CN104806563A - 高效节能矿浆泵叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效节能矿浆泵叶轮，其特征在于：叶轮轮盘上圆周均布有6片叶轮叶片，叶轮流道口宽度为：（540/叶轮直径）×74mm。叶轮叶片材质为2cr13NiMo。本发明将传统的矿浆泵叶轮的叶片由8片改为6片，选择了合适的叶轮流道口宽度，从而提高了叶轮效率，达到耗电降低及节能的作用，采用了新材质叶片，使矿浆泵的使用范围扩大，使用寿命提高。

Description

高效节能矿浆泵叶轮

技术领域

本发明属于一种叶轮结构，尤其涉及一种应用于矿浆泵的叶轮结构。

背景技术

矿浆泵叶轮是矿浆泵的核心部件，矿浆泵主要用于输送：清水；杂质水，矿浆，纸浆。现有中国矿浆泵国标的水平是：叶轮采用二维设计理论，矿浆泵叶轮叶片全部为8片，如直径∮540叶轮,国标为8片叶轮叶片，流道尺寸∮68，叶片与叶片间的圆柱面流动阻力没有计算，国内矿浆泵最高工作效率为70%。矿浆泵的叶轮材质，全部采用的，铸铁件，铸钢件。造成我国国标矿浆泵使用范围只能输送无杂质的清洁水，工作效率低，耗电高，噪音振动大，使用寿命短等特点。

发明内容

本发明提供一种高效节能矿浆泵叶轮，其目的是解决现有技术存在的缺点，使矿浆泵的使用范围扩大，耗电降低，节能，效率提高，使用寿命提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

高效节能矿浆泵叶轮，其特征在于：叶轮轮盘上圆周均布有6片叶轮叶片，叶轮流道口宽度为：（540/叶轮直径）×74mm。

叶轮叶片材质为2cr13NiMo。

本发明的有益之处在于：

本发明将传统的矿浆泵叶轮的叶片由8片改为6片，改变叶轮流道口宽度，从而提高了叶轮效率，达到耗电降低及节能的作用，采用了新材质叶片，使矿浆泵的使用范围扩大，使用寿命提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是叶轮局部视图；

图2是叶轮的一个流道分析图；

图3是射流-尾迹现象示意图；

图4是现有叶轮和本发明叶轮的子午流道对比图；

图5是现有叶轮和本发明叶轮在垂直于轴线Z的平面上的投影图；

图6是本发明叶轮外观图；

图7是本发明叶轮的侧视图。

具体实施方式

本发明是一种高效节能矿浆泵叶轮，如图5、图6所示，其结构是叶轮轮盘2上圆周均布有6片叶轮叶片1，叶轮流道口宽度D为：（540/叶轮直径）×74mm。叶轮叶片1的材质为2cr13NiMo。

本发明的原理：

1、高效节能矿浆泵叶轮的定义：

高效节能矿浆泵叶轮是指在实际流动中，所有流动参数都是空间坐标系上三个方向变量的函数（x,y,z坐标）。由于水的实际流动不是规则的，因此目前国标叶轮（x,y坐标)不能真实反映水的实际流动轨迹。而高效节能矿浆泵叶轮则能真实反映。

2、高效节能矿浆泵叶轮的节能：

理论上，目前运行的矿浆泵主要是采用二唯设计理论的流动技术，其矿浆泵的基本方程式是：HT=1/g(U2C2-U1C1)，其中HT为扬程，U为圆周速度；C为绝对速度。该公式是揭示水流在叶片根部到叶片顶部的S流面的流动，而叶片与叶片间的圆柱面流动阻力没有计算；高效节能矿浆泵叶轮采用的三维设计理论，将这部分圆柱面的流动发展到了沿S流面的流动，将被现有二维（s1,s2)流动技术忽略的各类因素考虑进去，从而在叶轮设计中减少了泵体内部的冲撞损失和摩擦损失等各种损失，提高了叶轮机械效率。因此从理论上讲,效率提高大约5%左右。总体矿浆泵效率达到80%-90%。

3、高效矿浆泵叶轮的应用：

目前,节能降耗已成为全国各行各业,特别是高耗能企业的重要任务。我国已把节能降耗提到了国民经济发展非常重要的位置。矿浆泵是离心泵，离心泵是把原动机的机械能通过离心泵叶轮产生的离心力使液体产生动能,从而达到输送液体的目的,它广泛应用于国民经济的各个领域。因此,通过优化离心泵的性能做好离心泵的节能工作,是节能降耗中至关重要的一环。

4、高效矿浆泵叶轮理论技术概述：

矿浆泵是一种离心泵。我国离心泵多年来一直采用传统理论设计离心泵叶轮,它的设计理念是假定进出口流通截面及流道内部任何流通截面的水流分布是均匀的,而流速仅为一个自变量的函数。据此而设计出叶片的几何形状,制作出多种模型进行试验,择优选用。由于离心泵在不同工况下其流量、压力变化范围很大,而这种叶轮的模型只能是有限的数种,因而无法保证优选模型与实际工况一致。这就导致离心泵叶轮偏离设计最佳效率点,进而影响泵的实用效率。中科院研究员刘殿魁教授于1986年提出了叶轮机械内“射流-尾迹的”的解法。应用这一计算方法对叶轮流道进行设计,有效地解决了尾迹区的影响,提高了叶轮的水力效力,同时增大了有效流通面积，提高了离心泵的工作效率。离心泵的水力效率受水泵叶轮的进口轮径、出口轮径、轮毂比、子午流道的曲率变化、叶型中心线的形状、叶片厚度分布、安装角、进口角、出口角及泵的工作流量、压力变化等多种因素的影响。而根据“射流-尾迹三元流动”理论结合离心泵的实际流量、扬程等参数设计制作的高效叶轮,在不变动泵体安装结构的情况下,换装于原泵体内。以投资最少,见效最快的技改方式,达到节能降耗的目的。根据这些理论，发明人经过多年的研究和无数次的实验，得出此最佳合理的生产工艺，并实现了成熟的产品。

5、高效叶轮设计：

高效叶轮技术通过使用先进的泵设计软件，结合生产现场实际的运行工况,重新进行泵内水力部件(主要是叶轮)的优化设计。具体步骤是:先对在用离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试,并提出常年运行的工艺参数要求,作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮,保证可以和原型互换,在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的目标。

6、传统叶轮的基本概念：

图1是叶轮的局部视图,图2是把叶轮内两个相邻叶片和前、后盖板形成的流道abcdefgh作为一个计算分析研究的单元。aehd、bfgc是两个相邻的叶片,dcnghid是叶轮前盖板,bkfeja是叶轮后盖板。传统的一元流理论就是把叶轮内的曲形流道abcdefgh,视为一个截面变化的弯曲流管,认为沿流线的流速大小仅随截面大小而变化,但假定在每个横断面上如abcd、ijkn、efgh等,流速是相同的。这样在流体力学计算中,流动速度(W)就只是流线长度坐标(S)的一元函数。这种简化使泵内部流体力学的计算可以用手工算法得以实现。国内采用的双吸水平中开泵,就是采用这种理论设计的。

然而由于叶轮流道abcdefgh的三元曲线形状又是高速旋转的,流速(或压力)不但沿流线变化,而且沿横截面abcd,ijkn、efgh等等,任何一点都是不相同的,即流速是三元空间圆柱坐标(R、Φ、Z的函数)。特别是叶片数也是有限的,流速和压力沿旋转周向(Φ坐标)的变化,正是水泵向流体输入功的最终体现。忽略这一点就无法计算水泵内部的压力变化,这也就是为什么一元流动理论只能计算叶轮进口、出口参数,而不能准确分析叶轮内部流动参数的原因。水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可分的,一元流理论固然简单,但不能完全反映泵内的真实流动,这就在设计上阻碍了泵效率的提高。

7、关于射流-尾迹三元流动：

最早在航空用离心压气机中,用激光测速技术观察到射流-尾迹现象,如图3所示,弧状弯曲线dh和cg分别代表两个相邻的叶片,dc为叶片进口边,hg为叶片出口边,w1为叶片进口流速,w2为叶片出口流速,都是不均匀的。t是流动分离点,htv即是尾迹区,是一些低能量流体组成,类似一个旋涡。cdtvg则是射流区可视为无黏性的位流区,可按通常的三元流计算。

8、现有技术和本发明叶轮的对比：

如图4所示,是叶轮的子午流道形状,对应于图1中的叶片位置,依次为进口、出口、叶轮前盖板内壁型线、叶轮后盖板壁面型线。实线为本发明的6叶片叶轮,虚线为传统的8叶片叶轮。前者轴向向进口方向延伸,轴向宽度大,造成流动损失尽可能小的进口条件,使泵的效率和气蚀性能得以改善。

如图5所示，叶片在垂直轴线Z的平面上投影为adh曲面,实线为本发明的6叶片叶轮,虚线为传统的8叶片叶轮，由于Φ角的改变可以看到本发明的6叶片叶轮叶片扭曲显著,而传统的8叶片叶轮的叶片adh则扭曲度小,有时a与d重合,叶片完全不扭曲,而只是一个板式弯曲形叶片,因此称之为直叶片。

本发明的高效节能矿浆泵叶轮与现有传统普通叶轮相比，具有以下优点：,

A：原来的传统叶轮为8叶片，本发明的高效叶轮为6叶片，在同一个平面上，等分后，本发明高效叶轮的流道口宽度大(弧长和弦长增大），叶片扭曲度也增加。

这样减少了水泵进水和出水的摩擦阻力，由于减少了2个叶片，叶片厚度减少，叶轮重量减轻，即节约了材料成本，又增加了效率，由于是6叶片，流道口宽度的自然增加，水流阻力减少，流量自然增加。因为叶片的数量对叶轮的能量损失起着重要作用，所以效率高是肯定的。8叶片减到6叶片，不是单纯的减少数量，减少1片或者几片，都无法达到最优效率。

另一方面，如果直径∮540mm叶轮，流道口宽度必须为74mm，这是最佳方案，多一点尺寸会降低泵的扬程，或者少一点尺寸会造成泵的流量不足，都无法达到最佳效率。由于直径∮540mm叶轮的流道口宽度为74mm，那么根据数学公式得出，随着叶轮尺寸的大小，可以得出叶轮流道口的宽度，宽度多一点尺寸或者少一点尺寸，泵的效率将无法提高。具体的公式如下：

叶轮流道口宽度=（540/叶轮直径尺寸）×74mm

由此得出其他型号叶轮的流道口宽度尺寸。

例如直径∮540mm叶轮，流道口宽度必须为74mm（（540/叶轮直径尺寸）×74mm=（540/540）×74mm=1×74mm=74mm）；直径∮1080mm叶轮，流道口宽度必须为37mm（（540/叶轮直径尺寸）×74mm=（540/1080）×74mm=0.5×74mm=37mm），直径∮270mm叶轮，流道口宽度必须为148mm（（540/叶轮直径尺寸）×74mm=（540/270）×74mm=2×74mm=148mm）。

B：具有较高的抗汽蚀性能；

C:减小了泵的转子重量，降低了泵组的径向力，提高了轴承寿命；增高了泵组的临界转速，泵运行更平稳，提高轴的抗疲劳强度；

D:降低了转子运行挠度值，减少叶轮口环的磨损及功率损耗；

E:减小了密封的磨损，延长了使用寿命；

F:采用全三维立体设计，优化水力设计，例如直径∮540叶轮,由国标的8片叶轮，流道尺寸68，材质为：铸铁或者铸钢的普通叶轮，改成高效节能的6片叶轮，叶轮重量减轻，流道口宽度尺寸74，增加了流量,节约能耗，整个效率比8叶片叶轮提高效率20%左右。材质改为2cr13NiMo,延长了叶轮使用寿命，改造后，提高了叶轮的综合效率。

G：能加工到的叶轮表面全部采用机械加工，对叶轮流道采用精密铸造，全面提高叶轮光洁度，减小水力损失。

H：改变原来我国矿浆泵叶轮的材质，由铸铁件，铸钢件，变革为：2cr13NiMo材质，使我国矿浆泵只能单一的输送清洁水，改造后能够输送杂质水，矿浆，弱酸介质液体的状况，使用范围扩大几倍。总之，由于转子重量的极大降低，减小了相关零件的磨损，故障率降低，从而增大了泵组运行的平稳性、可靠性，减少维修，提高了寿命，延长了泵组大修期。

9、高效节能矿浆泵叶轮的应用和技改方法：

在保持水泵系统流量和扬程不变的情况下，实现降低电机电流，达到节电的目的；或者在额定电流范围内，提高水泵的扬程或流量。

改造时根据用户泵的实际参数，重新设计可互换的新型叶轮，换装于原泵内即可，不动电机、管路等，施工简单，立即见效。

在水泵机组设计时，考虑到使用的安全性，机组都配置了备用泵，最少是一用一备，两用一备等等。由于机组的相互影响，假设一台泵工作时的流量Q1为100，两台泵并联工作时Q2为190，比单台泵增加了90；三台泵的Q3为251，比两台泵增加了61；；四台泵的Q3为284，比两台泵增加了33。上述情况都是说在相同型号泵的情况下的结论，如果在进行水泵节能改造时，只改造多台泵中的一台，由于泵的相互影响，是看不出效果的，因此改造时必须以机组系统为一个整体进行改造，而不能单独孤立地分开研究。

10：高效节能矿浆泵叶轮与其它节能方式的比较：

高效节能矿浆泵叶轮和其它节能方式（如变频技术改造）相比较：二者都能够实现节能的目的。但是高效节能矿浆泵叶轮安装简单，不占用外部空间；施工周期短；不动设备基础和管路；投资较低，回收周期短。变频技术对周围环境的的温度和湿度要求比较高；改造时还要考虑配电盘是否有空间，如果没有需要另上配电盘；施工复杂，周期长；投资高，回收周期长（100kVA收费在800～1000元之间，甚至更高）。

11、高效节能矿浆泵叶轮与一般水泵叶轮的比较：

高效节能矿浆泵叶轮是根据水泵实际运行的工况进行专门设计的非标设备。能保证水泵在高效区运行。而一般水泵叶轮受水泵制造的影响，很难选到适合生产要求的水泵，也就不能保证在水泵高效区工作，从而造成能源的浪费。12、高效节能矿浆泵叶轮的寿命：

高效节能矿浆泵叶轮由于采用了2cr13NiMo耐磨材质，寿命同目前国标普通铸钢，铸铁叶轮相比，寿命高一倍。

13、高效节能矿浆泵叶轮节能效果的验证：

高效节能矿浆泵叶轮安装完毕后，由甲方组织验收，根据安装前后的电流比较，或者安装前后一段时期的用电量，计算出准确的节电效果。

用电量的计算公式：∑N=√3UΔICOS￠η

其中：∑N---用电量，kw(或度）；U---电压,V;ΔI--电流A；COS￠---功率因数；η---电机效率。

节能效果显著：一般节能在10%～20%之间。

例如如下实验：攀钢矿业公司密地选矿厂环水车间6台KJS400-350-670型循矿浆泵，经过改造后，单台水泵年节电将达到68万度。节电率在15%以上。两台350S-75A循矿浆泵，改造后年节电50万度。

攀钢矿业公司白马选矿厂KJS250-350-120循矿浆泵改造后，节电率在23%。

攀钢矿业公司动力厂两台KJS400-350-670A循矿浆泵，改造后年节电120万度，节电率在25%。

Claims (2)

1.高效节能矿浆泵叶轮，其特征在于：叶轮轮盘上圆周均布有6片叶轮叶片，叶轮流道口宽度为：（540/叶轮直径）×74mm。

2.如权利要求1所述的高效节能矿浆泵叶轮，其特征在于：叶轮叶片材质为2cr13NiMo。