CN105298908A - 一种高抗空化离心叶轮水力设计方法 - Google Patents

Abstract

针对离心泵在运行过程中出现的空化现象，本发明提供了一种高抗空化离心叶轮水力设计方法。通过改善叶片的进口安放角、叶片厚度分布、叶轮进口直径和叶片进口宽度，可以减小叶片的弯曲程度，增大叶片进口的过流面积，使离心泵的效率提高，空化余量降低，空化性能得到改善。通过不同叶片数和比转速来设计叶片包角使叶轮流道内的流动扩散减少，流动更贴近叶片形状，减少由于脱流的漩涡向高压侧扩散，促进空化。

Description

一种高抗空化离心叶轮水力设计方法

技术领域

本发明涉及到一种离心叶轮的水力设计方法，特别涉及一种高抗空化离心叶轮水力设计方法。

背景技术

如果液体中的压强低于某个正值，这个值在常温下接近零，那么流动的连续性就会遭到破坏，在液体的一些区域中将出现大量小气泡，气泡内是液体蒸汽或原先溶解于液体的气体，这个现象称为空化。在许多领域，如流体机械、高速涵洞、水翼、舵、水中兵器等都会遇到空化问题，空化会致使材料剥蚀，机械效率降低，并产生振动和噪声等。因此，空化成为了研究设计中的重要考虑要素。泵是一种应用极其广泛的通用机械，种类繁多，与人类的生活有着密不可分的关系，凡是有液体流动的地方，几乎都有泵的运行工作。随着科学技术水平不断的提高，泵运用的领域正在不断扩大。离心泵结构多种多样，是各种泵中应用最为广泛的一种，广泛应用于城市给水、石油化工、船舶工业、航天航空、农业灌溉等社会生活和国民经济的各个部门中。近年来随着离心泵的高速化发展，空化现象不断出现，离心泵空化现象对离心泵性能具有重要的影响，空化的发生往往会影响泵内流体的正常流动，产生振动、噪声、过流部件腐蚀破坏和泵的性能下降等一系列问题，空化严重时甚至影响整个系统无法正常运行。

发明内容

针对离心泵在运行过程中出现的空化现象，本发明提供了一种高抗空化离心叶轮水力设计方法。通过改善叶片的进口安放角、叶片厚度分布、叶轮进口直径和叶片进口宽度，可以减小叶片的弯曲程度，增大叶片进口的过流面积，使离心泵的效率提高，空化余量降低，空化性能得到改善。通过不同叶片数和比转速来设计叶片包角使叶轮流道内的流动扩散减少，流动更贴近叶片形状，减少由于脱流的漩涡向高压侧扩散，促进空化。实现上述目的所采用的技术方案是：

1、比转速n_s，其计算公式如下：

$n_s=3.65n\frac{\sqrt{Q}}{H^{0.75}}$

式中：

n_s-比转速；

Q-设计流量，立方米/秒；

n-叶轮转速，转/分钟；

H-设计扬程，米；

2、叶轮进口直径D₀由下式确定：

$D_0=\left\{\begin{array}{c}(0.01958n_s^{1.012}+3.869)\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}(30<n_s\&le;80)\\ \left(5.387e^{(-{\left(\frac{(n_s-129)}{78}\right)}^2)}\right)\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}(80<n_s\&le;140)\\ (-4.81\&times;{10}^{-5}{n}_s+0.037n_s+6.443\&times;{10}^{-5})\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}(140<n_s\&le;200)\end{array}\right.$

式中：

n_s-比转速；

D₀-叶轮进口直径，米；

Q-设计流量，立方米/秒；

n-叶轮转速，转/分钟；

3、叶片进口宽度b₁由下式确定：

$b_1=\left\{\begin{array}{c}\frac{(27.75n_s+14.54)\sqrt{H}}{(n_s+153.1)n}(30<n_s\&le;80)\\ (4.212e^{0.01n_s}-4.2e^{-0.28n_s})\frac{\sqrt{H}}{n}(80<n_s\&le;140)\\ (4.942\&times;{10}^{-6}{n}_s^3-0.002n_s^2+0.259n_s-0.0003)\frac{\sqrt{H}}{n}(140<n_s\&le;200)\end{array}\right.$

式中：

n_s-比转速；

b₁-叶轮进口宽度吗，米；

n-叶轮转速，转/分钟；

H-扬程，米；

4、叶片进口安放角β₁由下式确定：

(a)当叶片数Z为3～4时；

${\mathrm{\&beta;}}_1=\left\{\begin{array}{c}\frac{24.92n_s+0.1016}{n_s+20.39}(30<n_s\&le;80)\\ \frac{25.02n_s+0.2}{n_s+22.34}(80<n_s\&le;140)\\ -0.0003n_s^2+0.2127n_s+0.0014(140<n_s\&le;200)\end{array}\right.$

(b)当叶片数Z为5～6时；

${\mathrm{\&beta;}}_1=\left\{\begin{array}{c}(-2.412\&times;{10}^{-6}{n}_s^4+0.0005n_s^3-0.0374n_s^2+1.268n_s-0.00058+\frac{12}{n_s}(30<n_s\&le;80)\\ \frac{46.22n_s+0.7629}{n_s+111.1}(80<n_s\&le;140)\\ \frac{75.51n_s^2-14.99n_s+0.0067}{n_s^2+290n_s+10.26}(140<n_s\&le;200)\end{array}\right.$

(c)当叶片数Z为7～8时；

${\mathrm{\&beta;}}_1=\left\{\begin{array}{c}\frac{26.53n_s+0.4213}{n_s+18.86}(30<n_s\&le;80)\\ -4.192\&times;{10}^{-7}{n}_s^4+0.00016n_s^3-0.021n_s^2+1.112n_s-4.429\&times;{10}^{-5}(80<n_s\&le;140)\\ (-2.355\&times;{10}^{-7}{n}_s^4+0.00013n_s^3-0.024n_s^2+1.652n_s-1.714\&times;{10}^{-5}+\frac{n_s}{390})(140<n_s\&le;200)\end{array}\right.$

式中：

n_s-比转速；

β₁-叶片进口安放角，度；

Z-叶片数，枚；

5、叶片包角由以下公式确定：

(a)当叶片数Z为3～4时；

(b)当叶片数Z为5～6时；

(c)当叶片数Z为7～8时；

式中：

n_s-比转速；

-叶片包角，度；

Z-叶片数，枚；

6、叶片厚度δ由以下公式确定：

(a)当计算叶片进口处厚度时；

${\mathrm{\&delta;}}_1=\frac{-0.4912D_0^2+0.1404D_0-0.0003}{10D_0+0.9}$

(b)当计算叶片中部或稍后处时；

${\mathrm{\&delta;}}_2=-0.0005348D_0^2+0.1181D_0+0.01014$

(c)当计算叶片出口处厚度时；

${\mathrm{\&delta;}}_3=\frac{-0.3181D_0^2+0.1258D_0-0.0004332}{10D_0+0.4}=0.00062$

式中：

δ₁-叶片进口端厚度，米；

δ₂-叶片中部或稍后处厚度，米；

δ₃-叶片出口端厚度，米；

D₀-叶轮进口直径，米；

本发明的有益效果是：通过设计离心泵的最佳结构参数，提高了离心泵的抗空化性能，保证了离心泵在运行过程中空化强度达到最低，从而实现离心泵的高抗空化性能。

附图说明

图1是本发明实施例的平面投影图。

图2是本发明实施例的轴面图。

图1：β₁-叶片进口安装角，-叶片包角。

图2：D₀-叶轮进口直径，b₁-叶片进口宽度，δ₁-叶片进口厚度，δ₂-叶片中部或稍后处厚度，δ₃-叶片出口厚度。

具体实施方式

设计要求：设计工况流量为0.096764立方米/秒，设计工况扬程为60米，转速为2900转/秒，g取10米/平方米，叶片数取4枚。

$\left(1\right)---n_s=3.65n\frac{\sqrt{Q}}{H^{0.75}}=3.56\&times;2950\&times;\frac{\sqrt{0.096764}}{{60}^{0.75}}=100$

$\left(2\right)---D_0=\left({5.387}^{(-{\left(\frac{(n_s-129)}{78}\right)}^2)}\right)\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}=5.387\&times;e^{(-{\left(\frac{(100-129)}{78}\right)}^2)}\sqrt[3]{\frac{0.096764}{2900}}=0.150$

$\left(3\right)---b_1=(4.212e^{0.01n_s}-4.2e^{-0.0028n_s})\frac{\sqrt{H}}{n}=(4.212e^{0.01\&times;100}-4.2e^{-0.0028\&times;100})\frac{\sqrt{60}}{2900}=0.027$

$\left(4\right)---{\mathrm{\&beta;}}_1=\frac{25.02n_s+0.2}{n_s+22.34}=\frac{25.02\&times;100+0.2}{100+22.34}=24.5$

$\left(6\right)---{\mathrm{\&delta;}}_1=\frac{-0.49D_0^2+0.1404D_0-0.0003}{(10D_0+0.9)}=\frac{-0.011052+0.02106-0.0003}{(1.5+0.9)}=0.00042$

$\left(7\right)---{\mathrm{\&delta;}}_2=-0.0005348D_0^2+0.1211D_0+0.2214=-0.000012033+0.0188+0.01014\&ap;7$

$\left(8\right)---{\mathrm{\&delta;}}_3=\frac{-0.3181D_0^2+0.1258D_0-0.0004332}{10D_0+0.4}=\frac{-0.007157+0.01887-0.0004332}{1.5+0.4}=0.00062$

在设计过程中，其它系数的选择需要根据具体实际情况进行系数选取，如叶轮的出口结构参数及蜗壳结构参数需要根据泵的运行情况来选择等。

以上，为本发明参照实施例所做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其它实施例或变形例。

Claims (5)

1.一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，其特征在于：设计进口参数来降低空化，设计叶片包角、叶片厚度来降低湍流脉动产生对空化的影响。其中，叶轮进口直径D₀由下式确定：

式中

n_s-比转速；

Q-设计流量，立方米/秒；

n-叶轮转速，转/分钟；

H-设计扬程，米。

2.如权利要求1所述一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，其特征在于：叶片进口宽度b₁由下式确定：

式中：

n_s-比转速；

D₀-叶轮进口直径，米；

Q-设计流量，立方米/秒；

n-叶轮转速，转/分钟。

3.如权利要求1所述一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，其特征在于：叶片进口安放角β₁由下式确定：

(a)当叶片数Z为3～4时；

(b)当叶片数Z为5～6时；

(c)当叶片数Z为7～8时；

式中：

n_s-比转速；

β₁-叶片进口安放角，度；

Z-叶片数，枚。

4.如权利要求1所述一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，其特征在于：叶片包角由以下公式确定：

(a)当叶片数Z为3～4个时；

(b)当叶片数Z为5～6时；

(c)当叶片数Z为7～8时；

式中：

n_s-比转速；

-叶片包角，度；

Z-叶片数，枚。

5.如权利要求1所述一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，其特征在于：叶片厚度δ由以下公式确定：

(a)当计算叶片进口处厚度时；

(b)当计算叶片中部或稍后处时；

(c)当计算叶片出口处厚度时；

式中：

δ₁-叶片进口端厚度，米；

S₃-叶片中部或稍后处厚度，米；

S₂-叶片出口端厚度，米。