CN104005987B - 一种高扬程旋涡泵的叶轮及压水室设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高扬程旋涡泵的叶轮及压水室设计方法，该旋涡泵具有扬程高和流量大的特点，适用于农业植保、食品和医药等领域。它把叶轮和压水室的几何参数与泵设计工况点性能参数之间用关系式联系在一起，并给出几个关系式来确定叶轮和压水室的主要几何尺寸参数，其包括：叶轮外径D₁，叶轮出口宽度b₁，叶片宽度b_i，叶片高度h，叶片数z，隔板安置角θ，压水室外径D_v2，压水室内径D_v1和压水室宽度b₂。用本发明设计的旋涡泵具有扬程高、流量大和性能曲线平稳的特点，可用于汽液混合介质的输送，具有良好的运行稳定性和吸入性能。

Description

一种高扬程旋涡泵的叶轮及压水室设计方法

技术领域

本发明专利涉及一种高扬程旋涡泵的叶轮及压水室的设计方法，具体的说，涉及一种适用于农业植保、医药和食品领域的高扬程旋涡泵设计方法。

背景技术

旋涡泵是一种比转速非常低的离心泵型式，被应用于各种工农业的管路增压场合，可适用于一些酸、碱和腐蚀性液体的输送。常规设计的旋涡泵一般具有流量小、效率低、汽蚀性能较差的特点，尤其是在流量较大的工况下，常规设计的旋涡泵扬程会出现陡降的现象，出口压力也随着迅速降低，无法满足管路增压输送的功能，因此，该泵不适用于扬程工况变化大或设计流量较大的场合。随着农业植保、食品和医药等领域的系统升级和装置扩展，人们对常规旋涡泵的设计流量、扬程和运行稳定性要求越来越高，因此，开发出一种具有高扬程、大流量和稳定性能曲线特征的旋涡泵设计方法显得十分重要。

为此，已有的专利技术200710051932.9号专利“可调式旋涡泵”和03130472.9号专利“流量可调节式旋涡泵”均提出了一些新的旋涡泵设计方案，200710051932.9号专利是通过调节常规旋涡泵的泵体隔板与叶轮之间的距离以实现减少磨损的目的，03130472.9号专利则是在常规旋涡泵的进出口管路上设置流量调节装置，以实现节流和启动保护的作用。这两个专利存在以下三个问题：1.没有解决常规旋涡泵无法适应扬程工况变化和大流量工况扬程陡降的问题；2.没有提出区别于常规旋涡泵的叶轮和压水室设计方法；3.上述两项专利在结构上的改进，增加了旋涡泵机组的制造和加工难度。

发明内容

为了解决现有旋涡泵的叶轮及压水室设计方法的不足，本发明提供一种新的高扬程旋涡泵的叶轮及压水室设计方法。通过本发明提供的旋涡泵叶轮及压水室设计方法，可提高常规旋涡泵的设计扬程和设计流量值，实现稳定的性能曲线特征，改善旋涡泵内部流动情况，提高泵的效率。

本发明的技术方案是：

1.在设计旋涡泵时，根据泵的设计工况点流量Q_o、设计工况点扬程H_o、设计工况点功率P_o和叶轮转速n的要求设计叶轮及压水室的几何尺寸参数。

其方法是：旋涡泵叶轮及压水室的几何尺寸参数与泵的设计工况点性能参数之间适合以下等式的关系：

$H_o=\frac{{\mathrm{\πzQ}}_o(D_{v1}+D_{v2})}{g(D_{v2}-D_{v1})b_2}(\frac{\mathrm{\π}n(D_1+\frac{2}{3}h)}{60}-\frac{2Q_o}{k_1(D_{v2}-D_{v1})b_2})$

$P_o={\mathrm{\ρgH}}_o\frac{k_1{\mathrm{nb}}_2(D_1+\frac{2}{3}h)(D_{v2}-D_{v1})}{60}$

式中：Q_o——泵设计工况点流量，立方米/秒；

H_o——泵设计工况点扬程，米；

P_o——泵设计工况点功率，瓦；

z——叶轮叶片数，个；

D₁——叶轮外径，米；

h——叶片高度，米；

D_v1——压水室内径，米；

D_v2——压水室外径，米；

b₂——压水室宽度，米；

n——叶轮转速，转/分；

ρ——介质密度，千克/立方米；

g——重力加速度，米/平方秒；

k₁——修正系数，k₁＝0.85～0.95。

2.本发明提供了高扬程旋涡泵叶轮及压水室的主要几何尺寸参数叶轮外径D₁、叶轮出口宽度b₁、叶片宽度b_i、叶片高度h、叶片数z、隔板安置角θ、压水室外径D_v2、压水室内径D_v1和压水室宽度b₂的设计公式：

1)叶轮外径

其计算公式： $D_1=\frac{(0.175n_s+0.74)}{n}\sqrt{2{\mathrm{gH}}_o}$

式中：D₁——叶轮外径，米；

n_s——叶轮比转速；

n——叶轮转速，转/分；

H_o——泵设计工况点扬程，米；

g——重力加速度，米/平方秒。

2)叶轮出口宽度

其计算公式： $b_1=\frac{0.5\sqrt{Q_o}(10.15-1.74In(n_s\left)\right)}{{H_o}^{0.28}}$

式中：b₁——叶轮出口宽度，米；

Q_o——泵设计工况点流量，立方米/秒；

n_s——叶轮比转速；

H_o——泵设计工况点扬程，米。

3)叶片宽度

其计算公式：b_i＝k_bb₁

式中：b_i——叶片宽度，米；

k_b——修正系数，k_b＝0.35～0.45；

b₁——叶轮出口宽度，米。

4)叶片高度

其计算公式：h＝2.2b_i

式中：h——叶片高度，米；

b_i——叶片宽度，米。

5)叶片数

叶片数z＝55～65。

6)隔板安置角

隔板安置角θ＝28°～36°

7)压水室外径

其计算公式：D_v2＝D₁+k₂b₁

式中：D_v2——压水室外径，米；

D₁——叶轮外径，米；

k₂——修正系数，k₂＝0.5～0.7；

b₁——叶轮出口宽度，米。

8)压水室内径

其计算公式：D_v1＝D₁-1.1h

式中：D_v1——压水室内径，米；

D₁——叶轮外径，米；

h——叶片高度，米。

9)压水室宽度

其计算公式：b₂＝k₃b₁

式中：b₂——压水室宽度，米；

k₃——修正系数，k₃＝1.6～2.4；

b₁——叶轮出口宽度，米。

3.旋涡泵的叶轮叶片数对扬程、功率和内部流动的影响很大，过多的叶片数可以提高泵的扬程和功率，但叶轮的制造难度也会增大，旋涡泵的叶轮叶片数z一般选择为55～65片，当设计工况点扬程H_o较大时，叶轮叶片数z选择较大值。

本发明的有益效果是：采用该方法设计的高扬程旋涡泵具有扬程高和流量大的特点，在较大流量范围内的性能曲线变化平稳，该泵具有良好的水力效率，运行更为平稳。

本发明经用户试用，产品使用效果良好，该旋涡泵的适用范围和稳定性均得到有效提高。

附图说明

图1是本发明一个实施例的旋涡泵叶轮及压水室轴面图；

图2是同一个实施例的旋涡泵叶轮及压水室的轴向视图。

图中：1—叶轮外径D₁，2—叶轮出口宽度b₁，3—叶片宽度b_i，4—叶片高度h，5—压水室外径D_v2，6—压水室内径D_v1，7—叶轮，8—压水室，9—压水室宽度b₂，10—隔板，11—隔板安置角θ，12—叶轮叶片。

具体实施方式

图1和图2共同确定了这个高扬程旋涡泵实施例的几何形状和尺寸参数。这是一种闭式叶轮双侧边开式流道旋涡泵，叶轮叶片(12)和压水室(8)呈两侧对称布置，叶轮叶片(12)采用直叶片结构，其在叶轮(7)的外缘呈轴对称分布。压水室(8)呈梯形结构，其过流面积较常规旋涡泵设计值大，有利于降低液体在压水室中的水力损失，提高液体在叶轮叶片(12)中的动量交换水平，压水室外径D_v2(5)略大于叶轮外径D₁(1)，压水室宽度b₂大于叶轮出口宽度b₁。旋涡泵的进口管和出口管采用开式流道结构，其分别位于隔板安置角θ(11)的两侧，进口管和出口管之间通过隔板(10)进行隔断和密封，该处结构设计简洁，有利于旋涡泵部件的铸造和加工。

本发明通过以下等式将旋涡泵叶轮及压水室的几何尺寸参数与泵的设计工况点性能参数联系起来，使得这个旋涡泵实施例的性能参数符合泵的设计工况点扬程H_o和设计工况点功率P_o的要求。

$H_o=\frac{{\mathrm{\πzQ}}_o(D_{v1}+D_{v2})}{g(D_{v2}-D_{v1})b_2}(\frac{\mathrm{\π}n(D_1+\frac{2}{3}h)}{60}-\frac{2Q_o}{k_1(D_{v2}-D_{v1})b_2})$

$P_o={\mathrm{\ρgH}}_o\frac{k_1{\mathrm{nb}}_2(D_1+\frac{2}{3}h)(D_{v2}-D_{v1})}{60}$

本发明通过以下几个关系式来确定高扬程旋涡泵叶轮外径D₁(1)、叶轮出口宽度b₁(2)、叶片宽度b_i(3)、叶片高度h(4)、叶片数z、隔板安置角θ(11)、压水室外径D_v2(5)、压水室内径D_v1(6)和压水室宽度b₂(9)。

$D_1=\frac{(0.175n_s+0.74)}{n}\sqrt{2{\mathrm{gH}}_o}$

$b_1=\frac{0.5\sqrt{Q_o}(10.15-1.74In(n_s\left)\right)}{{H_o}^{0.28}}$

b_i＝k_bb₁

h＝2.2b_i

z＝55～65

θ＝28°～36°

D_v2＝D₁+k₂b₁

D_v1＝D₁-1.1h

b₂＝k₃b₁

一般而言，高扬程旋涡泵的叶片数z选择为55～65片，当旋涡泵设计工况点扬程H_o较大时，叶片数z应选择较大值。如图(2)所示，在这个实施例中，叶片数设计为60，该设计有利于提高旋涡泵的设计工况点扬程和功率，同时便于旋涡泵叶轮的铸造加工。

Claims (2)

1.一种高扬程旋涡泵的叶轮及压水室设计方法，它根据泵的设计工况点流量Q_o、设计工况点扬程H_o、设计工况点功率P_o和叶轮转速n的要求进行设计，并提供了主要几何尺寸参数叶轮外径D₁、叶轮出口宽度b₁、叶片宽度b_i、叶片高度h、叶片数z、隔板安置角θ、压水室外径D_v2、压水室内径D_v1和压水室宽度b₂的设计公式，其特征在于：旋涡泵叶轮及压水室的几何尺寸参数与泵的设计工况点性能参数之间适合以下等式的关系：

$H_o=\frac{{\mathrm{\πzQ}}_o(D_{v1}+D_{v2})}{g(D_{v2}-D_{v1})b_2}(\frac{\mathrm{\π}n(D_1+\frac{2}{3}h)}{60}-\frac{2Q_o}{k_1(D_{v2}-D_{v1})b_2})$

$P_o={\mathrm{\ρgH}}_o\frac{k_1{\mathrm{nb}}_2(D_1+\frac{2}{3}h)(D_{v2}-D_{v1})}{60}$

式中：Q_o——泵设计工况点流量，立方米/秒；

H_o——泵设计工况点扬程，米；

P_o——泵设计工况点功率，瓦；

z——叶轮叶片数，个；

D₁——叶轮外径，米；

h——叶片高度，米；

D_v1——压水室内径，米；

D_v2——压水室外径，米；

b₂——压水室宽度，米；

n——叶轮转速，转/分；

ρ——介质密度，千克/立方米；

g——重力加速度，米/平方秒；

k₁——修正系数，k₁＝0.85～0.95。

2.如权利要求1所述的一种高扬程旋涡泵的叶轮及压水室设计方法，其特征是：叶轮外径D₁、叶轮出口宽度b₁、叶片宽度b_i、叶片高度h、隔板安置角θ、压水室外径D_v2、压水室内径D_v1和压水室宽度b₂通过以下关系式来进行设计：

$D_1=\frac{(0.175n_s+0.74)}{n}\sqrt{2{\mathrm{gH}}_o}$

$b_1=\frac{0.5\sqrt{Q_o}(10.15-1.74In(n_s\left)\right)}{{H_o}^{0.28}}$

b_i＝k_bb₁

h＝2.2b_i

z＝55～65

θ＝28°～36°

D_v2＝D₁+k₂b₁

D_v1＝D₁-1.1h

b₂＝k₃b₁

式中：D₁——叶轮外径，米；

n_s——叶轮比转速；

n——叶轮转速，转/分；

H_o——泵设计工况点扬程，米；

Q_o——泵设计工况点流量，立方米/秒；

g——重力加速度，米/平方秒；

b_i——叶片宽度，米；

b₁——叶轮出口宽度，米；

k_b——修正系数，k_b＝0.35～0.45；

h——叶片高度，米；

θ——隔板安置角，度；

D_v2——压水室外径，米；

k₂——修正系数，k₂＝0.5～0.7；

D_v1——压水室内径，米；

b₂——压水室宽度，米；

k₃——修正系数，k₃＝1.6～2.4。