CN103696983B - 一种双向轴流泵叶轮优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双向轴流泵叶轮优化设计方法，在传统流线法设计轴流泵叶轮的基础上，通过对翼型和叶轮平面图的优化来改进双向轴流泵叶轮性能，达到同时提高双向轴流泵叶轮效率和抗汽蚀性能的目的。本发明可以保证双向轴流泵具有较高的效率和较宽的高效范围，以及较好的抗汽蚀性能，适用于比转速为600~2000的双向轴流泵。其特征在于：叶轮平面水力图采用中心对称方式进行水力设计；叶轮翼型工作面完全变成直线，背面进出口圆弧过渡，中间适当加厚，并改成对称结构；根据以下几个主要参数来设计叶轮，包括叶片包角φ,轮毂直径d h ，叶轮直径D，型线安放角β L ，弦长l，型线半径R l 。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴流泵叶轮优化设计方法，尤其适用于泵站双向抽水用的双向轴流泵叶轮的优化设计。
背景技术
双向轴流泵是一种通过正反转实现双向抽送介质的特殊的轴流泵形式，其大多用于双向泵站及火车轮渡等环境比较特殊的场合。然而就目前所研究的双向轴流泵而言，都是基于一般的轴流泵进行改造设计的，很多还是采用普通轴流泵的单向翼型。这样在反转时，叶轮的效率和汽蚀性能会大大下降，严重时叶片脱流引起剧烈的振动和噪声。
发明内容
为了克服现有双向轴流泵叶轮设计方法的不足，本发明在传统流线法设计轴流泵叶轮的基础上，通过对翼型和叶轮平面图的优化来改进双向轴流泵叶轮性能，达到同时提高双向轴流泵叶轮效率和抗汽蚀性能的目的。本发明专利可以保证双向轴流泵具有较高的效率和较宽的高效范围，以及较好的抗汽蚀性能，适用于比转速为600~2000的双向轴流泵。其特征在于：叶轮平面水力图采用中心对称方式进行水力设计；叶轮翼型工作面完全变成直线，背面进出口圆弧过渡，中间适当加厚，并改成对称结构；根据以下几个主要参数来设计叶轮，包括叶片包角φ,轮毂直径d h ，叶轮直径D，型线安放角β L ，弦长l，型线半径R l 。
实现上述目的所采用的技术方案是：
叶轮平面水力图采用中心对称方式进行水力设计，工作面各水平截线沿旋转中心完全对称，从轮毂到轮缘侧均匀分成五个流面，这样双向轴流式叶轮平面水力图的绘制过程将大大简化。对叶轮翼型图进行改进，翼型工作面完全变成直线，背面进出口圆弧过渡，中间适当加厚，并沿着与工作面直线中点垂直的中心线完全对称，这样简化了翼型图绘制过程，加厚的同时降低了铸造难度，提高了叶片强度，并且由于翼型结构对称，使得双向轴流泵在反转时更加稳定，降低了振动和噪声，提高了效率。
实现上述目的所采用的设计公式是：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
式中：φ——包角，度；
d h ——轮毂直径，米；
k 1——轮毂比，0.3~0.6，比转速大者取小值；
D——叶轮直径，米；
k 2——叶轮系数，3~5，比转速大者取小值；
Z——叶片数，3~5；
n——叶轮转速，转/分；
Q——设计工况点的流量，立方米/秒；
β L ——型线安放角，度；
H——设计工况点的扬程，米；
l——弦长，米；
k 3——叶栅稠密度，0.6~1.4，比转速大者取小值，由轮毂侧往轮缘侧逐渐减小；
R l ——型线半径，米。
叶片数Z根据比转速确定取值，通过实际测绘当比转速为600~900时，Z=5；通过实际测绘当比转速为900~1200时，Z=4；通过实际测绘当比转速为1200~2000时，Z=3。
本发明包含了双向轴流泵翼型和平面水力图的设计，对轴面水力图没提出要求，当翼型结构和平面水力图完全设计好后，轴面水力图按照传统画法画出即可。
本发明的有益效果是，双向轴流泵叶轮具有较高的效率和较宽的高效范围，以及较好的抗汽蚀性能，提高了扬程，并且提高了双向轴流泵的运行可靠性。
附图说明
图1是本发明一个实施例的叶轮平面水力图。
图2是同一个实施例的翼型展开图。
图中：1.叶片包角φ,2.轮毂直径d h ，3.叶轮直径D，4.型线安放角β L ，5.弦长l，6.型线半径R l 。
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。图1中为了视图清晰，仅画出叶轮平面图工作面部分，背面部分画法一样。叶轮平面图采用中心对称方式进行水力设计，叶片包角φ（1）沿中心线均分，工作面各水平截线沿旋转中心完全对称，从轮毂到轮缘侧均匀分成五个流面，图1中最内侧直径即为轮毂直径d h （2），最内侧直径即为叶轮直径D（3），这样使得双向轴流式叶轮平面水力图的绘制过程大大简化。
图2中，对叶轮翼型图进行改进，翼型工作面完全变成直线，即与翼弦重合，这样工作面弧线长度等于弦长l（5）。背面型线半径R l （6）确定后，将进出口端尖锐部分改为圆弧过渡，中间适当加厚，型线形状沿着与工作面直线中点垂直的中心线完全对称。翼型直接依据型线安放角β L （4）计算和确定安放角度，不需要再根据进出口安放角确定安放位置。翼型厚度变化规律依据对称圆弧翼型，这种结构加工简单，并且实践证明效率不输于其它翼型。这样简化了翼型图绘制过程，加厚的同时降低了铸造难度，提高了叶片强度，并且由于翼型结构对称，使得双向轴流泵在反转时更加稳定，降低振动和噪声，提高了效率。
利用以下几个关系式来确定叶轮的主要几何参数，主要包括叶片包角φ（1）,轮毂直径d h （2），叶轮直径D（3），型线安放角β L （4），弦长l（5），型线半径R l （6）：
式中：φ——包角，度；
d h ——轮毂直径，米；
k 1——轮毂比，0.3~0.6，比转速大者取小值；
D——叶轮直径，米；
k 2——叶轮系数，3~5，比转速大者取小值；
Z——叶片数，3~5；
n——叶轮转速，转/分；
Q——设计工况点的流量，立方米/秒；
β L ——型线安放角，度；
H——设计工况点的扬程，米；
l——弦长，米；
k 3——叶栅稠密度，0.6~1.4，比转速大者取小值，由轮毂侧往轮缘侧逐渐减小；
R l ——型线半径，米。
叶片数Z根据比转速确定取值，通过实际测绘当比转速为600~900时，Z=5；通过实际测绘当比转速为900~1200时，Z=4；通过实际测绘当比转速为1200~2000时，Z=3。
当翼型结构和平面水力图完全设计好后，轴面水力图按照传统画法画出即可。通过本发明设计将使得双向轴流泵叶轮具有较高的效率和较宽的高效范围，以及较好的抗汽蚀性能，提高了扬程，并且提高了双向轴流泵的运行可靠性。
以上，为本发明专利参照几个实施例所做出的具体说明，但是本发明专利并不局限于上述实施例，也包含本发明专利构思范围内的其它实施例或变形例。
Claims (4)
1.一种双向轴流泵叶轮优化设计方法，其特征在于，叶轮平面水力图采用中心对称方式进行水力设计；叶轮翼型工作面完全变成直线，背面进出口圆弧过渡，中间适当加厚，并改成对称结构；根据以下参数来设计叶轮，包括叶片包角φ（1）,轮毂直径d h （2），叶轮直径D（3），型线安放角β L （4），弦长l（5），型线半径R l （6）：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
式中：φ——包角，度；
d h ——轮毂直径，米；
k 1——轮毂比，0.3~0.6，比转速大者取小值；
D——叶轮直径，米；
k 2——叶轮系数，3~5，比转速大者取小值；
Z——叶片数，3~5；
n——叶轮转速，转/分；
Q——设计工况点的流量，立方米/秒；
β L ——型线安放角，度；
H——设计工况点的扬程，米；
l——弦长，米；
k 3——叶栅稠密度，0.6~1.4，比转速大者取小值，由轮毂侧往轮缘侧逐渐减小；
R l ——型线半径，米。
2.根据权利要求1所述的一种双向轴流泵叶轮优化设计方法，其特征在于，叶片数Z根据比转速确定取值，通过实际测绘当比转速为600~900时，Z=5；通过实际测绘当比转速为900~1200时，Z=4；通过实际测绘当比转速为1200~2000时，Z=3。
3.根据权利要求1所述的一种双向轴流泵叶轮优化设计方法，其特征在于，叶片包角φ（1）沿中心线均分，工作面各水平截线沿旋转中心完全对称。
4.根据权利要求1所述的一种双向轴流泵叶轮优化设计方法，其特征在于，叶轮翼型工作面弧线长度等于弦长l（5），型线半径R l （6）确定后，将进出口端尖锐部分改为圆弧过渡，型线形状沿着与工作面直线中点垂直的中心线完全对称，翼型直接依据型线安放角β L （4）计算和确定安放角度。
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