CN103352868A - 离心泵叶轮水力设计方法及设计的离心泵叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离心泵叶轮水力设计方法及设计的离心泵叶轮，本发明方法将离心泵叶轮内部总能量扬程分解为离心力做功和升力做功，基于离心泵叶轮内部总能量守恒和动量守恒确定离心泵叶轮的外形几何参数，基于升力做功设计离心泵叶轮叶片内部特征参数。本发明可有效提高离心泵叶轮叶片的升力做功，进而提高离心泵水力效率。

Description

离心泵叶轮水力设计方法及设计的离心泵叶轮

技术领域

本发明涉及离心泵水力设计领域，尤其涉及一种离心泵叶轮水力设计方法及设计的离心泵叶轮。

背景技术

离心泵是通用机械中应用广泛的产品，应用于城市污水处理、农田水利建设、石化、电力、船舶等领域。传统离心泵水力设计方法主要有速度系数法、相似模型换算法、加大流量法等，上述水力设计方法的本质均是将泵内总力作为整体，并基于动量方程和能量方程进行设计，泵内单位时间内总力矩的变化等于动力设备消耗的机械功率，没有分离叶片泵内部各分力做功。离心泵内部离心力和升力做功是影响离心泵水力效率的关键性因素，传统离心泵水力设计方法并没有把泵内总力矩进行分解，即当离心泵叶轮几何参数（包括叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口安放角β₁、叶轮出口安放角β₂和叶片数Z）一定情况下，会限制离心泵效率的进一步提升。

发明内容

本发明的目的是在离心泵叶轮几何参数一定的情况下，提出了一种可进一步提高其水力效率的离心泵叶轮水力设计方法及设计的离心泵叶轮。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种离心泵叶轮水力设计方法，其特点是：

将离心泵叶轮内部总能量扬程分解为离心力做功和升力做功，基于离心泵叶轮内部总能量守恒和动量守恒确定离心泵叶轮的外形几何参数，基于升力做功设计离心泵叶轮叶片内部特征参数。

上述基于升力做功设计离心泵叶轮叶片内部特征参数具体为：

基于升力系数和升力做功方程设计离心泵叶轮叶片内部特征参数，所述的离心泵叶轮叶片内部特征参数包括叶片上下表面间的最大距离y_max、叶片的翼型起点到翼型最大厚度间的距离l、叶片的翼型弦长L、叶片攻角α₀和叶片翼型滑翔角λ。

所述的升力系数

其中，k₁和k₂为无量纲系数，k₁＝1.0～10.0，k₂＝0.01～1.0；y_max为叶片上下表面间的最大距离；L为叶片的翼型弦长；α₀为叶片攻角。

一种离心泵叶轮，包括叶片，所述的叶片的内部特征参数符合以下条件：

叶片上下表面间的最大距离y_max为：4.0mm≤y_max≤15.0mm，且

无量纲的攻度

为：

其中，l为叶片的翼型起点到翼型最大厚度间的距离，L为叶片的翼型弦长；叶片攻角α₀为：0°≤α₀≤20°；叶片滑翔角λ为：0°≤λ≤15°。

上述叶轮为闭式叶轮或半开叶轮。

上述叶片为直叶片或扭曲叶片。

上述叶片包括长叶片和/或短叶片。

根据茹可夫斯基定理，当离心泵叶轮叶片表面速度换量不为零时，叶片内将会产生升力，升力做功大小将直接影响离心泵产生的水力大小。因此，本发明主要通过升力系数来设计叶轮叶片内部特征几何参数，从而达到提高离心泵水力效率的目的。

与现有技术相比，本发明具有有益效果：

可有效提高离心泵叶轮叶片的升力做功，进而提高离心泵水力效率。

附图说明

图1为实施例1的闭式叶轮轴面图；

图2为实施例2的半开叶轮轴面图；

图3为实施例1的叶轮叶片位置图；

图4为实施例1中叶片某一流线截面图；

图5是实施例2带有长短叶片的叶轮叶片位置图；

图6为传统离心泵水力设计方法确定的离心泵叶轮示意图，其中，图（a）为叶轮轴面图，图（b）为叶片位置示意图；

图7为本发明方法确定的离心泵叶轮示意图，其中，图（a）为叶轮轴面图，图（b）为叶片位置示意图。

图中，1—叶轮前盖板，2—叶轮后盖板，3—闭式叶轮，4—长叶片，5—短叶片，6—半开式叶轮。

具体实施方式

下面将提供本发明方法的具体实施过程，步骤如下：

1、采用传统离心泵叶轮水力设计方法确定离心泵叶轮的外形几何参数，所述的外形几何参数包括叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口安放角β₁、叶轮出口安放角β₂、叶片包角

和叶片数Z。

传统离心泵叶轮水力设计方法均基于离心泵叶轮内部总能量守恒和动量守恒来设计离心泵叶轮，以速度系数法法为例：

叶轮进口直径D₁采用公式（1）确定：

$D_1=k_1\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(1\right)$

式（1）中，Q为流体流量；n为设计的转速；k₁为系数，根据实际情况在3～6范围内取值。

叶轮出口直径D₂采用公式（2）确定：

$D_2=k_2\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(2\right)$

式（2）中，Q为流体流量；n为设计的转速；

k_D2为修正系数，根据实际情况在1.0～1.18范围内取值；n_s为比转数，

H为离心泵内能量。

叶轮出口宽度b₂采用公式（3）确定：

$b_2=k_b\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(3\right)$

式（3）中，Q为流体流量；n为设计的转速；k_b2为修正系数，根据实际情况在1.0～2.0范围内取值；

H为离心泵内能量。

叶片数Z采用公式（4）确定：

$Z=6.5\frac{D_2+D_1}{D_2-D_1}\sin \left(\frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}{2}\right)---\left(4\right)$

对式（4）取整，即可获得叶片数。式（4）中，D₁为叶轮进口直径，D₂为叶轮出口直径，β₁为叶轮进口安放角，β₂为叶轮出口安放角。

叶轮进口安放角β₁在15°～28°范围内取值，叶轮出口安放角β₂在9°～45°范围内取值，叶片包角φ一般在80°～160°范围内取值。

2、基于升力系数和升力做功方程设计离心泵叶轮叶片的内部特征参数。

本步骤可设计离心泵叶轮叶片内部特征参数，包括：叶片攻角α₀、叶片上下表面间的最大距离y_max、叶片翼型起点到翼型最大厚度间的距离l、叶片翼型弦长L和叶片翼型滑翔角λ。

离心泵叶轮内部总能量扬程，主要由离心力做功和升力做功组成，离心力做功H_C可采用公式（5）确定：

$H_C=\frac{1}{8}{D}_2^2{\mathrm{\ω}}^2---\left(5\right)$

式（5）中，D₂为叶轮出口直径；ω为叶轮旋转角速度。

根据式（5）可获知，当叶轮出口直径D₂和叶轮旋转角速度ω一定时，离心力做功H_C为常数。

离心泵内总能量扬程H可采用公式（6）确定：

H＝H_L+H_C         （6）

式（6）中，H_L为升力做功，H_C为离心力做功。当离心力做功H_C一定时，提高升力做功即可提高离心泵内总能量扬程。

根据离心泵效率的计算公式，可得知：当其他条件一定时，提高总能量扬程，即可提高离心泵效率。离心泵效率η的计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\ρgQH}}{\mathrm{M\ω}}---\left(7\right)$

式（7）中，ρ为流体密度；g为重力加速度；Q为流体流量；M为动力设备转矩；ω为叶轮旋转角速度；H为离心泵内总能量扬程。

综合上述分析，提高升力做功H_L即可提高总能量扬程，从而提高离心泵效率。升力做功H_L可采用公式（8）确定：

$H_L=C_L\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)\left(\frac{u}{v_m}\right)\left(\frac{w_{\∞}^2}{2g}\right)\frac{\sin ({\mathrm{\β}}_{\∞}+\mathrm{\λ})}{\cos \mathrm{\λ}}---\left(8\right)$

式（8）中，C_L为升力系数；L为叶片翼型弦长；δ为叶片厚度；u为圆周速度；v_m为轴面流速；w_∞为无穷远相对液流速度；g为重力加速度；β_∞为无穷远液流角；λ为叶片翼型滑翔角。

本发明以升力系数C_L为目标函数：

$C_L=k_1\frac{y_{\max }}{L}+k_2{\mathrm{\α}}_0---\left(9\right)$

式（9）中，k₁和k₂为无量纲系数，其中，k₁＝1.0～10.0，k₂＝0.01～1.0，针对不同的应用场合，k₁和k₂取不同值；y_max为叶片上下表面间的最大距离；L为叶片翼型弦长；α₀为叶片攻角。

本发明提出了无量纲的攻度概念，l为叶片翼型起点到翼型最大厚度间的距离。

基于升力做功方程，减少叶片翼型滑翔角λ有利于提高升力做功。基于目标函数，增大

和α₀均有利于提高升力系数，即，有利于提高离心泵叶片升力做功，但是不能无限增大

和α₀。若

取值过大将会增加叶片排挤系数，从而降低离心泵的水力效率；当α₀增大到一定值后，叶片背面将出现涡流，影响离心泵内部流速分布，反而会降低离心泵水力效率。

因此，

和α₀值必须在一个合适的范围内才会提高离心泵水力效率，本发明通过试验获得叶片内部特征几何参数的合适范围：叶片上下表面间的最大距离y_max为：4.0mm≤y_max≤15.0mm，且

无量纲的攻度

为：

其中，l为叶片的翼型起点到翼型最大厚度间的距离，L为叶片的翼型弦长；叶片攻角α₀为：0°≤α₀≤20°；叶片滑翔角λ为：0°≤λ≤15°。

本发明方法可确定离心泵叶轮的主要几何参数，具体包括：叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口安放角β₁、叶轮出口安放角β₂、叶片数Z、叶片包角φ、叶片攻角α₀、叶片上下表面间的最大距离y_max、叶片翼型起点到翼型最大厚度间的距离l、叶片翼型弦长L和叶片滑翔角λ。

下面将结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

拟设计的离心泵叶轮轴面图见图1，为闭式叶轮，主要包括叶轮前盖板（1）、，叶轮后盖板（2）和叶片（4）。采用传统离心泵叶轮水力设计方法确定叶轮的外形几何参数，具体包括叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口安放角β₁、叶轮出口安放角β₂和叶片数Z。图3为叶轮位置图。图4为叶片某一流线截面图，为翼型结构。

升力做功与叶片内部特征参数有关，根据公式（9）

可得知：增大攻角α₀和攻度

可提高升力系数。但攻度

过大或攻角α₀过大均会使叶片背面出现涡流，反而不利于提高泵的效率。因此，叶片攻度应设置在一个合理的范围，本具体实施中的长叶片（4）攻度

取值为0.01～0.6。

实施例2

设计的离心泵叶轮形式见图2，为半开叶轮，主要包括叶轮后盖板（2）、长叶片（4）、短叶片（5）。采用传统离心泵叶轮水力设计方法确定叶轮的外形几何参数。图5为叶轮位置图，包括长叶片和短叶片。基于升力系数和升力做功方程设计离心泵叶轮的长叶片和短叶片的内部特征参数，长叶片和/或短叶片，均满足：叶片上下表面间的最大距离y_max为：4.0mm≤y_max≤15.0mm；无量纲的攻度

为：

其中，l为叶片的翼型起点到翼型最大厚度间的距离，L为叶片的翼型弦长；

叶片攻角α₀为：0°≤α₀≤20°；叶片滑翔角λ为：0°≤λ≤15°。

本发明方法适用于设计各种翼型结构叶片的内部特征参数，并不局限于图4中所示的叶片结构。不管是直叶片、扭曲叶片或其他类型叶片，本发明方法同样适用。

实施例3

本实施例是在相同的工况条件下分别获取传统方法设计的离心泵模型和本发明方法设计的离心泵模型的水力效率。

给定待设计离心泵模型的设计工况：比转数n_s=65.2，流体流量Q=35m³/h，离心泵内能量H=16m，转速n=1450r/min。

根据给定的比转数、流体流量、离心泵内能量和转速，采用传统离心泵叶轮水力设计方法设计的离心泵模型的主要几何参数值为：叶轮进口直径D₁=95mm，叶轮出口直径D₂=230mm，叶轮出口宽度b₂=12mm，叶片包角φ=145°，叶轮进口安放角β₁=22°，叶轮出口安放角β₂=27°，离心泵模型的叶片示意图见图6。按照《GB3216-1989离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法》中规定的试验方法，获取传统离心泵叶轮水力设计方法设计的离心泵模型在设计工况下的水力效率为65.6%，略低于国家标准《B/T13007-2011离心泵效率》规定的水力效率（比转数n_s=65.2时，《B/T13007-2011离心泵效率》规定的水力效率为66.9%）。

保证离心泵模型叶轮的外形几何尺寸不变（即，叶轮进口直径D₁=95mm，叶轮出口直径D₂=230mm，叶轮出口宽度b₂=12mm，叶片包角φ=145°，叶轮进口安放角β₁=22°，叶轮出口安放角β₂=27°），基于升力做功设计离心泵叶轮叶片内部特征参数，所得叶轮叶片示意图见图7，叶轮叶片内部特征参数值为：叶片上下表面间的最大距离y_max为：4.0mm≤y_max≤15.0mm，且

无量纲的攻度

为：

其中，l为叶片的翼型起点到翼型最大厚度间的距离，L为叶片的翼型弦长；；叶片攻角α₀为：0°≤α₀≤20°；叶片滑翔角λ为：0°≤λ≤15°。

在同一泵壳、同一试验条件下按照《GB3216-1989离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法》规定的试验方法获取本发明方法设计的离心泵模型在设计工况下的水力效率为70.3%～73.8%，比传统设计方法设计的离心泵模型水力效率高出4.7～8.2个百分点，且超过了国家标准《B/T13007-2011离心泵效率》规定的水力效率。

Claims (7)

1.一种离心泵叶轮水力设计方法，其特征在于：

将离心泵叶轮内部总能量扬程分解为离心力做功和升力做功，基于离心泵叶轮内部总能量守恒和动量守恒确定离心泵叶轮的外形几何参数，基于升力做功设计离心泵叶轮叶片内部特征参数。

2.如权利要求1所述的离心泵叶轮水力设计方法，其特征在于：

所述的基于升力做功设计离心泵叶轮叶片内部特征参数具体为：

基于升力系数和升力做功方程设计离心泵叶轮叶片内部特征参数，所述的离心泵叶轮叶片内部特征参数包括叶片上下表面间的最大距离y_max、叶片的翼型起点到翼型最大厚度间的距离l、叶片的翼型弦长L、叶片攻角α₀和叶片翼型滑翔角λ。

3.如权利要求2所述的离心泵叶轮水力设计方法，其特征在于：

所述的升力系数

其中，k₁和k₂为无量纲系数，k₁＝1.0～10.0，k₂＝0.01～1.0；y_max为叶片上下表面间的最大距离；L为叶片的翼型弦长；α₀为叶片攻角。

4.一种离心泵叶轮，包括叶片，其特征在于：

所述的叶片的内部特征参数符合以下条件：

叶片上下表面间的最大距离y_max为：4.0mm≤y_max≤15.0mm，且无量纲的攻度

为：

其中，l为叶片的翼型起点到翼型最大厚度间的距离，L为叶片的翼型弦长；叶片攻角α₀为：0°≤α₀≤20°；叶片滑翔角λ为：0°≤λ≤15°。

5.如权利要求4所述的离心泵叶轮，其特征在于：

所述的叶轮为闭式叶轮或半开叶轮。

6.如权利要求5所述的离心泵叶片，其特征在于：

所述的叶片为直叶片或扭曲叶片。

7.如权利要求6所述的离心泵叶片，其特征在于：

所述的叶片包括长叶片和/或短叶片。

Images