时由于半螺旋形吸水室有稳定液流的隔舌，并造成一定的环量，能保证在叶轮进口得到均匀的速度场。

实现上述目的所采用的设计方法：

1、隔舌角α

其计算公式： $\mathrm{\α}=40+\arcsin \left(0.56n_s^{0.23}\sqrt[3]{Q/n}\right)---\left(1\right)$

式中：α——隔舌角，°；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

2、隔舌夹角γ

其计算公式： $\mathrm{\γ}=15+\arcsin \left(0.63n_s^{0.21}\sqrt[3]{Q/n}\right)---\left(2\right)$

式中：γ——隔舌夹角，°；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s

n——叶轮转速，r/min。

3、吸入室上侧半径R₁

其计算公式： $R_1=[8.5+{\left(\frac{n_s+50}{100}\right)}^{-1.8}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(3\right)$

式中：R₁——吸入室上侧半径，m；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

4、隔舌出入口半径r₁

其计算公式： $r_1=K_1{\left(\frac{n_s}{40}\right)}^{1.23}\sqrt[3]{Q/n}---\left(4\right)$

式中：r₁——隔舌出入口半径，m；

K₁——修正系数，K₁＝0.85～1.9，n_s大，K₁取小值；n_s小，K₁取大值；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

n——叶轮转速，r/min。

5、基圆半径R₂

其计算公式： $R_2=[2.1+{\left(\frac{n_s+75}{100}\right)}^{-2.4}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(5\right)$ 式中：R₂——基圆半径，m；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

6、吸入室下侧半径R₃

其计算公式： $R_3=[17.5+{\left(\frac{n_s+50}{100}\right)}^{-2.6}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(6\right)$ 式中：R₃——吸入室下侧半径，m；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

7、隔板长l

其计算公式：l＝(0.65～0.85)D_s  (7)式中：l——隔板长，m；

D_s——吸水室进口直径，m，根据实际设计需要选取。

8、隔板夹角θ

其计算公式：θ＝arcsin(0.19n^0.23Q^0.21H^-0.32)  (8)式中：θ——隔板夹角，取7°～22°；

n——叶轮转速，r/min；

Q——设计工况的流量，m³/s；

H——扬程，m。

9、隔板厚度δ

其计算公式：

$\mathrm{\δ}=-1605{\left(\frac{x}{l}\right)}^6+4296.3{\left(\frac{x}{l}\right)}^5-5920.2{\left(\frac{x}{l}\right)}^4+3515.6{\left(\frac{x}{l}\right)}^3-1071.8{\left(\frac{x}{l}\right)}^2+157.8\left(\frac{x}{l}\right)---\left(9\right)$

式中：δ——隔板厚度，mm；

x——从隔板进口开始移动一段距离对应的长度，m；

l——隔板长，m。

10、进口第一断面半径R_a

其计算公式：R_a＝D_s/2  (10)

式中：R_a——进口第一断面半径，m；

D_s——吸水室进口直径，m，根据实际设计需要选取。

11、进口第二断面半径R_b

其计算公式： $R_b=0.33R_a^2+0.15R_a---\left(11\right)$ 式中：R_b——进口第二断面半径，m；

R_a——进口第一断面半径，m。

12、进口第二断面长a_b

其计算公式： $a_b=1.2R_a^2+1.9R_a---\left(12\right)$ 式中：a_b——进口第二断面长，m；

R_a——进口第一断面半径，m。

13、进口第二断面宽b_b

其计算公式： $b_b=0.77R_a^2+0.49R_a---\left(13\right)$ 式中：b_b——进口第二断面宽，m；

R_a——进口第一断面半径，m。

14、进口第三断面半径R_c

其计算公式： $R_c=0.22R_a^2+0.13R_a---\left(14\right)$ 式中：R_c——进口第三断面半径，m；

R_a——进口第一断面半径，m。

15、进口第三断面长a_c

其计算公式： $a_c=0.9R_a^2+3.1R_a---\left(15\right)$ 式中：a_c——进口第三断面长，m；

R_a——进口第一断面半径，m。

16、进口第三断面宽b_c

其计算公式： $b_c=0.51R_a^2+0.36R_a---\left(16\right)$ 式中：b_c——进口第三断面宽，m；

R_a——进口第一断面半径，m。

17、八断面进口半径b₃

其计算公式： $b_3=0.73{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{6/7}\sqrt[3]{Q/n}---\left(17\right)$ 式中：b₃——八断面进口半径，m；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

18、八断面倾斜角ω

其计算公式：ω＝arccos(0.17n^0.19Q^0.26H^-0.29)-15  (18)

式中：ω——八断面倾斜角，取55°～75°；

n——叶轮转速，r/min；

Q——设计工况的流量，m³/s；

H——扬程，m。

19、各断面半径R_i

其计算公式： $R_i=\frac{i^3-i^2+i}{i^{1.7}+1}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}\sqrt[3]{Q/n}---\left(19\right)$

式中：R_i——各断面半径，m，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，共有八个断面；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

20、各断面水平长l_i

其计算公式： $l_i=0.65\frac{i^{1.6}-i^{-0.75}+1.5}{i^2+1}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}\sqrt[3]{Q/n}---\left(20\right)$

式中：l_i——各断面水平长，m，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，共有八个断面；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

21、各断面高h_i

其计算公式： $h_i=\frac{i^{2.6}+1.5}{i^{1.5}+3.6}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{7/8}\sqrt[3]{Q/n}---\left(21\right)$

式中：h_i——各断面高，m，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，共有八个断面；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min。

本发明的有益效果是：给出了一种泵用半螺旋吸水室水力设计方法，改善了流动条件，能保证在叶轮进口得到均匀的速度场，大大提高了泵的抗汽蚀性能。经用户试用，反应效果良好。

附图说明

图1是本发明一个实施例的泵用半螺旋吸水室轴面图。

图2是同一个实施例的隔舌部分的放大图。

图3是同一个实施例的隔板示意图。

图4是同一个实施例的吸水室进口部分的三个断面图。

图5是同一个实施例的半螺旋吸水室八个断面的示意图。

图中：1.吸入室上侧半径R₁，2.隔舌出入口半径r₁，3.隔舌角α，4.基圆半径R₂，5.吸入室下侧半径R₃，6.隔板夹角θ，7.隔舌夹角γ，8.从隔板进口开始移动一段距离对应的长度，9.隔板长l，10.隔板厚度δ，11.进口第一断面半径R_a，12.进口第二断面半径R_b，13.进口第二断面长a_b，14.进口第二断面宽b_b，15.进口第三断面半径R_c，16.进口第三断面长a_c，17.进口第三断面宽b_c，18.八断面进口半径b₃，19.八断面倾斜角ω，20.各断面半径R_i，21.各断面水平长l_i，22.各断面高h_i。

具体实施方式

图1、图2、图3、图4和图5共同确定了这个实施例的吸水室形状，为半螺旋吸水室。本发明利用以下几个参数来确定吸水室的形状，主要包括：隔舌角α(3)，隔舌夹角γ(7)，吸入室上侧半径R₁(1)，隔舌出入口半径r₁(2)，基圆半径R₂(4)，吸入室下侧半径R₃(5)。在吸水室进口一段距离后放有隔板，由以下几个参数确定：隔板长l(9)，隔板夹角θ(6)，隔板厚度δ(10)。吸水室进口段有三种过渡断面形状，由以下几个参数确定：进口第一断面半径R_a(11)，进口第二断面半径R_b(12)，进口第二断面长a_b(13)，宽b_b(14)，进口第三断面半径R_c(15)，进口第三断面长a_c(16)，宽b_c(17)。吸水室出口靠近叶轮端有八个断面，由以下几个参数确定：八断面进口半径b₃(18)，八断面倾斜角ω(19)，各断面半径R_i(20)，各断面水平长l_i(21)和各断面高h_i(22)。关系式如下：

$\mathrm{\α}=40+\arcsin \left(0.56n_s^{0.23}\sqrt[3]{Q/n}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=15+\arcsin \left(0.63n_s^{0.21}\sqrt[3]{Q/n}\right)---\left(2\right)$

$R_1=[8.5+{\left(\frac{n_s+50}{100}\right)}^{-1.8}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(3\right)$

$r_1=K_1{\left(\frac{n_s}{40}\right)}^{1.23}\sqrt[3]{Q/n}---\left(4\right)$

$R_2=[2.1+{\left(\frac{n_s+75}{100}\right)}^{-2.4}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(5\right)$

$R_3=[17.5+{\left(\frac{n_s+50}{100}\right)}^{-2.6}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(6\right)$

l＝(0.65～0.85)D_s  (7)

θ＝arcsin(0.19n^0.23Q^0.21H^-0.32)  (8)

$\mathrm{\δ}=-1605{\left(\frac{x}{l}\right)}^6+4296.3{\left(\frac{x}{l}\right)}^5-5920.2{\left(\frac{x}{l}\right)}^4+3515.6{\left(\frac{x}{l}\right)}^3-1071.8{\left(\frac{x}{l}\right)}^2+157.8\left(\frac{x}{l}\right)---\left(9\right)$

R_a＝D_s/2  (10)

$R_b=0.33R_a^2+0.15R_a---\left(11\right)$

$a_b=1.2R_a^2+1.9R_a---\left(12\right)$

$b_b=0.77R_a^2+0.49R_a---\left(13\right)$

$R_c=0.22R_a^2+0.13R_a---\left(14\right)$

$a_c=0.9R_a^2+3.1R_a---\left(15\right)$

$b_c=0.51R_a^2+0.36R_a---\left(16\right)$

$b_3=0.73{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{6/7}\sqrt[3]{Q/n}---\left(17\right)$

ω＝arccos(0.17n^0.19Q^0.26H^-0.29)-15  (18)

$R_i=\frac{i^3-i^2+i}{i^{1.7}+1}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}\sqrt[3]{Q/n}---\left(19\right)$

$l_i=0.65\frac{i^{1.6}-i^{-0.75}+1.5}{i^2+1}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}\sqrt[3]{Q/n}---\left(20\right)$

$h_i=\frac{i^{2.6}+1.5}{i^{1.5}+3.6}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{7/8}\sqrt[3]{Q/n}---\left(21\right)$

图4中包含吸水室进口部分的三个断面图，从进口部分到a-a断面，面积和形状保持不变，为圆形。然后平滑过渡到b-b断面和c-c断面，面积逐渐减小。

Claims (3)

1.一种泵用半螺旋吸水室水力设计方法，提供了泵用半螺旋吸水室主要几何参数，包括隔舌角α，隔舌夹角γ，吸入室上侧半径R₁，隔舌出入口半径r₁，基圆半径R₂，吸入室下侧半径R₃，隔板长l，隔板夹角θ，隔板厚度δ，八断面进口半径b₃，八断面倾斜角ω，各断面半径R_i，各断面水平长l_i和各断面高h_i，其特征在于，泵用半螺旋吸水室的主要几何参数与泵性能参数之间适合以下关系：

$\mathrm{\α}=40+\arcsin \left({0.56n}_s^{0.23}\sqrt[3]{Q/n}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=15+\arcsin \left({0.63n}_s^{0.21}\sqrt[3]{Q/n}\right)---\left(2\right)$

$R_1=[8.5+{\left(\frac{n_s+50}{100}\right)}^{-1.8}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(3\right)$

$r_1=K_1{\left(\frac{n_s}{40}\right)}^{1.23}\sqrt[3]{Q/n}---\left(4\right)$

$R_2=[2.1+{\left(\frac{n_s+75}{100}\right)}^{-2.4}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(5\right)$

$R_3=[17.5+{\left(\frac{n_s+50}{100}\right)}^{-2.6}]\sqrt[3]{Q/n}---\left(6\right)$

式中：α——隔舌角，°；

n_s——比转数，取值范围为40～500；

Q——设计工况的流量，m³/s；

n——叶轮转速，r/min；

γ——隔舌夹角，°；

R₁——吸入室上侧半径，m；

r₁——隔舌出入口半径，m；

K₁——修正系数，K₁＝0.85～1.9，n_s大，K₁取小值；n_s小，K₁取大值；

R₂——基圆半径，m；

R₃——吸入室下侧半径，m。

2.根据权利要求1所述的泵用半螺旋吸水室水力设计方法，在泵用半螺旋吸水室进口部分一段距离后加隔板，隔板长l，隔板夹角θ和隔板厚度δ的设计公式如下：

l＝(0.65～0.85)D_s                          (7)

θ＝arcsin(0.19n^0.23Q^0.21H^-0.32)     (8)

$\mathrm{\δ}=-1605{\left(\frac{x}{l}\right)}^6+4296.3{\left(\frac{x}{l}\right)}^5-5920.2{\left(\frac{x}{l}\right)}^4+3515.6{\left(\frac{x}{l}\right)}^3-1071.8{\left(\frac{x}{l}\right)}^2+157.8\left(\frac{x}{l}\right)---\left(9\right)$

式中：l——隔板长，m；

D_s——吸水室进口直径，m，根据实际设计需要选取；

θ——隔板夹角，取7°～22°；

H——扬程，m；

δ——隔板厚度，mm；

x——从隔板进口开始移动一段距离对应的长度，m。

3.根据权利要求1所述的泵用半螺旋吸水室水力设计方法，泵用半螺旋吸水室出口靠近叶轮端有八个断面，八断面各个参数由以下几式确定：

$b_3=0.73{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{6/7}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(10\right)$

ω＝arccos(0.17n^0.19Q^0.26H^-0.29)-15     (11)

$R_i=\frac{i^3-i^2+i}{i^{1.7}+1}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(12\right)$

$l_i=0.65\frac{i^{1.6}-i^{-0.75}+1.5}{i^2+1}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(13\right)$

$h_i=\frac{i^{2.6}+1.5}{i^{1.5}+3.6}{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{7/8}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(14\right)$

式中：b₃——八断面进口半径，m；

ω——八断面倾斜角，取55°～75°；

R_i——各断面半径，m，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，共有八个断面；

l_i——各断面水平长，m，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，共有八个断面；

h_i——各断面高，m，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，共有八个断面。