CN104019056B - 一种叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法，该泵适用于楼宇供水、消防和太阳能等领域。该泵的水力模型包括叶轮和环形流道两部分，它把叶轮和环形流道的几何尺寸参数与循环增压泵设计工况点性能参数之间用关系式联系起来，并给出几个关系式来确定叶轮和环形流道的主要几何尺寸参数，其包括：叶轮外径D₂，叶片进口边倾斜角φ，环形流道宽度b₃，环形流道外径D₃，叶轮后盖板外径D₄，叶片工作面出口安放角β和流道隔舌安放角θ。用本发明设计的循环增压泵具有流量大、扬程高、出口供压稳定和结构紧凑可靠的特点，尤其适用于设备空间狭小条件下的流体输送场合。

Description

一种叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法

技术领域

本发明专利涉及一种叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法，具体的说，涉及一种适用于楼宇供水、消防和太阳能等领域的循环增压泵水力模型设计方法。

背景技术

目前，常规循环增压泵一般均采用叶片后弯式结构的离心泵叶轮型式，对于叶片后弯式结构的循环增压泵而言，其扬程性能曲线一般随流量增加而逐渐下降，尤其是在大流量工况点的情况下，其扬程下降较为明显，从而出现大流量工况点出口压力下降的现象。对于楼宇供水和消防等部分使用循环增压泵的场合，往往要求在循环增压泵流量变化的同时能够保持稳定的出口压力，即需要循环增压泵在大流量工况点保持较高的扬程值，为了解决叶片后弯式结构的循环增压泵在大流量工况点扬程下降的问题，往往在大流量工况点采用多台循环增压泵同时供水的解决方案，但这种方案需要安装多台循环增压泵机组和额外的供水管路、控制装置等，从而增加了供水设施的设备成本和安装空间。

采用叶片前弯式叶轮的循环增压泵扬程性能曲线具有随流量增加而逐渐增大的特征，可实现较大流量变化条件下循环增压泵出口压力稳定的技术要求。此外，与相同规格尺寸的叶片后弯式常规循环增压泵相比，叶片前弯式循环增压泵的流量、扬程性能参数更高，能够满足更大流量和供水压力的需求，节省了循环增压泵的设备成本和安装空间。随着众多领域的流体输送系统升级和改造，具有大流量、高扬程和稳定性能曲线特征的循环增压泵产品需求增大，而以往关于叶片前弯式离心泵水力模型方面的设计方法研究非常少，因此，开发出能够满足这一性能要求的叶片前弯式循环增压泵水力模型设计方法显得十分重要。

发明内容

为了解决现有循环增压泵的水力模型设计方法的不足，本发明提供一种新的叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法。通过本发明提供的叶片前弯式循环增压泵水力模型设计方法，可极大提高常规循环增压泵的设计性能参数，在较大流量变化范围内能够保持泵出口压力的稳定。

本发明的技术方案是：

1.在设计叶片前弯式循环增压泵的水力模型时，根据循环增压泵的设计工况点流量Q_o、设计工况点扬程H_o和叶轮转速n的要求设计其叶轮和环形流道的几何尺寸参数。

其方法是：循环增压泵叶轮及环形流道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：

$Q_o=\frac{\sqrt{{\mathrm{gH}}_o}\left(0.1ln\right(n_s)-0.27)\mathrm{\π}(D_{j2}^2-D_{j1}^2)}{14.1{\left(\frac{Q_o}{n}\right)}^{0.24}{\left(n_s\right)}^{0.69}}$

$H_o=\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{10g^2(1.01+0.044ln\sqrt[3]{\frac{Q_o}{n}})}\left(\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{60}\right(1-\frac{\mathrm{\π}}{z}sin\mathrm{\β})+\frac{Q_o}{{\mathrm{\πD}}_2{b}_{2}tan\mathrm{\β}})$

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；

g——重力加速度，米/平方秒；

n_s——叶轮比转速；

D_j2——叶片进口边外径，米；

D_j1——叶片进口边内径，米；

n——叶轮转速，转/分；

D₂——叶轮外径，米；

z——叶轮叶片数，个；

β——叶片工作面出口安放角，度；

b₂——叶轮出口宽度，米。

2.本发明提供了循环增压泵水力模型主要几何尺寸参数叶轮外径D₂、叶片进口边倾斜角φ、环形流道宽度b₃、环形流道外径D₃、叶轮后盖板外径D₄、叶片工作面出口安放角β和流道隔舌安放角θ的设计公式：

1)叶轮外径

其计算公式： $D_2=7.65{\left(\frac{100}{n_s}\right)}^{0.34}\sqrt[3]{\frac{Q_o}{n}}$

式中：D₂——叶轮外径，米；

n_s——叶轮比转速；

Q_o——泵设计工况点流量，立方米/秒；

n——叶轮转速，转/分。

2)叶片进口边倾斜角φ

叶片进口边倾斜角φ＝45°～56°。

3)环形流道宽度

其计算公式：b₃＝(1+k₁)b₂

式中：b₃——环形流道宽度，米；

b₂——叶轮出口宽度，米；

k₁——修正系数，k₁＝0.3～0.5。

4)环形流道外径

其计算公式： $D_3=\frac{Q_o{n}_s^{0.24}}{2.03b_3\sqrt{{\mathrm{gH}}_o}}+k_2{D}_2$

式中：D₃——环形流道外径，米；

n_s——叶轮比转速；

b₃——环形流道宽度，米；

g——重力加速度，米/平方秒；

H_o——泵设计工况点扬程，米；

D₂——叶轮外径，米；

k₂——修正系数，k₂＝1.05～1.15。

5)叶轮后盖板外径

其计算公式：D₄＝0.5D₂+k₃D_j2

式中：D₄——叶轮后盖板外径，米；

D_j2——叶片进口边外径，米；

k₃——修正系数，k₂＝0.2～0.4。

6)流道隔舌安放角

流道隔舌安放角θ＝55°～70°。

3.循环增压泵叶片工作面出口安放角β的大小对泵性能曲线分布特征影响很大，为了获得良好的内部流态，其数值应在26°～38°之间进行调整，其具体数值应根据循环增压泵的设计工况点扬程H_o的关系式进行详细计算。

4.叶片前弯式循环增压泵的叶轮叶片数对泵的扬程、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，该循环增压泵的叶轮叶片数一般选择为3～6片，当设计工况点扬程H_o较大时，叶轮叶片数选择较大值。

本发明的有益效果是：采用该方法设计的叶片前弯式循环增压泵的性能曲线变化平稳，设计工况点的流量更大、扬程更高，与同规格的常规循环增压泵相比，设备体积更小，型谱范围增大，更适用于大流量、高扬程和较大工况变化的要求。

本发明经用户试用，产品使用效果良好，循环增压泵的适用范围和可靠性均得到有效提高。

附图说明

图1是本发明一个实施例的循环增压泵水力模型轴面图；

图2是同一个实施例的循环增压泵水力模型轴向视图(叶轮部分的视图为揭去叶轮前盖板后，从前盖板向后盖板方向观察的平面视图)。

图中：1—叶轮外径D₂，2—叶片进口边外径D_j2，3—叶片进口边内径D_j1，4—叶片进口边倾斜角φ，5—叶轮前盖板，6—环形流道，7—叶轮出口宽度b₂，8—环形流道宽度b₃，9—叶轮后盖板，10—叶轮轮毂，11—叶轮后盖板外径D₄，12—环形流道外径D₃，13—叶片工作面出口安放角β，14—流道隔舌安放角θ15—环形流道隔舌，16—叶轮叶片，17—叶片背面，18—叶片工作面。

具体实施方式

图1和图2共同确定了这个叶片前弯式循环增压泵的水力模型实施例的几何形状和尺寸参数。该泵采用闭式叶轮结构，叶轮叶片(16)为后弯式，使得该循环增压泵设计工况点的流量、扬程性能参数更大，叶轮后盖板外径D₄(11)略小于叶轮前盖板(5)的外径值，有利于降低叶轮的轴向载荷，提高循环增压泵转子部件的可靠性。循环增压泵的压水室采用环形流道(6)的型式，有利于降低叶轮的径向动态载荷，使得叶轮运转更为平稳，泵机组的振动水平更低。环形流道宽度b₃(8)略大于叶轮出口宽度b₂(7)，其过流断面面积按照速度系数法进行设计，环形流道出口沿着圆周切向，有利于收集叶轮出口的液体并顺利输出，获得更高的水力效率，同时该压水室结构设计简洁，有利于循环增压泵部件的铸造和加工。

本发明通过以下等式将循环增压泵水力模型的几何尺寸参数与泵的设计工况点性能参数联系起来，使得这个循环增压泵水力模型实施例的性能参数符合泵的设计工况点流量Q_o和设计工况点扬程H_o的要求。

$Q_o=\frac{\sqrt{{\mathrm{gH}}_o}\left(0.1ln\right(n_s)-0.27)\mathrm{\π}(D_{j2}^2-D_{j1}^2)}{14.1{\left(\frac{Q_o}{n}\right)}^{0.24}{\left(n_s\right)}^{0.69}}$

$H_o=\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{10g^2(1.01+0.044\ln \sqrt[3]{\frac{Q_o}{n}})}\left(\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{60}\right(1-\frac{\mathrm{\π}}{z}\sin \mathrm{\β})+\frac{Q_o}{{\mathrm{\πD}}_2{b}_2\tan \mathrm{\β}})$

本发明通过以下几个关系式来确定循环增压泵水力模型的叶轮外径D₂(1)、叶片进口边倾斜角φ(4)、环形流道宽度b₃(8)、环形流道外径D₃(12)、叶轮后盖板外径D₄(11)和流道隔舌安放角θ(14)。

$D_2=7.65{\left(\frac{100}{n_s}\right)}^{0.34}\sqrt[3]{\frac{Q_o}{n}}$

φ＝45°～56°

b₃＝(1+k₁)b₂

$D_3=\frac{Q_o{n}_s^{0.24}}{2.03b_3\sqrt{{\mathrm{gH}}_o}}+k_2{D}_2$

D₄＝0.5D₂+k₃D_j2

θ＝55°～70°

图中，叶片进口边倾斜角φ(4)和流道隔舌安放角θ(14)均与比转速n_s的大小有关，比转速越大，叶片进口边倾斜角φ(4)选择较小值，而流道隔舌安放角θ(14)选择较大值，其选择区间分别在45°～56°和55°～70°之间。修正系数的k₁、k₂和k₃的大小也与比转速有关，比转速越大，修正系数k₁和k₃选择较大值，其选择区间分别在0.3～0.5和0.2～0.4之间，修正系数k₂则选择较小值，其选择区间为1.05～1.15。

一般而言，叶片前弯式循环增压泵的叶轮叶片数为3～6片，当设计工况点扬程H_o较大时，叶轮叶片数选择较大值。如图(2)所示，在这个实施例中，叶片数设计为3，该数值能够满足循环增压泵设计工况点性能参数的要求，同时便于循环增压泵叶轮的铸造加工。

Claims (3)

1.一种叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法，它根据循环增压泵的设计工况点流量Q_o、设计工况点扬程H_o和叶轮转速n的要求设计循环增压泵叶轮和环形流道的几何尺寸参数，并提供其主要几何尺寸参数叶轮外径D₂、叶片进口边倾斜角φ、环形流道宽度b₃、环形流道外径D₃、叶轮后盖板外径D₄、叶片工作面出口安放角β和流道隔舌安放角θ的设计公式，其特征在于：循环增压泵叶轮和环形流道的几何尺寸参数与设计工况点性能参数之间适合以下等式的关系：

$Q_o=\frac{\sqrt{{\mathrm{gH}}_o}\left(0.1\ln \right(n_s)-0.27)\mathrm{\π}(D_{j2}^2-D_{j1}^2)}{14.1{\left(\frac{Q_o}{n}\right)}^{0.24}{\left(n_s\right)}^{0.69}}$

$H_o=\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{10g^2\left(1.01+0.044\ln \sqrt[3]{\frac{Q_o}{n}}\right)}\left(\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{60}\left(1-\frac{\mathrm{\π}}{z}\sin \mathrm{\β}\right)+\frac{Q_o}{{\mathrm{\πD}}_2{b}_2\tan \mathrm{\β}}\right)$

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；

g——重力加速度，米/平方秒；

n_s——叶轮比转速；

D_j2——叶片进口边外径，米；

D_j1——叶片进口边内径，米；

n——叶轮转速，转/分；

D₂——叶轮外径，米；

z——叶轮叶片数，个；

β——叶片工作面出口安放角，度；

b₂——叶轮出口宽度，米。

2.如权利要求1所述的一种叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法，其特征是：循环增压泵叶轮和环形流道的主要几何尺寸参数叶轮外径D₂、叶片进口边倾斜角φ、环形流道宽度b₃、环形流道外径D₃、叶轮后盖板外径D₄和流道隔舌安放角θ根据以下关系式来进行设计：

$D_2=7.65{\left(\frac{100}{n_s}\right)}^{0.34}\sqrt[3]{\frac{Q_o}{n}}$

φ＝45°～56°

b₃＝(1+k₁)b₂

$D_3=\frac{Q_o{n}_s^{0.24}}{2.03b_3\sqrt{{\mathrm{gH}}_o}}+k_2{D}_2$

D₄＝0.5D₂+k₃D_j2

θ＝55°～70°

式中：D₂——叶轮外径，米；

n_s——叶轮比转速；

Q_o——泵设计工况点流量，立方米/秒；

n——叶轮转速，转/分；

φ——叶片进口边倾斜角，度；

b₃——环形流道宽度，米；

b₂——叶轮出口宽度，米；

k₁——修正系数，k₁＝0.3～0.5；

D₃——环形流道外径，米；

g——重力加速度，米/平方秒；

H_o——泵设计工况点扬程，米；

k₂——修正系数，k₂＝1.05～1.15；

D_j2——叶片进口边外径，米；

k₃——修正系数，k₃＝0.2～0.4；

θ——流道隔舌安放角，度。

3.如权利要求1所述的一种叶片前弯式循环增压泵的水力模型设计方法，其特征是：根据循环增压泵设计工况点的性能参数要求，叶片工作面出口安放角β在26°～38°之间进行调整，具体数值应满足泵设计工况点扬程H_o的设计要求。