CN103047174A - 高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心泵叶轮技术领域，具体涉及一种高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法。本离心泵叶轮的水力模型几何参数如下：β_2s＝14°～21°；β_2p＝10°～16°；Δβ₂＝β_2s－β_2p＝2°～7°；β_1s＝15°～36°；β_1p＝16°～35°；Z＝4～6；θ＝155°～210°；Y＝0.8～1.5；式中：β_2s—叶片出口背面安放角；β_2p—叶片出口工作面安放角；Δβ₂—叶片两面出口安放角的角度差；β_1s—叶片进口背面安放角；β_1p—叶片进口工作面安放角；Z—叶片数；θ—叶包角；Y—面积比。本发明不仅提高了泵效率和改善了汽蚀性能，而且达到真正理想的无过载特性，从而实现离心泵高效节能、全扬程全流量理想的无过载稳定可靠地运行。

Description

高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法

技术领域

本发明涉及离心泵叶轮技术领域，具体涉及一种高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法。

背景技术

目前公知的离心泵叶轮设计方法是：在满足流量、扬程等设计要求下，尽可能减小叶轮外径，以提高泵效率，从而使得叶片出口安放角较大。因此，一般离心泵轴功率随流量增大而不断增加，且比转速越低，轴功率曲线随流量增大而上升越快，当离心泵在较大流量运行时，易使轴功率超过配套的原动机功率，导致原动机过载。然而很多工作场合要求离心泵同时具备效率高、汽蚀性能优以及实现大流量工况下（全扬程全流量）安全可靠地无过载运行。

现有专利“一种无过载低比速离心泵叶轮”（申请号：90214606.8）指出：“中国专利89212885.2‘用于旋转式流体机械渐开线叶轮’能较好地解决泵轴功率随流量增大而不断增加的问题，但其不足是泵的效率难以提高……泵的效率仅达到国标GB9477-88的B线水平。”

现有专利“一种低比速离心泵叶轮设计方法”（申请号：200410014937.0）进一步指出：“现有的专利技术89212885.2号专利‘用于旋转式流体机械渐开线叶轮’和90214606.8号专利‘一种无过载低比速离心泵叶轮’，提出了一些新的设计方法……但这两个专利仍然存在以下三个方面的问题……还有可能在使用工况发生超载……设计工况效率偏低。”

然而，现有专利（申请号分别为：89212885.2、90214606.8以及200410014937.0）中所记载的技术方案均还存在以下三方面的问题：其一、离心泵无过载特性不理想，主要表现为大流量区轴功率未真正出现功率极大值（即轴功率随流量增大而继续缓慢增加，在大流量区，叶轮由于发生汽蚀而致轴功率下降），如图1所示；或轴功率极大值与设计点（额定点）轴功率之比大于1.1，致使配套的原动机功率较大，从而在很大程度上失去了无过载特性的意义；其二、汽蚀性能较差，叶轮易汽蚀，并产生振动、噪声和轴功率下降，主要表现为某些离心泵的无过载特性，实际上是由于汽蚀现象导致大流量区轴功率下降而产生的无过载假象，而不是离心泵真正具备无过载特性；当该种离心泵用于进口液面远高于叶轮或者进口压力较高的闭式管路系统等场合时，则不存在汽蚀现象，从而在大流量运行时仍然出现过载问题，如图2所示；汽蚀性能较差的另一方面是，由于追求无过载特性而影响汽蚀性能；其三、泵效率仍需提高。

总之，目前无过载离心泵还存在的问题有：1、无过载特性不理想；2、汽蚀性能较差；3、效率较低。其实此三方面问题正是现实存在的问题，其中有些问题是一般设计者尚未意识到的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法，用本方法设计得到的离心泵叶轮同时具备真正理想的无过载特性、高效率和低汽蚀等优良性能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法，其特征在于本离心泵叶轮的水力模型几何参数如下：

β_2s＝14°～21°；

β_2p＝10°～16°；

Δβ₂＝β_2s－β_2p＝2°～7°；

β_1s＝15°～36°；

β_1p＝16°～35°；

Z＝4～6；

θ＝155°～210°；

Y＝0.8～1.5；

式中：β_2s-叶片出口背面安放角，度；

β_2p—叶片出口工作面安放角，度；

Δβ₂—叶片两面出口安放角的角度差，度；

β_1s—叶片进口背面安放角，度；

β_1p—叶片进口工作面安放角，度；

Z—叶片数，个；

θ—叶片包角，度；

Y—面积比。

优选的，所述Y＝1.1～1.5。

本发明专利的申请人在多年分析研究旋转叶轮内的非惯性系、非定常流等特性的基础上，对输入水力功率Ph得出了一些如下的新认识：

1、输入水力功率Ph是原动机输入的机械功率（轴功率）扣除机械损失功率后那部分的机械功率，即泵轴带动叶轮旋转，从而叶片对介质产生作用力（推动力）所对应原动机的机械能。

输入水力功率Ph由两种分功率合成，第一种分功率Pr对应于径向分速度Vr，第二种分功率Pu对应于周向分速度Vu及Wu，即Ph=Pr+Pu。而且，Pr随流量的增大而增大，增大的幅度随着ns增高而减慢，其中，由于轴流泵叶轮内的Vr=0，则其Pr=0，如图3a；Pu随流量增大而减小，减小的幅度随着ns增高而加快，见图3b。从而可合理解释离心泵、混流泵、轴流泵的输入水力功率Ph及轴功率P的功率曲线分别呈上升、基本水平、下降的规律，其解析见图3c、3d、3e，图3c、3d、3e中的P_m为机械损失功率。

2、叶轮内部流动参数，如速度、压力、流量、液流角等，从背面到工作面呈周期性变化，与长期以来所假设的轴对称流有本质区别。叶轮内部的大部分流量是流经叶片低压面也即背面（即通常所谓的“非工作面”），该处的能量转换和水力损失对泵的总能量起着重要的作用，甚至是比高压面（通常所谓的“工作面”）更重要，即叶片背面对扬程、效率所起的作用比工作面所起的作用还重要。

本发明的有益效果：

1）、本发明提出新的、重要的水力设计要素，优化设计水力模型几何参数，将叶片背面安放角列为最重要的设计要素；建立双主面速度三角形，以表达叶轮真实流场内（背面与工作面）的各种速度变化规律，取代现行速度三角形；叶片出口背面安放角大于工作面安放角，叶片两面不平行，新型叶片类似翼型；直接设计出叶片背面和工作面的两条型线，从而直接获得具有厚度的流线型叶片，改变现行叶片水力设计中对叶片加厚的方法。

2）、本发明不仅提高了泵效率和改善了汽蚀性能，而且达到真正理想的无过载特性，其中真正理想的无过载特性主要表现为：轴功率极大值与设计点（额定点）轴功率之比小于1.1，具有完全意义的无过载特性；在泵的进口压力处于较高的情况下同样具备优良的无过载特性，不存在因汽蚀造成无过载假象。从而实现离心泵高效节能、全扬程全流量理想的无过载稳定可靠地运行。

附图说明

图1是离心泵的理想的无过载特性曲线图和不理想的无过载特性曲线图。

图2是离心泵的真实的非无过载轴功率曲线图和假象的无过载轴功率曲线图。

图3a是输入水力功率第一种分功率P_r的解析图。

图3b是输入水力功率第二种分功率P_u的解析图。

图3c是离心泵分功率、输入水力功率、轴功率的解析图。

图3d是混流泵分功率、输入水力功率、轴功率的解析图。

图3e是轴流泵分功率、输入水力功率、轴功率的解析图。

图4是本发明的叶轮轴向剖视图。

图5是图1左视的叶轮叶片图。

图6是本发明实施例的工况曲线图。

图中标注符号的含义如下：

1—叶片进口直径  2-叶轮前盖板  3-叶轮出口宽度

4—叶轮后盖板  5—叶轮外径  6—叶片  7—叶片工作面

8—叶片背面  9—叶片出口工作面安放角

10—叶片出口背面安放角  11—叶片包角

12—叶片进口工作面安放角  13—叶片进口背面安放角

具体实施方式

图1和图2所示共同确定了实施例中的叶轮形状。本实施例中的叶轮形状与大多数离心泵叶轮一样，具有叶轮前盖板2和叶轮后盖板4，是一种闭式叶轮。如果没有叶轮前盖板，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6的参数。

本发明通过以下技术方案：β_2s＝14°～21°、β_2p＝10°～16°、Δβ₂＝2°～7°、Z＝4～6、θ＝155°～210°、Y＝1.1～1.5，优化设计水力模型几何参数，使得离心泵在某流量点以后，满足离心泵轴功率曲线出现极值的理论条件，其中包括：优化设计叶轮出口宽度3、叶轮外径5、叶片出口工作面安放角9、叶片出口背面安放角10等，以控制面积比Y；合理选择叶片进口直径1等叶片进口几何参数。本发明直接设计出叶片背面和工作面的两条型线，直接获得具有厚度的流线型叶片。

图6中为由本发明中的方法制备得到的离心泵叶轮的单级泵性能曲线图，测试时泵进口压力加至0.2MPa，以避免汽蚀产生轴功率下降而导致的无过载假象。所述图6中离心泵叶轮的几何参数如下：

β_2s＝15.5°；

β_2p＝11.5°；

Δβ₂＝β_2s－β_2p＝4°；

β_1s＝19°；

β_1p＝25°；

Z＝4；

θ＝190°；

Y＝1.1；

由图6可知，本发明通过对叶轮中的几何参数加以针对性地优化设计，以有效控制离心泵轴功率曲线的变化规律，使轴功率曲线产生极值，从而实现离心泵无过载特性，并在某课题的高效无过载低比转速离心泵设计研究中得以验证。该低比转速离心泵n_s=62，其样机各项性能如无过载、效率、汽蚀等达到甚至优于指标：①无过载特性良好，轴功率极值（最大轴功率）是额定点轴功率的1.1倍，轴功率拐点处流量约是额定流量的1.5倍；②效率同比高6个百分点；③汽蚀余量同比优0.8m。

Claims (2)

1.一种高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法，其特征在于本离心泵叶轮的水力模型几何参数如下：

β_2s＝14°～21°；

β_2p＝10°～16°；

Δβ₂＝β_2s－β_2p＝2°～7°；

β_1s＝15°～36°；

β_1p＝16°～35°；

Z＝4～6；

θ＝155°～210°；

Y＝0.8～1.5；

式中：β_2s—叶片出口背面安放角，度；

β_2p—叶片出口工作面安放角，度；

Δβ₂—叶片两面出口安放角的角度差，度；

β_1s—叶片进口背面安放角，度；

β_1p—叶片进口工作面安放角，度；

Z—叶片数，个；

θ—叶片包角，度；

Y—面积比。

2.根据权利要求1所述的高效低汽蚀无过载离心泵叶轮设计方法，其特征在于：所述Y＝1.1～1.5。

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