CN104612977B - 一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法，本发明在于以下步骤：先设定液货泵各项参数，根据各项参数设计液货泵叶轮，计算出各叶轮的扬程和效率，然后设计液货泵泵壳，模拟叶轮和泵壳的使用性能，最后对叶轮、泵壳进行结构优化设计，设计过程简单易于操作，采用本发明设计的液货泵水力元件在使用时液货残留较少，径向力互相平衡，而且轴向受力较小，运转可靠性高。

Description

一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法

技术领域

本发明涉及一种水力元件的设计方法，尤其涉及一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法，属于液货泵技术领域。

背景技术

FPSO (Floating Production Storage and Off－loading)是一种重要的浮式生产储油系统型式，通常与钻油平台或海底采油系统组成一个完整的采油、原油处理、储油和卸油系统，它的储存和外输两大功能解决了油田连续生产和货油间断外运之间的矛盾，既是集生产、储油、外输、生活、动力于一体的多功能采油设施，又是石油化工、海洋工程和船舶工程的集成产品。随着国际国内油运市场竞争的日趋激烈和人们环保意识的提高，对FPSO、油船、化学品船上向外部泵送液货设备的要求越来越高，对高可靠性、高环保性、高操作性、高维修性设备的需求越来越突出。

液货泵作为FPSO上货油装卸的执行元件，技术要求高、系统复杂，尤其是高效大流量高扬程水力元件的设计、不同压力流体同心管柱设计、液控大流量高精度调速阀、密封实现及密封监测技术等关键技术均被国外少数公司严密封锁，使得液货泵国产化设计制造难度非常高。现如今国内一些小型离心泵厂商已开始对小型油船上使用的液货泵（700m³/h以下）进行研究，但由于缺乏对船舶与海洋工程环境的充分了解，缺乏对海工产品的要求全面把握的能力，缺乏科研力量和研发资金，很难进行系统的研发制造。大流量（1000m³/h及以上）、高扬程（150mlc及以上）的液压驱动液货泵对系统集成性、工作可靠性有更高的要求，国内至今仍无人问津，设计制造大流量高扬程液货泵技术上还处于空白，许多关键技术亟待突破。

发明内容

本发明的目的是针对现有高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计过程繁杂，液货残留较多，轴向受力较大，运转可靠性不高的缺陷和不足，提供一种设计过程简单易于操作，液货残留较少，径向力互相平衡，而且轴向受力较小，运转可靠性高的一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法。

为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案是：一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

a、设定液货泵各项参数：根据实际需要设定立式单级单吸离心泵的流量、扬程、转速以及叶轮比转速；

b、设计液货泵叶轮：由设计参数通过水力计算初步估算叶轮几何尺寸，包括叶轮直径、吸入口的直径、第一出口和第二出口的宽度以及叶片数目，确定叶片叶根处的角度，叶顶处的角度，出口角度以及叶片包角，形成多种不同的叶轮设计方案，叶片进口部分的前缘为圆头，其倒圆半径为5毫米～8毫米，进口边角度从叶根到叶顶逐渐变化，叶根处角度为17度～18度，叶顶处角度为21度～22度，出口部分后缘为钝头，出口边角度从叶根到叶顶不变化，均为28度～30度，叶片包角为175度～185度，叶片的厚度沿流向先变大后变小，叶片最大厚度出现在40%～70%叶片长度处，叶片最厚处为9毫米～12毫米，叶片的数量为7～8个；

c、计算各叶轮的扬程和效率：通过数值模拟分别计算各叶轮的扬程和效率，计算的边界条件为步骤a中的流量和转速，综合考虑扬程和叶轮效率，选择最佳的叶轮设计方案；

d、设计液货泵泵壳：通过水力计算确定基圆直径，考虑叶轮出口处盖板的厚度取为5毫米，并考虑适当间隙，确定泵壳进口的宽度，泵壳内腔最大的截面面积通过流量、扬程计算：

式中Fmax为最大截面积，Q为泵流量，H为扬程，g为重力加速度，为蜗壳速度系数，根据比转速和经验曲线取值，取蜗壳速度系数＝0.482，泵壳内腔按照每10度分为一个截面，共18个截面，每一个截面面积按以下公式计算：

（=10°，20°，30°…180°）；

e、模拟叶轮和泵壳的使用性能：将叶轮和泵壳组成完整的水力元件，数值模拟整个水力元件的性能，在满足泵的流量、转速的条件下，看扬程能否达到预定值，水力效率是否合格，能否满足高效大流量高扬程的设计要求；

f、对叶轮、泵壳进行结构优化设计：设计辅助的吸入口、轮毂以及泵轴，泵轴的上端与驱动马达的输出轴相连接，最后完成整个液货泵水力元件的设计。

本发明的有益效果是：

1．本发明设计的液货泵水力元件采用立式布置方式，保证了舱底的液货能有效的输出，液货残留少，而且泵壳采用双出口的中心对称结构，使得使径向力互相平衡，保证了泵运转过程最小的受力，而且叶轮前后摩擦环直径相等，使得轴向力降到了最小，具有优秀的水力性能。

2．本发明先设定液货泵各项参数，根据各项参数设计液货泵叶轮，计算出各叶轮的扬程和效率，然后设计液货泵泵壳，模拟叶轮和泵壳的使用性能，最后对叶轮、泵壳进行结构优化设计，设计过程简单易于操作，采用本发明设计的液货泵水力元件在使用时液货残留较少，径向力互相平衡，而且轴向受力较小，运转可靠性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明叶轮的结构示意图。

图3是图2的左视图。

图4是本发明泵壳设计时截面的划分示意图。

图5是本发明泵壳的内腔截面示意图。

图中：泵壳1，轮毂2，泵轴3，前盖板4，后盖板5，叶片 6，吸入口7，第一出口8，第二出口9。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1至图5，本发明的一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

a、设定液货泵各项参数：根据实际需要设定立式单级单吸离心泵的流量、扬程、转速以及叶轮比转速；

b、设计液货泵叶轮：由设计参数通过水力计算初步估算叶轮几何尺寸，包括叶轮直径、吸入口7的直径、第一出口8和第二出口9的宽度以及叶片数目，确定叶片6叶根处的角度，叶顶处的角度，出口角度以及叶片包角，形成多种不同的叶轮设计方案，叶片6进口部分的前缘为圆头，其倒圆半径为5毫米～8毫米，进口边角度从叶根到叶顶逐渐变化，叶根处角度为17度～18度，叶顶处角度为21度～22度，出口部分后缘为钝头，出口边角度从叶根到叶顶不变化，均为28度～30度，叶片包角为175度～185度，叶片6的厚度沿流向先变大后变小，叶片6最大厚度出现在40%～70%叶片长度处，叶片最厚处为9毫米～12毫米，叶片6的数量为7～8个；

c、计算各叶轮的扬程和效率：通过数值模拟分别计算各叶轮的扬程和效率，计算的边界条件为步骤a中的流量和转速，综合考虑扬程和叶轮效率，选择最佳的叶轮设计方案；

d、设计液货泵泵壳：通过水力计算确定基圆直径，考虑叶轮出口处盖板的厚度取为5毫米，并考虑适当间隙，确定泵壳进口的宽度，泵壳内腔最大的截面面积通过流量、扬程计算：

式中Fmax为最大截面积，Q为泵流量，H为扬程，g为重力加速度，为蜗壳速度系数，根据比转速和经验曲线取值，取蜗壳速度系数＝0.482，泵壳内腔按照每10度分为一个截面，共18个截面，每一个截面面积按以下公式计算：

（=10°，20°，30°…180°）；

e、模拟叶轮和泵壳的使用性能：将叶轮和泵壳组成完整的水力元件，数值模拟整个水力元件的性能，在满足泵的流量、转速的条件下，看扬程能否达到预定值，水力效率是否合格，能否满足高效大流量高扬程的设计要求；

f、对叶轮、泵壳进行结构优化设计：设计辅助的吸入口7、轮毂2以及泵轴3，泵轴3的上端与驱动马达的输出轴相连接，最后完成整个液货泵水力元件的设计。

本发明的液货泵水力元件采用立式布置方式，立式的结构布置保证了舱底的液货能有效的输出，液货残留少。泵壳1的底部设置有吸入口7，泵壳1外圆切线方向上设置有第一出口8和第二出口9，第一出口8和第二出口9为以泵壳1的轴心为对称中心的中心对称结构，采用双出口的中心对称结构，使得使径向力互相平衡，保证了泵运转过程最小的受力。第一出口8和第二出口9的出口宽度为65毫米～80毫米。泵壳1的内腔截面采用圆形，且半径依次增大，从42毫米～44毫米变化到98毫米～100毫米。

泵壳1顶部的轴心上安装有轮毂2，轮毂2的中心孔内安装有泵轴3，轮毂2用于联接泵轴3和叶轮。叶轮组件包括前盖板4、后盖板5和叶片 6，前盖板4安装在泵壳1的内部靠近吸入口7的一侧，后盖板5安装在泵壳1的内部靠近轮毂2的一侧，前盖板4和后盖板5之间的区域安装有叶片 6，并且叶片 6的轴心与泵轴3同轴固定。叶片 6的数量为7～8个，叶片 6进口部分的前缘为圆头，其倒圆半径为5毫米～8毫米，进口边角度从叶根到叶顶逐渐变化，叶根处角度为17度～18度，叶顶处角度为21度～22度，出口部分后缘为钝头，出口边角度从叶根到叶顶不变化，均为28度～30度，叶片包角为175度～185度。叶片 6的厚度沿流向先变大后变小，叶片 6最大厚度出现在40%～70%叶片长度处，叶片最厚处为9毫米～12毫米。

前盖板4由两段圆弧和一段直线组成的曲线旋转加厚而成，第一段圆弧的半径为50毫米～80毫米，第二段圆弧半径为160毫米～180毫米，圆弧与圆弧之间、圆弧与直线之间均光滑连接。后盖板5由一段圆弧和一段直线旋转加厚而成，圆弧半径为170毫米～200毫米，圆弧与直线之间光滑连接。本发明设计的水力元件具有优秀的水力性能，经数值模拟与样机试验验证，排量达到800～1300m³/h，扬程达到135～170mlc，水力效率达到80%～84%，从而解决了高效大流量高扬程液货泵的需求问题。

本发明液货泵水力元件的设计方法具体如下：首先设定液货泵各项参数，根据实际需要设定立式单级单吸离心泵的流量、扬程、转速以及叶轮比转速，以流量1000m³/h，扬程150mlc，转速1550rpm，叶轮比转速为69为例。随后设计液货泵叶轮，由设计参数通过水力计算初步估算叶轮几何尺寸，叶轮直径为630毫米～650毫米、进口直径为260毫米、出口宽度为30毫米、叶片数为7片， 进口角度叶根处15.25度～17.75度，叶顶处21.16度～23.66度，出口角度为30度，叶片包角为180度，形成如下5种不同叶轮方案。

然后计算各叶轮的扬程和效率，计算的边界条件为步骤a中的流量和转速，结果如下：

结果显示直径650毫米的叶轮扬程偏高，630毫米的叶轮扬程偏低，640毫米的叶轮扬程较合适，进口角度叶根处17.75度，叶顶处21.16度，叶轮的效率也较高，因此，将方案5定为最终叶轮的方案，叶轮设计成前后摩擦环直径相等。

设计液货泵泵壳，通过水力计算确定基圆直径为700毫米，考虑叶轮出口处盖板的厚度取为5毫米，并考虑适当间隙，泵壳进口宽度为70毫米。泵壳内腔最大的截面面积通过流量、扬程计算：

式中Fmax为最大截面积，Q为泵流量，H为扬程，g为重力加速度，为蜗壳速度系数，根据比转速和经验曲线取值，取蜗壳速度系数＝0.482。

上式计算的泵壳内腔最大截面面积为单出口泵壳形式时的面积，中心对称的双出口形式的泵壳最大截面面积，即本发明附图4中第18处的截面面积，为上式计算面积的一半，根据面积就可计算出圆形截面的半径，其他截面的面积和半径根据比例计算即可。本发明将泵壳内腔按照每10度分为一个截面，共18个截面，如附图4，每一个截面面积按下式计算：

（=10°，20°，30°…180°）。

模拟叶轮和泵壳1的使用性能，数值模拟整个水力元件的性能显示本发明的泵在流量1000 m³/h，转速1550rpm的条件下，扬程达到155mlc，水力效率达到82.7%，能够满足高效大流量高扬程的设计要求。对叶轮、泵壳进行结构优化设计：设计辅助的吸入口7、轮毂2以及泵轴3，泵轴3的上端与驱动马达的输出轴相连接，最后完成整个液货泵水力元件的设计。

Claims (1)

1.一种高效大流量高扬程液货泵水力元件的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

a、设定液货泵各项参数：根据实际需要设定立式单级单吸离心泵的流量、扬程、转速以及叶轮比转速；

b、设计液货泵叶轮：由设计参数通过水力计算初步估算叶轮几何尺寸，包括叶轮直径、吸入口（7）的直径、第一出口（8）和第二出口（9）的宽度以及叶片数目，确定叶片（6）叶根处的角度，叶顶处的角度，出口角度以及叶片包角，形成多种不同的叶轮设计方案，叶片（6）进口部分的前缘为圆头，其倒圆半径为5毫米～8毫米，进口边角度从叶根到叶顶逐渐变化，叶根处角度为17度～18度，叶顶处角度为21度～22度，出口部分后缘为钝头，出口边角度从叶根到叶顶不变化，均为28度～30度，叶片包角为175度～185度，叶片（6）的厚度沿流向先变大后变小，叶片（6）最大厚度出现在40%～70%叶片长度处，叶片最厚处为9毫米～12毫米，叶片（6）的数量为7～8个；

c、计算各叶轮的扬程和效率：通过数值模拟分别计算各叶轮的扬程和效率，计算的边界条件为步骤a中的流量和转速，综合考虑扬程和叶轮效率，选择最佳的叶轮设计方案；

d、设计液货泵泵壳：通过水力计算确定基圆直径，考虑叶轮出口处盖板的厚度取为5毫米，并考虑适当间隙，确定泵壳进口的宽度，泵壳内腔最大的截面面积通过流量、扬程计算：

式中Fmax为最大截面积，Q为泵流量，H为扬程，g为重力加速度，为蜗壳速度系数，根据比转速和经验曲线取值，取蜗壳速度系数＝0.482，泵壳内腔按照每10度分为一个截面，共18个截面，每一个截面面积按以下公式计算：

（=10°，20°，30°…180°）；

e、模拟叶轮和泵壳的使用性能：将叶轮和泵壳组成完整的水力元件，数值模拟整个水力元件的性能，在满足泵的流量、转速的条件下，看扬程能否达到预定值，水力效率是否合格，能否满足高效大流量高扬程的设计要求；

f、对叶轮、泵壳进行结构优化设计：设计辅助的吸入口（7）、轮毂（2）以及泵轴（3），泵轴（3）的上端与驱动马达的输出轴相连接，最后完成整个液货泵水力元件的设计。