CN103925236B - 一种无堵塞旋流泵多工况水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无堵塞旋流泵多工况水力设计方法，以旋流泵的效率为目标函数，根据旋流泵几个工况点的扬程H_i、流量Q_i、转速n，设计旋流泵叶轮的叶轮外径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口直径D₁、叶片数Z、叶片包角φ，以及蜗壳喉部面积。有效的改善旋流泵贯通流，在保证设计工况点的效率最高的前提下，使其他各工况下效率相应提高。同时多工况下目标函数H_i当Q_i＜Q时取较大值，能够保证在发生堵塞时，扬程升高较快，使泵内压力变大，从而达到冲刷堵塞物的目的。

Description

一种无堵塞旋流泵多工况水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种旋流泵，特别涉及一种无堵塞旋流泵多工况水力设计方法。

背景技术

旋流泵是离心泵的一种，多用于抽送复杂介质或含杂质流体，如含固体颗粒、短纤维物质的两相流体。由于叶片缩回到泵体的叶腔内旋转，使旋流泵内部流动相当复杂，当叶轮旋转时介质受离心力的作用能量增加，进入叶片间的介质受叶片的推动与叶轮一起运动。在叶轮出口顶部附近的介质因离心力较大形成了贯通流，在叶轮中部的介质形成了循环流，而旋流泵正是因其内部流体存在循环流而得名，但也正是由于循环流的存在，使泵的水力损失较大，泵的效率很低，造成资源的严重浪费。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种无堵塞旋流泵多工况水力设计方法。通过改善叶轮几个重要设计参数和加大蜗壳喉部面积，来提高旋流泵的水力性能和可靠性。

实现上述目的所采用的技术方案是:

一种无堵塞旋流泵多工况水力设计方法，其特征在于，所述旋流泵的叶轮采用半开式叶轮，所述叶轮的结构参数叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口直径D₁、叶片数Z、叶片包角以及蜗壳喉部面积F由以下公式获得：

$D_2=\frac{66.86}{n}\sqrt{\frac{H}{{\mathrm{sin\β}}_2}}$

$b_2=0.66{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}{\left(\frac{Q}{n}\right)}^{1/3}$

$D_1=\sqrt{{K_0}^2{\left(\frac{Q}{n}\right)}^{2/3}+D_h^2}$

$Z=7.15{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{0.275}$

$F=\frac{1.4Q}{K_{V_t}\sqrt{2gH}}$

式中：

D₂—叶轮出口直径，m；

b₂—叶轮出口宽度，m；

D₁—叶轮进口直径，m；

Z—叶片数；

F—蜗壳喉部面积；

H—泵的设计扬程，m；

n—泵的转速，r/min；

β₂—叶片出口安放角，取值范围25°～90°；

Q—设计流量，m³/s；

n_s—设计工况的比转速，取80～150；

K₀—叶轮进口速度系数，取3.9～5.1；

D_h—轮毂直径，m；

—速度系数；

g—重力加速度，m/s²；

所述叶片包角的取值范围为25°～135°。

优选地，当叶片数Z＜4时，叶片包角取80°～135°之间值；当叶片数≥4时，叶片包角取25°～80°之间值。

优选地，所述叶片出口安放角β₂的取值根据目标函数确定的各工况点组成的性能曲线形状确定，所述目标函数为：

$X_i=\[Q_i,H_i\]=1-\frac{48.875H_i^{7/8}}{n^{7/6}{Q}_i^{7/12}}\→MAX$

式中：

i—下标系数，i＝1、2、…、m，其中，m为设计变量数；

n—泵的转速，r/min；

H_i—第i个工况点下的扬程，m；

Q_i—第i个工况点下的流量，m³/s；

当目标函数所表示的曲线陡降时β₂取25°～55°之间值，当曲线平坦时β₂取55°～90°之间值。

优选地，当n_s较大时，所述叶轮进口速度系数K₀取3.9～4.5之间值；当n_s较小时，所述叶轮进口速度系数K₀取4.5～5.1之间值。

通过上述设计方法确定旋流泵的叶轮主要几何参数叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口直径D₁、叶片数Z、叶片包角同时，加大蜗壳喉部面积，可以有效改善旋流泵贯通流，多工况设计法，以旋流泵的效率为目标函数，在保证设计工况点的效率最高的前提下，使其他各工况下效率相应提高。同时多工况下目标函数H_i当Q_i＜Q时取较大值，可以保证在发生堵塞时，扬程升高较快，使旋流泵内压力变大，从而达到冲刷堵塞物的目的。

本发明的有益效果是：通过所述设计方法设计的旋流泵，具有良好的水力性能，可以有效减少旋流泵腔内循环流的能量损失，提高输送固体介质的通过率，提升旋流泵的效率，在生产实践中有良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明所述旋流泵中的叶轮的结构图。

图2为所述叶轮轴面剖面图。

附图标记说明如下：

1-叶片，2-轮毂，3-叶轮后盖板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的无堵塞旋流泵，所述旋流泵的叶轮采用半开式叶轮，所述叶轮具有叶片1、叶轮后盖板3和轮毂2。无堵塞旋流泵多工况水力设计方法是以表征旋流泵在各工况点效率的式(1)为多工况下的目标函数，在设计时，优先保证设计工况点的效率最高，以提高旋流泵泵的效率。

$X_i=\[Q_i,H_i\]=1-\frac{48.875H_i^{7/8}}{n^{7/6}{Q}_i^{7/12}}\→MAX---\left(1\right)$

式中：

i—下标系数，i＝1、2、…、m，m为设计变量数；

n—泵的转速，r/min；

H_i—第i个工况点下的扬程，m；

Q_i—第i个工况点下的流量，m³/s；

以是(2)、(3)为约束条件：

A_i≤Q_i≤B_i (2)

C_i≤H_i≤D_i (3)

式中：

A_i、B_i、C_i、D_i—设计变量取值的下限和上限。

当Q_i＜Q时，H_i取较大值，其中，Q表示设计工况点流量，以保证在发生堵塞时，扬程升高较快，使泵内压力变大，从而达到冲刷堵塞物的目的，避免旋流泵堵塞。

根据目标函数(1)、约束条件(2)、(3)，得到本发明所述无堵塞旋流泵内置叶轮的结构参数叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口直径D₁、叶片数Z、叶片包角以及蜗壳喉部面积F：

$D_2=\frac{66.86}{n}\sqrt{\frac{H}{{\mathrm{sin\β}}_2}}$

$b_2=0.66{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}{\left(\frac{Q}{n}\right)}^{1/3}$

$D_1=\sqrt{{K_0}^2{\left(\frac{Q}{n}\right)}^{2/3}+D_h^2}$

$Z=7.15{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{0.275}$

$F=\frac{1.4Q}{K_{v_t}\sqrt{2gH}}$

式中：

D₂—叶轮出口直径，m；

b₂—叶轮出口宽度，m；

D₁—叶轮进口直径，m；

Z—叶片数；

F—蜗壳喉部面积；

H—泵的设计扬程，m；

n—泵的转速，r/min；

β₂—叶片出口安放角，取值范围25°～90°；

Q—设计流量，m³/s；

n_s—设计工况的比转速，取80～150；

K₀—叶轮进口速度系数，取3.9～5.1；

D_h—轮毂直径，m；

—速度系数；

g—重力加速度，m/s²；

所述叶片包角的取值范围为25°～135°。

较佳地，当叶片数Z＜4时，叶片包角取80°～135°之间值；当叶片数≥4时，叶片包角取25°～80°之间值。

所述叶片出口安放角β₂的取值根据目标函数确定的各工况点组成的性能曲线形状确定，当目标函数所表示的曲线陡降时β₂取25°～55°之间值，当曲线平坦时β₂取55°～90°之间值。

当n_s较大时，例如n_s取115～150时，所述叶轮进口速度系数K₀取3.9～4.5之间值；当n_s较小时，例如n_s取80～115时，所述叶轮进口速度系数K₀取4.5～5.1之间值。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无堵塞旋流泵多工况水力设计方法，其特征在于，所述旋流泵的叶轮采用半开式叶轮，所述叶轮的结构参数叶轮出口直径D₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮进口直径D₁、叶片数Z、叶片包角以及蜗壳喉部面积F由以下公式获得：

$D_2=\frac{66.86}{n}\sqrt{\frac{H}{{\mathrm{sin\β}}_2}}$

$b_2=0.66{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{5/6}{\left(\frac{Q}{n}\right)}^{1/3}$

$D_1=\sqrt{{K_0}^2{\left(\frac{Q}{n}\right)}^{2/3}+D_h^2}$

$Z=7.15{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{0.275}$

$F=\frac{1.4Q}{K_{v_t}\sqrt{2gH}}$

式中：

D₂—叶轮出口直径，m；

b₂—叶轮出口宽度，m；

D₁—叶轮进口直径，m；

Z—叶片数；

F—蜗壳喉部面积；

H—泵的设计扬程，m；

n—泵的转速，r/min；

β₂—叶片出口安放角，取值范围25°～90°；

Q—设计流量，m³/s；

n_s—设计工况的比转速，取80～150；

K₀—叶轮进口速度系数，取3.9～5.1；

D_h—轮毂直径，m；

—速度系数；

g—重力加速度，m/s²；

所述叶片包角的取值范围为25°～135°。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，当叶片数Z＜4时，叶片包角取80°～135°之间值；当叶片数≥4时，叶片包角取25°～80°之间值。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述叶片出口安放角β₂的取值根据目标函数确定的各工况点组成的性能曲线形状确定，所述目标函数为：

$X_i=\[Q_i,H_i\]=1-\frac{48.875H_i^{7/8}}{n^{7/6}{Q}_i^{7/12}}\→MAX$

式中：

i—下标系数，i＝1、2、…、m，其中，m为设计变量数；

n—泵的转速，r/min；

H_i—第i个工况点下的扬程，m；

Q_i—第i个工况点下的流量，m³/s；

当目标函数所表示的曲线陡降时β₂取25°～55°之间值，当曲线平坦时β₂取55°～90°之间值。