CN105626576A - 一种海水淡化高压增压泵的水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械领域，具体公开了一种海水淡化高压增压泵的水力设计方法，叶轮为对称式双吸结构，主要是解决其轴向力过大问题，并采用无过载的设计方案，基于速度系数法，设计一种可大大减小轴向力的海水淡化高压增压泵，主要设计参数包括：1.叶轮进口直径D₁，2.叶轮轮毂直径d_h，3.叶片进口安放角β₁，4.叶片出口安放角β₂，5.叶轮出口直径D₂，6.叶片出口宽度b₂，7.叶片数z，8.叶片包角φ等。可有效解决海水淡化高压增压泵进口高速旋转的扭曲叶片做功并产生很大的轴向力，对高压增压泵的泵壳强度、机封和轴承系统都有极大的破坏作用，严重影响海水淡化高压增压泵的安全运行的问题。

Description

一种海水淡化高压增压泵的水力设计方法

技术领域

本发明属于流体机械领域，具体涉及一种海水淡化高压增压泵的水力设计方法，主要解决其在正常运转工况下高压增压泵的轴向力过大问题。

背景技术

膜法海水淡化法是目前最主要的海水淡化方法之一，其具备耗能少，设备简单、效率、建造周期短等特点。其耗能少是因为饭渗透海水淡化系统具有重要的能量回收装置，由于在能量的交换过程中存在损失，经能量回收装置增压的源海水压力低于渗透压，而海水淡化高压增压泵的作用就是补充回收装置及管路的压力损失，使源海水达到RO膜所需要的渗透压，可见海水淡化高压增压泵是反渗透海水淡化系统的核心设备之一。增压泵具有耐海水腐蚀、入口高压等特点，其中高进口压力要求增压泵产品在设计时需要充分考虑泵壳的结构强度可靠性，及高压增压泵进口高速旋转的扭曲叶片产生的高动压产生很大的轴向力，对高压增压泵的泵壳强度、机封和轴承系统都有极大的破坏作用，严重影响了海水淡化高压增压泵的安全运行。而本发明主要是解决海水淡化高压增压泵的轴向力过大问题，并采用无过载的设计方案，基于速度系数法并综合力学的理论知识，设计一种可大大减小轴向力保护机封及轴承系统的高压增压泵，使其有着较高的效率和运行更加的稳定。

发明内容

本发明的目的基于海水淡化高压增压泵的设计要求(流量Q、扬程H、效率η和转速n)情况下，设计出一台有着较高效率且具备良好的轴向力平衡系统的海水淡化高压增压泵，本发明提供了一种可大大减小轴向力的海水淡化高压增压泵的水力设计方法。

实现上述目的，本发明的叶轮为对称式双吸结构，采用的设计方法如下：

1).对叶轮进出口直径及轮毂直径进行设计:

$n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q/2}}{H^{3/4}};$

$D_2=K_d\sqrt[3]{\frac{Q/2}{n}}=(0.0205{n_s}^{0.489}+97.8{n_s}^{-0.505})\·\sqrt[3]{\frac{Q/2}{n}}$

D₁＝0.041n_s ^0.535·D₂；

$d_h=\sqrt[3]{\frac{615\mathrm{\ρ}gQH}{n\·\mathrm{\η}\·\[\mathrm{\τ}\]}}$

2).对叶轮叶片进出口边宽度进行设计:

$b_2=0.1212{n_s}^{0.44}\·\sqrt[3]{\frac{\left(Q/2\right)}{n}};$

b₁＝(1.2～1.4)·b₂；

3).对叶轮叶片包角进行设计:

4).基于无过载理论对叶轮叶片出口安放角进行约束:

$S_t=\frac{Q}{K_{vt}\sqrt{2gh}}$

$\left\{\begin{array}{c}tan{\mathrm{\β}}_2=\frac{A\mathrm{\ω}Q/2}{H}\·\frac{1}{b_2{\mathrm{\ψ}}_2}\·\frac{1}{2\mathrm{\π}g}\\ \frac{b_2}{D_2}=0.00022{n_s}^{4/3}\\ 1.6\≤\frac{{\mathrm{\πD}}_2{b}_2{\mathrm{\ψ}}_2{\mathrm{sin\β}}_2}{S_t}\≤2.3\end{array}\right.$

5).根据泵的比转速选择合适的叶片数：

z＝4～6；

式中：

n_s—对称双吸式海水淡化高压增压泵的比转速；

D₂—泵叶轮出口直径，mm；

D₁—泵叶轮进口直径，mm；

d_h—泵叶轮轮毂直径，mm；

[τ]—材料许用切应力，Pa；

Q—泵设计流量，m³/h；

n—泵转速；

b₂—泵叶片出口边宽度，mm；

b₁—泵叶片进口边宽度，mm；

—叶轮叶片包角，ο；

S_t—泵体喉部面积，mm²；

ψ₂—叶片排挤系数，ψ₂＝0.84～0.92；

K_vt—速度系数，K_vt＝0.35～0.45；

β₂—叶片出口安放角，ο；

A—叶片出口边过流面积，mm；

z—叶轮叶片数；

K_d是修正系数；

ω是角速度。

6).根据叶轮出口直径确定泵的进口直径，通过研究大量优秀的双吸离心泵的水力模型发现，在某一比转速下进出口直径的比值存在最优区间，比值ε最优值和比转速存在指数关系ε＝0.041·n_s ^0.535，通过叶轮出口直径确定泵的进口直径。

7).该发明的海水淡化高压增压泵叶轮为对称式双吸结构，采用闭式叶轮结构，采用无过载的设计思想，给出基于叶片出口角β₂的无过载约束方程组，当比转速n_s≤130时，叶轮叶片进口安放角β₁取15°～26°，当比转速n_s＞130时，叶轮叶片进口安放角β₁取23°～36°，在设计流量时，叶片冲角Δβ采用正冲角，Δβ取5°～8°，

叶片进口边适当向吸入口前伸，随着泵比转速的增加，叶片数z趋向于取较小值。

本发明的有益效果为：

本发明有效的解决了海水淡化高压增压泵的轴向力过大的问题，提高了运行的安全稳定性。

附图说明

图1是本发明一个实施例的叶轮简图；a-轴面图，b-平面图；

图2是本发明一个实施例的平面投影简图；

图3是一个普通海水淡化高压增压泵组装部分简图；

附图标记说明：

1.普通海水淡化高压增压泵叶轮，2.泵盖，3.普通海水淡化高压增压泵泵体。

具体实施方式

下面将提供本发明方法的具体实施过程，对某国产万吨级海水淡化高压增压泵进行设计，其设计点流量Q为675m³/h,扬程H为47m，转速为1450r/min，入口压力为5.5MPa,设计步骤如下：

本发明的海水淡化高压增压泵叶轮为对称式双吸结构，叶轮结构设计参数根据所要求的海水淡化高压增压泵的扬程H、流量Q、转速n、效率η，由以下公式确定:

$n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q/2}}{H^{3/4}}=90.276;$

$D_2=(0.0205{n_s}^{0.489}+97.8{n_s}^{-0.505})\·\sqrt[3]{\frac{Q/2}{n}}\≈412mm;$

D₁＝0.041n_s ^0.535·D₂≈189mm；

$d_h=\sqrt[3]{\frac{615\mathrm{\ρ}gQH}{n\·\mathrm{\η}\·\[\mathrm{\τ}\]}}\≈42mm$

$b_2=0.1212{n_s}^{0.44}\·\sqrt[3]{\frac{\left(Q/2\right)}{n}}\≈34mm;$

b₁＝(1.2～1.4)·b₂≈42mm；

$\left\{\begin{array}{c}tan{\mathrm{\β}}_2=\frac{A\mathrm{\ω}Q/2}{H}\·\frac{1}{b_2{\mathrm{\ψ}}_2}\·\frac{1}{2\mathrm{\π}g}\\ \frac{b_2}{D_2}=0.00022{n_s}^{4/3}\\ 1.6\≤\frac{{\mathrm{\πD}}_2{b}_2{\mathrm{\ψ}}_2{\mathrm{sin\β}}_2}{S_t}\≤2.3\end{array}\right.$

$S_t=\frac{Q}{K_{vt}\sqrt{2gh}}$

z＝5；

该海水淡化高压增压泵叶轮为对称式双吸结构，采用闭式叶轮结构，采用无过载的设计思想，给出基于叶片出口角β₂的无过载约束方程组，叶轮叶片进口安放角β₁取22°，在设计流量时，叶片冲角Δβ采用正冲角，Δβ取8°，叶片进口边适当向吸入口前伸。

Claims (3)

1.一种海水淡化高压增压泵的水力设计方法，海水淡化高压增压泵叶轮为对称式双吸结构，其特征在于，根据设计要求所要求的扬程H,流量Q,效率η，转速n参数，对海水淡化高压增压泵的叶轮进口直径D₁，出口直径D₂，叶片进口宽度b₁,叶叶片出口宽度b₂，叶片包角叶片数z进行优化设计，主要由以下关系式确定：

$n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q/2}}{H^{3/4}};$

$D_2=K_d\sqrt[3]{\frac{Q/2}{n}}=\left(0.0205{n_s}^{0.489}+97.8{n_s}^{-0.505}\right)\·\sqrt[3]{\frac{Q/2}{n}};$

D₁＝0.041n_s ^0.535·D₂；

$d_h=\sqrt[3]{\frac{615\mathrm{\ρ}gQH}{n\·\mathrm{\η}\·\[\mathrm{\τ}\]}}$

$b_2=0.1212{n_s}^{0.44}\·\sqrt[3]{\frac{Q/2}{n}};$

b₁＝(1.2～1.4)·b₂；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{tan\β}}_2=\frac{A\mathrm{\ω}Q/2}{H}\·\frac{1}{b_2{\mathrm{\ψ}}_2}\·\frac{1}{2\mathrm{\π}g}\\ \frac{b_2}{D_2}=0.00022{n_s}^{4/3}\\ 1.6\≤\frac{{\mathrm{\πD}}_2{b}_2{\mathrm{\ψ}}_2{\mathrm{sin\β}}_2}{S_t}\≤2.3\end{array}\right.$

$S_t=\frac{Q}{K_{vt}\sqrt{2gh}}$

z＝4～6；

式中：

n_s—对称双吸式海水淡化高压增压泵的比转速；

D₂—泵叶轮出口直径，mm；

D₁—泵叶轮进口直径，mm；

Q—泵设计流量，m³/h；

n—泵转速；

d_h—泵叶轮轮毂直径，mm；

[τ]—材料许用切应力，Pa；

b₂—泵叶片出口边宽度，mm；

b₁—泵叶片进口边宽度，mm；

—叶轮叶片包角，°；

S_t—泵体喉部面积，mm²；

ψ₂—叶片排挤系数，ψ₂＝0.84～0.92；

K_vt—速度系数，K_vt＝0.35～0.45；

β₂—叶片出口安放角，°；

A—叶片出口边过流面积，mm；

z—叶轮叶片数；

K_d是修正系数；

ω是角速度。

2.根据权利要求1所述的一种海水淡化高压增压泵的水力设计方法，其特征在于：在某一比转速下进出口直径的比值存在最优区间，比值ε最优值和比转速存在指数关系ε＝0.041·n_s ^0.535，通过叶轮出口直径确定泵的进口直径。

3.根据权利要求1所述的一种海水淡化高压增压泵的水力设计方法，其特征在于：采用闭式叶轮结构，采用无过载的设计思想，基于叶片出口角β₂的无过载约束方程组，当比转速n_s≤130时，叶轮叶片进口安放角β₁取15°～26°，当比转速n_s＞130时，叶轮叶片进口安放角β₁取23°～36°，在设计流量时，叶片冲角Δβ采用正冲角，Δβ取5°～8°。