CN105485057A - 一种斜流泵径向导叶的水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种斜流泵径向导叶水力设计方法。它给出了导叶的主要几何参数的设计公式，包括斜流泵导叶基圆直径D₃、导叶进口宽度(轴向宽度)b₃、导叶进口轴面速度v_m3、排挤系数Ψ₃、导叶进口圆周分速度υ_u3、导叶进口叶片宽度系数K_DBY、导叶进口叶片宽度b₃′、导叶前盖板圆角半径R_DBY、导叶前盖板圆角半径系数K_TSY、导叶后盖板圆角半径R_TSY、导叶进口液流角α₃′、导叶进口安放角α₃、导叶叶片厚度δ₃、导叶的喉部系数a₃、导叶叶片数z、喉部速度v₃、扩散段出口速度v₄、导叶出口直径D₄、扩散角扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄等，不同于普通泵的径向导叶水力设计方法，改善流动情况，达到提高导流和能量转换的目的。

Description

一种斜流泵径向导叶的水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种斜流泵径向导叶水力设计方法。该斜流泵径向导叶广泛应用于农业排灌、市政给排水、电力、石油、化工等行业，是相关行业循环供水、工艺供水和区域性调水等领域的关键零部件，近年来采用径向导叶的斜流泵在核电、舰船喷水推进等行业得到应用。

背景技术

斜流泵又叫做导叶式混流泵，具有占地面积少、外径小、易启动以及效率高等特性，斜流泵的比转数在290～590，常用的扬程范围为10～20米，是一种性能和结构介于离心泵和轴流泵之间的水泵，克服了两者的缺点，同时又具有两者优点，是发展潜力较大的一种理想泵型。目前其应用范围也开始逐渐向传统离心泵和轴流泵范围拓展。

斜流泵主要适用于农业排灌、市政给排水、火电、核电、石油化工等行业循环供水、工艺供水和区域性调水等领域，近年来在核电、舰船喷水推进方面也得到广泛应用。斜流泵主要由泵壳、叶轮、导叶、电机等部件组成，其中导叶是斜流泵中除叶轮以外的最重要水力部件。确定斜流泵导叶几何参数的水力设计方法是否先进，将直接影响斜流泵能否高效运行，对长期运行的可靠性和稳定性也会产生重要影响。

由于斜流泵的应用日益广泛，对斜流泵相关技术方法的研究已成为流体机械行业中的一个热门。但是，现有技术的斜流泵径向导叶的水力设计方法没有给出系统的设计过程，很大程度上仍依赖于经验公式，可操作性不强，在实际设计中仍然过分依赖工程技术人员的经验，很难满足斜流泵稳定性能好的要求，也很难做到计算机编程应用和计算机辅助设计。所以仅仅依靠改造径向导叶形状有时不能满足提高其稳定性的要求，应该需要对斜流泵径向导叶的水力设计方法做进一步完善。

专利号为201310405817.2号的中国发明专利中公开了一种“AP1000核主泵径向导叶水力设计”，这种设计方法只给出了导叶基圆直径D₃、导叶进口宽度b₃、导叶进口安放角α₃螺旋线部分的线型R、导叶喉部面积F的参数的具体实施办法，其他参数还是依赖工程技术人员的经验，没有给出系统的、精确的设计方法，而且很难做到计算机编程应用和计算机辅助设计。专利号为201410797350.5号的中国发明专利公开了一种“带槽结构的径向导叶及其设计方法”，在该发明专利中，发明人给出了带槽结构的径向导叶及其设计方法，此设计方法采用计算流体力学软件ANSYCFX14.5对径向导叶定常数值模拟，得导叶内全部流道的速度流线分布图，以此来设计带槽的径向导叶，该发明通过减小导叶工作面的漩涡区域，改善导叶内部流场分布，从而提高其过流能力。但是该专利并没有涉及径向导叶的水力设计，更没有给出具体参数的设计。针对上述专利存在的缺陷，本发明人发明了“一种斜流泵径向导叶的水力设计方法”，给出了斜流泵径向导叶几何参数的设计过程，同时也建立了一套较系统、精确的设计方法。采用该方法设计的斜流泵，，可以达到提高导流和能量转换、扩展高效区范围，延长斜流泵泵的使用寿命和维修周期的目的。

发明目的

目前国内对于泵类产品的需求量很大，每年发电量的20％～25％都会消耗在泵类产品上。如何实现斜流泵在保证水力效率高的同时，进一步拓宽高效区，并能稳定运行，已经成为当前斜流泵发展的紧迫问题。由于斜流泵泵壳的特殊性，所以导叶在叶轮和泵壳之间承上启下的作用显得尤为重要，不能照搬普通泵的导叶设计方法。本发明关于斜流泵径向导叶的水力设计方法，达到提高导流和能量转换的目的，可以避免斜流泵性能失稳、增强斜流泵的可靠性、提高斜流泵增长泵的寿命和维修周期，以减少检修人员的工作量。还有助于计算机编程应用和计算机辅助设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种斜流泵径向导叶水力设计方法。通过改善导叶的几个重要参数的设计方法，改善流动情况，达到提高导流和能量转换的目的，提高斜流泵稳定性能。

实现上述目的所采用的技术方案是：

(1)导叶基圆直径D₃

$D_3=D_2+8.44e^{\[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2\]}---\left(1\right)$

式中：

D₃-导叶基圆直径。米；

D₂-叶轮出口直径，米；

(2)导叶进口宽度(轴向宽度)b₃

b₃＝b₂+4.539e×10^-5H²-0.00156H+0.01629

(2)

式中：

b₃-叶轮导叶进口宽度，米；

b₂-叶轮出口宽度，米；

H-设计工况扬程，米；

(3)导叶进口轴面速度v_m3

${\mathrm{\υ}}_{m3}=\frac{Q}{2\mathrm{\π}\·(-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+418.7H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)b_3{\mathrm{\ψ}}_3}---\left(3\right)$

式中：

v_m3-导叶进口轴面速度，米/秒；

Q-设计工况的流量，米³/秒；

H-设计工况扬程，米；

b₃-导叶进口宽度(轴向宽度)，米；

ψ₃-排挤系数；

(4)导叶排挤系数ψ₃

${\mathrm{\ψ}}_3=\frac{(D_2+8.44e^{\[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2\]}){\mathrm{\πsin\α}}_3-{\mathrm{\δ}}_{3}z}{(D_2+8.44e^{\[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2\]}){\mathrm{\πsin\α}}_3}---\left(4\right)$

式中：

ψ₃-排挤系数；

n_s-比转数；

D₂-叶轮出口直径，米；

α₃-导叶进口安放角，度；

δ₃-导叶叶片厚度，米；

z-导叶叶片数；

(5)导叶进口圆周分速度v_u3

${\mathrm{\υ}}_{u3}=\frac{{\mathrm{\υ}}_{u2}\·(-6850+2.129e\×{10}^{4}Q+370.5H-1.603e\×{10}^4{Q}^2-568.2QH-4.834H^2)}{-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+418.7H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2}---\left(5\right)$

式中：

v_u3-导叶进口圆周分速度，米/秒；

v_u2-斜流泵叶轮出口圆周分速度，米/秒；

Q-设计工况的流量，米³/秒；

H-设计工况扬程，米；

(6)导叶进口叶片宽度系数K_DBY

K_DBY＝11.41-26.36Q-0.6622H+13.99Q²+0.9491QH+0.0089H²(6)

式中：

K_DBY-导叶进口叶片宽度系数；

Q-设计工况的流量，米³/秒；

H-设计工况扬程，米；

(7)导叶进口叶片宽度b₃′

b′₃＝K_DBYb₃(7)

式中：

b₃′-导叶进口叶片宽度，米；

K_DBY-导叶进口叶片宽度系数；

(8)导叶前盖板圆角半径系数M_DBY

$M_{DBY}=1.19e\×{10}^{-7}{n}_s^3-0.0001795n_s^2+0.0875n_s-13.19---\left(8\right)$

式中：

M_DBY-导叶前盖板圆角半径系数；

n_s-比转数；

(9)导叶前盖板圆角半径R_DBY

R_DBY＝M_DBYb′₃(9)

式中：

R_DBY-导叶前盖板圆角半径，米；

M_DBY-导叶前盖板圆角半径系数；

b₃′-导叶叶片宽度，米；

(10)导叶后盖板圆角半径系数K_TSY

$K_{TSY}=0.8561e^{\[-{\left(\frac{n_s-528.8}{506}\right)}^2\]}---\left(10\right)$

式中：

K_TSY-导叶后盖板圆角半径系数；

n_s-比转数；

(11)导叶后盖板圆角半径R_TSY

R_TSY＝R_DBY+K_TSYb₃(11)

式中：

R_TSY-导叶后盖板圆角半径，米；

K_TSY-导叶后盖板圆角半径系数；

b₃-叶轮导叶进口宽度，米；

(12)导叶进口液流角α₃′

${\mathrm{tan\α}}_3^{\′}=\frac{1.817e^{\[-{\left(\frac{n_s-71.75}{634.2}\right)}^2\]}{\mathrm{\υ}}_{m3}}{1.598e^{\[-{\left(\frac{n_s-245.3}{445.1}\right)}^2\]}{\mathrm{\υ}}_{u3}}---\left(12\right)$

式中：

α₃′-导叶进口液流角，度；

v_u3-导叶进口圆周分速度，米/秒；

v_m3-导叶进口轴面速度，米/秒；

(13)导叶进口角α₃

${\mathrm{\α}}_3=arctan\[59.26e^{\[-{\left(\frac{H+412.3}{216.9}\right)}^2\]}{\mathrm{tan\α}}_3^{\′}\]---\left(13\right)$

式中：

α₃-导叶进口安放角，度；

α₃′-导叶进口液流角，度；

H-设计工况扬程，米；

(14)导叶叶片厚度δ₃

${\mathrm{\δ}}_3=(3.898e\×{10}^{-9})n_s^3-5.737e\×{10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.4271---\left(14\right)$

式中：

δ₃-导叶叶片厚度，米；

n_s-比转数；

(15)导叶的喉部系数a₃

$a_3=42.57e^{\[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2\]}---\left(15\right)$

式中：

a₃-导叶的喉部系数，米；

n_s-比转数；

(16)导叶叶片数z

$z=\mathrm{\π}\sin 2{\mathrm{\α}}_3/\ln \[\frac{\left(a_3{\mathrm{\δ}}_3\right){\mathrm{cos\α}}_3}{(-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+4187H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)}+1\]---\left(16\right)$

式中：

z-导叶叶片数；

α₃-导叶进口安放角，度；

δ₃-导叶叶片厚度，米；

a₃-导叶的喉部系数，米；

H-设计工况扬程，米；

Q-流量，米/秒；

但确定导叶叶片数还应考虑到不要与叶轮叶片数相等或互为倍数

(17)喉部速度v₃

$v_3=(3.898e\×{10}^{-9}{n}_s^3-5.737e\×{10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.427)\sqrt{2gH}---\left(17\right)$

式中：

v₃-喉部速度，米/秒；

g-重力加速度，米/秒²；

n_s-比转数；

(18)扩散段出口速度v₄

$v_4=2.832e^{\[-{\left(\frac{H-25.24}{16.63}\right)}^2\]}---\left(18\right)$

式中：

v₄-扩散段出口速度，米/秒；

H-设计工况扬程，米；

(19)导叶出口直径D₄

$D_4=465.7e^{\[-{\left(\frac{n_s-510.4}{579}\right)}^2\]}---\left(19\right)$

式中：

D₄-导叶出口直径，米。

(20)扩散角

式中：

-扩散角，度；

(21)扩散段进口修正系数扩散段出口修正系数

式中：

-扩散段进口修正系数；

-扩散段出口修正系数；

(22)扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄

$F_3=42.57(b_2+4.539e\×{10}^{-5}{H}^2-0.00156H+0.01629)e^{\[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2\]}---\left(23\right)$

$F_4=\frac{Q\ln \[\frac{(a_3+{\mathrm{\δ}}_3){\mathrm{cos\α}}_3}{(-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+418.7H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)}+1\]}{\mathrm{\π}\sin 2{\mathrm{\α}}_{3}2.832e^{\[-{\left(\frac{H-25.24}{16.63}\right)}^2\]}}---\left(24\right)$

式中：

F₃-扩散段进口面积，米²；

F₄-扩散段出口面积，米²；

根据上述步骤，可以得到一种相对系统的、精确的径向导叶主要参数的设计方法。

通过上述计算方法确定斜流泵径向导叶主要几何参数，包括斜流泵导叶基圆直径D₃、导叶进口宽度(轴向宽度)b₃、导叶进口轴面速度v_m3、排挤系数ψ₃、导叶进口圆周分速度υ_u3、导叶进口叶片宽度系数K_DBY、导叶进口叶片宽度b₃′、叶前盖板圆角半径系数M_DBY、导叶前盖板圆角半径R_DBY、导叶前盖板圆角半径系数K_TSY、导叶后盖板圆角半径R_TSY、导叶进口液流角α₃′、导叶进口安放角α₃、导叶叶片厚度δ₃、导叶的喉部系数a₃、导叶叶片数z、喉部速度v₃、扩散段出口速度v₄、导叶出口直径D₄、扩散角扩散段进口修正系数扩散段出口修正系数扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄等，不同于普通泵的径向导叶水力设计法，改善流动情况，达到提高导流和能量转换的目的，提高斜流泵稳定性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是斜流泵径向导叶的轴面图。

图2是斜流泵径向导叶的平面图。

具体实施方式

本发明通过以下几个公式来确定包括斜流泵导叶基圆直径D₃、导叶进口宽度(轴向宽度)b₃、导叶进口轴面速度v_m3、排挤系数ψ₃、导叶进口圆周分速度υ_u3、导叶进口叶片宽度系数K_DBY、导叶进口叶片宽度b₃′、叶前盖板圆角半径系数M_DBY、导叶前盖板圆角半径R_DBY、导叶前盖板圆角半径系数K_TSY、导叶后盖板圆角半径R_TSY、导叶进口液流角α₃′、导叶进口安放角α₃、导叶叶片厚度δ₃、导叶的喉部系数a₃、导叶叶片数z、喉部速度v₃、扩散段出口速度v₄、导叶出口直径D₄、扩散角扩散段进口修正系数扩散段出口修正系数扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄等，此实施例是在给定设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况转速n，计算叶轮水力参数：

$D_3=D_2+8.44e^{\[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2\]}---\left(1\right)$

b₃＝b₂+4.539e×10^-5H²-0.00156H+0.01629mm(2)

${\mathrm{\υ}}_{m3}=\frac{Q}{2\mathrm{\π}\·(-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+418.7H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)b_3{\mathrm{\ψ}}_3}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ψ}}_3=\frac{(D_2+8.44e^{\[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2\]}){\mathrm{\πsin\α}}_3-{\mathrm{\δ}}_{3}z}{(D_2+8.44e^{\[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2\]}){\mathrm{\πsin\α}}_3}---\left(4\right)$

${\mathrm{\υ}}_{u3}=\frac{{\mathrm{\υ}}_{u2}\·(-6850+2.129e\×{10}^{4}Q+370.5H-1.603e\×{10}^4{Q}^2-568.2QH-4.834H^2)}{-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+418.7H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2}---\left(5\right)$

K_DBY＝11.41-26.36Q-0.6622H+13.99Q²+0.9491QH+0.0089H²(6)

b′₃＝K_DBYb₃(7)

$M_{DBY}=1.19e\×{10}^{-7}{n}_s^3-0.0001795n_s^2+0.0875n_s-13.19---\left(8\right)$

R_DBY＝M_DBYb′₃39)

$K_{TSY}=0.8561e^{\[-{\left(\frac{n_s-528.8}{506}\right)}^2\]}---\left(10\right)$

R_TSY＝R_DBY+K_TSYb₃(11)

${\mathrm{tan\α}}_3^{\′}=\frac{1.817e^{\[-{\left(\frac{n_s-71.75}{634.2}\right)}^2\]}{\mathrm{\υ}}_{m3}}{1.598e^{\[-{\left(\frac{n_s-245.3}{445.1}\right)}^2\]}{\mathrm{\υ}}_{u3}}---\left(12\right)$

${\mathrm{\α}}_3=\arctan \[59.26e^{\[-{\left(\frac{H+412.3}{216.9}\right)}^2\]}{\mathrm{tan\α}}_3^{\′}\]---\left(13\right)$

${\mathrm{\δ}}_3=(3.898e\×{10}^{-9})n_s^3-5.737e\×{10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.4271---\left(14\right)$

$a_3=42.57e^{\[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2\]}---\left(15\right)$

$z=\mathrm{\π}\sin 2{\mathrm{\α}}_3/\ln \[\frac{(a_3+{\mathrm{\δ}}_3){\mathrm{cos\α}}_3}{(-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+418.7H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)}+1\]---\left(16\right)$

$v_3=(3.898e\×{10}^{-9}{n}_s^3-5.737e\×{10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.427)\sqrt{2gH}---\left(17\right)$

$v_4=2.832e^{\[-{\left(\frac{H-25.24}{16.63}\right)}^2\]}---\left(18\right)$

$D_4=465.7e^{\[-{\left(\frac{n_s-510.4}{579}\right)}^2\]}---\left(19\right)$

$F_3=42.57(b_2+4.539e\×{10}^{-5}{H}^2-0.00156H+0.01629)e^{\[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2\]}---\left(23\right)$

$F_4=\frac{Qln\[\frac{(a_3+{\mathrm{\δ}}_3){\mathrm{cos\α}}_3}{(-8335+2.591e\×{10}^{4}Q+418.7H-1.893e\×{10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)}+1\]}{\mathrm{\π}sin2{\mathrm{\α}}_{3}2.832e^{\[-{\left(\frac{H-25.24}{16.63}\right)}^2\]}}---\left(24\right)$

本发明采用精确公式设计法进行斜流泵径向导叶的水力设计，使斜流泵的稳定性得到很大提高，具有良好的经济效益，更有利于计算机的编程应用。由于本发明的斜流泵径向导叶的水力设计方法不同于普通泵的径向导叶水力设计方法，更能确保斜流泵水力部件的尺寸的相互匹配。而且计算更精确，使理论设计与实际模型更符合。

以上，为本发明专利参照实施例做出的具体说明，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他实施例或变形例。

Claims (10)

1.一种斜流泵的径向导叶水力设计方法，提供导叶的主要几何参数，包括斜流泵排挤系数ψ₃、导叶进口宽度(轴向宽度)b₃、导叶进口安放角α₃、导叶后盖板进口圆角半径R_TSY、导叶叶片数z、导叶的喉部系数a₃、导叶基圆直径D₃、导叶出口直径D₄、导叶进口液流角α₃′、导叶进口轴面速度v_m3、导叶进口圆周分速度υ_u3、导叶前盖板进口圆角半径R_DBY、导叶进口叶片宽度b₃′、导叶进口前盖板进口圆角半径系数M_DBY、导叶进口叶片宽度系数K_DBY、导叶叶片厚度δ₃、喉部速度v₃、扩散段出口速度v₄、扩散角扩散段进口修正系数扩散段出口修正系数扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄等，其特征在于：导叶几何参数与泵设计工况点性能参数之间适合以下关系：

b₃＝b₂+4.539e×10^-5H²-0.00156H+0.01629

(2)

式中：

α₃-导叶进口安放角，度；

α₃′-导叶进口液流角，度；

ψ₃-排挤系数；

D₂-叶轮出口平均直径，米；

δ₃-导叶叶片厚度，米；

z-导叶叶片数；

b₃-导叶进口宽度(轴向宽度)，米；

b₂-叶轮出口宽度，米；

H-设计工况扬程，米；

n_s-斜流泵的比转速。

2.导叶后盖板进口圆角半径R_TSY的设计公式：

R_TSY＝R_DBY+K_TSYb₃(4)

式中：

R_TSY-导叶后盖板进口圆角半径，米；

R_DBY-导叶前盖板进口圆角半径，米；

K_TSY-导叶后盖板进口圆角半径系数。

3.根据权利(1)要求，导叶叶片数设计公式：

但确定导叶叶片数还应考虑到不要与叶轮叶片数相等或互为倍数，

式中：

a₃-导叶的喉部系数，米；

H-设计工况扬程，米；

Q-流量，米/秒；

g-重力加速度，米/秒²。

4.导叶基圆直径D₃、导叶出口直径D₄的设计公式：

5.根据权利(1)要求，导叶进口液流角α₃′、导叶进口圆周分速度υ_u3、导叶进口轴面速度υ_m3的设计公式：

6.根据权利(2)要求，导叶前盖板进口圆角半径R_DBY、导叶进口叶片宽度b₃′、导叶进口前盖板进口圆角半径系数M_DBY、导叶进口叶片宽度系数K_DBY的设计公式：

R_DBY＝M_DBYb′₃(13)

b′₃＝K_DBYb₃(14)

K_DBY＝11.41-26.36Q-0.6622H+13.99Q²+0.9491QH+0.0089H²(16)

式中：

R_DBY-导叶前盖板进口圆角半径，米；

b₃′-导叶进口叶片宽度，米；

M_DBY-导叶进口前盖板进口圆角半径系数；

K_DBY-导叶进口叶片宽度系数。

7.根据权利(3)要求，导叶叶片的厚度δ₃的设计公式：

8.喉部速度v₃和扩散段出口速度v₄设计公式：

9.扩散角设计公式：

式中：

-扩散段进口修正系数；

-扩散段出口修正系数。

10.扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄设计公式：