CN105756991A - 一种双吸多流道叶轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双吸多流道叶轮及其设计方法，特别涉及一种离心式双吸多流道叶轮水力设计方法。本发明通过公式确定了内叶轮进口直径D_j1、外叶轮进口直径D_j2、内叶轮叶片长度L₁、外叶轮叶片长度L₂、内叶轮进口叶片偏角θ₁₁、外叶轮进口叶片偏角θ₂₁、内叶轮出口叶片偏角θ₁₂、外叶轮出口叶片偏角θ₂₂、叶轮进口边曲率ρ₁、叶轮出口边曲率ρ₂等叶轮的重要设计参数。经生产实践检验，本发明极大地提高了双吸多流道泵的设计效率和设计水准，降低了设计成本和风险，根据本发明设计生产的双吸多流道泵具有良好的使用性能和较高的经济效益。

Description

一种双吸多流道叶轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种双吸多流道叶轮及其设计方法，特别涉及一种离心式双吸多流道叶轮水力设计方法。

背景技术

离心泵是流体机械中重要的泵类产品，具有压力和流量稳定、重量轻、结构紧凑、操作方便可靠和维护费用低的优点。低比转数离心泵由于其独特的优点，现已被广泛用各个行业与领域。

双吸多流道叶轮泵属于离心泵的范围，因其具有扬程高、流量大的特点，被广泛应用于实际生产和工程中。叶轮作为水泵的核心部件，对泵的许多性能参数起决定作用。现有的双吸多流道叶轮离心泵存在振动较大，导流性能差液流出流冲击不均匀，流动性不好的现象，不能很好实现输送介质的目的。

针对上述存在的不足，本发明人发明了“一种双吸多流道叶轮及设计方法”，不仅给出了双吸多流道叶轮泵叶轮参数系统的、精确的设计方法，还解决了双吸多流道叶轮泵振动大、流动性差的问题，增强了双吸多流道叶轮泵的可靠性，提高了双吸多流道叶轮泵的水力效率，延长了泵的使用寿命。

发明内容

本发明提供了一种双吸多流道叶轮及设计方法，通过改善叶轮的几个重要参数的设计方法，提高了双吸多流道叶轮泵的效率和可靠性。使设计的离心泵的叶轮振动变小，导流性能较好，输送介质的能力较好。实现上述目的所采用的技术方案是双吸多流道叶轮由两个外叶轮和两个个内叶轮组成，外叶轮为开式叶轮，内叶轮为闭式叶轮，外叶轮和内叶轮之间通过盖板连接，叶轮主要设计参数满足以下要求：

1.内叶轮进口直径D_j1，其计算公式如下：

$D_{j1}=\sqrt{{K_1}^2{\left(\sqrt[3]{-6339+5.503Q+7.605n-0.0009Q^2+0.00184Qn-0.001155n^2}\right)}^2+{\left(\sqrt[3]{5Mn/\[\mathrm{\τ}\]}\right)}^2}$

式中：

D_j1—内叶轮进口直径，米；

Mn—轴扭矩，牛顿·米；

Q—设计工况的流量，米³/秒；

[τ]—材料的许用切应力，帕；

n—转速，转/分；

K₁—内叶轮速度系数；

2.内叶轮速度系数K₁，其计算公式如下：

(1)主要考虑效率

K₁＝3.341+0.1471cos(0.002476n_s)+0.8243sin(0.002476n_s)

(2)兼顾效率和汽蚀

K₁＝0.001659n_s+3.976

(3)主要考虑汽蚀

$K_1=4.458e^{0.0006424n_s}$

式中：

K₁—内叶轮速度系数；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

3.外叶轮进口直径D_j2，其计算公式如下：

$D_{j2}=\sqrt{{K_2}^2{\left(\sqrt[3]{-2114+1.83Q+2.53n-0.0003Q^2+0.0006Qn-0.0004n^2}\right)}^2+{\left(\sqrt[3]{5Mn/\[\mathrm{\τ}\]}\right)}^2}$

式中：

D_j2—外叶轮进口直径，米；

Mn—轴扭矩，牛顿·米；

Q—设计工况的流量，米³/秒；

[τ]—材料的许用切应力，帕；

n—转速，转/分；

K₂—外叶轮速度系数；

4.外叶轮速度系数K₂，其计算公式如下：

(1)主要考虑效率

K₂＝4.818+0.2121cos(0.002476n_s)+1.189sin(0.002476n_s)

(2)兼顾效率和汽蚀

K₂＝0.002393n_s+5.735

(3)主要考虑汽蚀

$K_2=6.429e^{0.0006424n_s}$

式中：

K₂—内叶轮速度系数；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

5.内叶轮叶片长度L₁，设计公式如下：

式中：

L₁—内叶轮叶片长度，米；

K_D2—叶轮出口直径修正系数，K_D2＝1.022～1.175；

K_Dj—叶轮进口直径修正系数，K_Dj＝0.7～1.0；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

D_j1—内叶轮进口直径，米；

Q—设计工况的流量，米³/秒；

n—转速，转/分；

6.外叶轮叶片长度L₂，设计公式如下：

$L_2=\frac{0.9963n_s+96.02}{n_s+95.76}(K_{D2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}-K_{Dj}{D}_{j2})$

式中：

L₂—外叶轮叶片长度，米；

K_D2—叶轮出口直径修正系数，K_D2＝1.022～1.175；

K_Dj—叶轮进口直径修正系数，K_Dj＝0.7～1.0；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

D_j2—外叶轮进口直径，米；

Q—设计工况的流量，米³/秒；

n—转速，转/分；

7.内叶轮进口叶片偏角θ₁₁，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，如图2a，

θ₁₁＝90°

(2)当80<n_s<150时，如图2b，

${\mathrm{\&theta;}}_{11}=\frac{507.06}{\mathrm{\&pi;}}sin(0.00159n_s+0.4648)$

(3)当150<n_s<300时，如图2c，

${\mathrm{\&theta;}}_{11}=\frac{111.618}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{0.2137}$

式中：

θ₁₁—内叶轮进口叶片偏角，度；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

8.外叶轮进口叶片偏角θ₂₁，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，如图3a，

θ₂₁＝90°

(2)当80<n_s<150时，如图3b，

${\mathrm{\&theta;}}_{21}=\frac{239.04}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{0.002108}$

(3)当150<n_s<300时，如图3c，

${\mathrm{\&theta;}}_{21}=\frac{1251.72}{\mathrm{\&pi;}}sin(0.0002863n_s+0.22)$

式中：

θ₂₁—外叶轮进口叶片偏角，度；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

9.内叶轮出口叶片偏角θ₁₂，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，如图2a，

θ₁₂＝90°

(2)当80<n_s<150时，如图2b，

${\mathrm{\&theta;}}_{12}=\frac{2091.6}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{-0.4231}$

(3)当150<n_s<300时，如图2c，

${\mathrm{\&theta;}}_{12}=\frac{345.6}{\mathrm{\&pi;}}{e}^{-{\left(\frac{n_s+239.9}{692.5}\right)}^2}$

式中：

θ₁₂—内叶轮出口叶片偏角，度；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

10.外叶轮出口叶片偏角θ₂₂，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，如图3a，

θ₂₂＝90°

(2)当80<n_s<150时，如图3b，

${\mathrm{\&theta;}}_{22}=\frac{109620}{\mathrm{\&pi;}(n_s+285.2)}$

(3)当150<n_s<300时，如图3c，

${\mathrm{\&theta;}}_{22}=\frac{2059.2}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{-0.4204}$

式中：

θ₂₂—外叶轮出口叶片偏角，度；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

11.叶轮进口边曲率ρ₁，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，如图2a，

ρ₁＝0

(2)当80<n_s<150时，如图2b，

ρ₁＝0.01505n_s ^-0.3789

(3)当150<n_s<300时，如图2c，

${\mathrm{\&rho;}}_1=0.003651e^{-0.002699n_s}$

式中：

ρ₁—叶轮进口边曲率；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

12.叶轮出口边曲率ρ₂，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，如图3a，

ρ₂＝0

(2)当80<n_s<150时，如图3b，

${\mathrm{\&rho;}}_2=\frac{-0.002932n_s+2.245}{n_s+579.8}$

(3)当150<n_s<300时，如图3c，

ρ₂＝0.002046-0.0005694cos(0.0208n_s)+0.0002669sin(0.0208n_s)

式中：

ρ₂—叶轮出口边曲率；

n_s—比转数， $n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}};$

H—设计工况的扬程，米；

本发明的有益效果是：

提供了一种双吸多流道叶轮及设计方法，改善了双吸多流道叶轮泵内部的流动状态，减少了振动，提高了导流性能，大大提高了泵的效率。

附图说明

图1是本发明叶轮的轴面剖视图。

图2是本发明叶轮进口叶片偏角视图。

图3是本发明叶轮出口叶片偏角视图。

附图标记说明：

图1中：1—内叶轮进口直径；2—外叶轮进口直径；3—叶轮出口直径；4—外叶轮出口宽度；5—内叶轮出口宽度。

图2中：n_s—比转数；θ₁₁—内叶轮进口叶片偏角；θ₁₂—内叶轮出口叶片偏角；ρ₁—叶轮进口边曲率。

图3中：n_s—比转数；θ₂₁—外叶轮进口叶片偏角；θ₂₂—外叶轮出口叶片偏角；ρ₂—叶轮出口边曲率。

具体实施方式

图1确定了这个实施例的双吸多流道叶轮几何形状和尺寸。本发明通过以下几个关系式来确定了双吸多流道内叶轮进口直径D_j1、外叶轮进口直径D_j2、内叶轮叶片长度L₁、外叶轮叶片长度L₂、内叶轮进口叶片偏角θ₁₁、外叶轮进口叶片偏角θ₂₁、内叶轮出口叶片偏角θ₁₂、外叶轮出口叶片偏角θ₂₂、叶轮进口边曲率ρ₁、叶轮出口边曲率ρ₂等叶轮的重要设计参数。

$D_{j1}=\sqrt{{K_1}^2{\left(\sqrt[3]{-6339+5.503Q+7.605n-0.0009Q^2+0.00184Qn-0.001155n^2}\right)}^2+{\left(\sqrt[3]{5Mn/\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;}\right)}^2}$

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

K₁＝0.001659n_s+3.976

$D_{j2}=\sqrt{{K_2}^2{\left(\sqrt[3]{-2114+1.83Q+2.53n-0.0003Q^2+0.0006Qn-0.0004n^2}\right)}^2+{\left(\sqrt[3]{5Mn/\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;}\right)}^2}$

K₂＝0.002393n_s+5.735

$L_2=\frac{0.9963n_s+96.02}{n_s+95.76}(K_{D2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}-K_{Dj}{D}_{j2})$

${\mathrm{\&theta;}}_{11}=\frac{507.06}{\mathrm{\&pi;}}sin(0.00159n_s+0.4648)$

${\mathrm{\&theta;}}_{21}=\frac{239.04}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{0.002108}$

${\mathrm{\&theta;}}_{12}=\frac{2091.6}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{-0.4231}$

${\mathrm{\&theta;}}_{22}=\frac{109620}{\mathrm{\&pi;}(n_s+285.2)}$

ρ₁＝0.01505n_s ^-0.3789

${\mathrm{\&rho;}}_2=\frac{-0.002932n_s+2.245}{n_s+579.8}$

$R=0.04098e^{-{\left(\frac{n_s-296.1}{442.5}\right)}^2}\sqrt[3]{\frac{66Q}{5n}}$

本发明普遍适用于一种双吸多流道叶轮设计方法，设计公式全面、充分地考虑了离心泵内的流动特性，独创地提出了一种双吸多流道叶轮及设计方法。

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 (9)

1.一种双吸多流道叶轮，其特征在于，所述双吸多流道叶轮由两个外叶轮和两个个内叶轮组成，外叶轮为开式叶轮，内叶轮为闭式叶轮，外叶轮和内叶轮之间通过盖板连接。

2.根据权利要求1所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，所述双吸多流道叶轮的内叶轮进口直径D_j1、外叶轮进口直径D_j2，由以下公式获得：

$D_{j1}=\sqrt{{K_1}^2{\left(\sqrt[3]{-3669+5.503Q+7.605n-0.00091Q^2+0.00184Qn-0.001155n^2}\right)}^2+{\left(\sqrt[3]{5Mn/\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;}\right)}^2}$

$D_{j2}=\sqrt{{K_2}^2{\left(\sqrt[3]{-2114+1.83Q+2.53n-0.0003Q^2+0.0006Qn-0.0004n^2}\right)}^2+{\left(\sqrt[3]{5Mn/\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;}\right)}^2}$

式中：

D_j1—内叶轮进口直径，米；

D_j2—外叶轮进口直径，米；

Mn—轴扭矩，牛顿·米；

Q—设计工况的流量，米³/秒；

[τ]—材料的许用切应力，帕；

n—转速，转/分；

K₁—内叶轮速度系数；

K₂—外叶轮速度系数。

3.根据权利要求1所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，所述双吸多流道叶轮的内叶轮叶片长度L₁，外叶轮叶片长度L₂，设计公式如下：

$L_2=\frac{0.9963n_s+96.02}{n_s+95.76}(K_{D2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}-K_{Dj}{D}_{j2})$

式中：

L₁—内叶轮叶片长度，米；

L₂—外叶轮叶片长度，米；

n_S—比转速；

K_D2—叶轮出口直径修正系数，K_D2＝1.022～1.175；

K_Dj—叶轮进口直径修正系数，K_Dj＝0.7～1.0。

4.根据权利要求1所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，所述双吸多流道叶轮的内叶轮进口叶片偏角θ₁₁，外叶轮进口叶片偏角θ₂₁，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，

θ₁₁＝90°；θ₂₁＝90°；

(2)当80<n_s<150时，

${\mathrm{\&theta;}}_{11}=\frac{507.06}{\mathrm{\&pi;}}sin(0.00159n_s+0.4648);$

${\mathrm{\&theta;}}_{21}=\frac{239.04}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{0.002108};$

(3)当150<n_s<300时，

${\mathrm{\&theta;}}_{11}=\frac{111.618}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{0.2137};$

${\mathrm{\&theta;}}_{21}=\frac{1251.72}{\mathrm{\&pi;}}sin,(0.0002863n_s+0.22);$

式中：

θ₁₁—内叶轮进口叶片偏角，度；

θ₂₁—外叶轮进口叶片偏角，度；

n_s—比转数。

5.根据权利要求1所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，所述双吸多流道叶轮的内叶轮出口叶片偏角θ₁₂，外叶轮出口叶片偏角θ₂₂，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，

θ₁₂＝90°；θ₂₂＝90°；

(2)当80<n_s<150时，

${\mathrm{\&theta;}}_{12}=\frac{2091.6}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{-0.4231};$

${\mathrm{\&theta;}}_{22}=\frac{109620}{\mathrm{\&pi;}(n_s+285.2)};$

(3)当150<n_s<300时，

${\mathrm{\&theta;}}_{12}=\frac{345.6}{\mathrm{\&pi;}}{e}^{-{\left(\frac{n_s+239.9}{692.5}\right)}^2};$

${\mathrm{\&theta;}}_{22}=\frac{2059.2}{\mathrm{\&pi;}}{n_s}^{-0.4204};$

式中：

n_s—比转数；

θ₁₂—内叶轮出口叶片偏角，度；

θ₂₂—外叶轮出口叶片偏角，度。

6.根据权利要求1所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，所述双吸多流道叶轮的叶轮进口边曲率ρ₁，叶轮出口边曲率ρ₂，设计公式如下：

(1)当10<n_s<80时，

ρ₁＝0；ρ₂＝0；

(2)当80<n_s<150时，

ρ₁＝0.01505n_s ^-0.3789；

${\mathrm{\&rho;}}_2=\frac{-0.002932n_s+2.245}{n_s+579.8};$

(3)当150<n_s<300时，

${\mathrm{\&rho;}}_1=0.003651e^{-0.002699n_s};$

ρ₂＝0.002046-0.0005694cos(0.0208n_s)+0.0002669sin(0.0208n_s)；

式中：

n_s—比转数；

ρ₁—叶轮进口边曲率；

ρ₂—叶轮出口边曲率。

7.根据权利要求1所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，所述双吸多流道叶轮的内叶轮速度系数K₁，其计算公式如下：

(1)主要考虑效率

K₁＝3.341+0.1471cos(0.002476n_s)+0.8243sin(0.002476n_s)

(2)兼顾效率和汽蚀

K₁＝0.001659n_s+3.976

(3)主要考虑汽蚀

$K_1=4.458e^{0.0006424n_s}$

式中：

n_s—比转数；

K₁—内叶轮速度系数。

8.根据权利要求1所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，所述双吸多流道叶轮的外叶轮速度系数K₂，其计算公式如下：

(1)主要考虑效率

K₂＝4.818+0.2121cos(0.002476n_s)+1.189sin(0.002476n_s)

(2)兼顾效率和汽蚀

K₂＝0.002393n_s+5.735

(3)主要考虑汽蚀

$K_2=6.429e^{0.0006424n_s}$

式中：

n_s—比转数；

K₂—外叶轮速度系数。

9.根据权利要求3-8任意一项权利要求所述的一种双吸多流道叶轮的设计方法，其特征在于，n_S为比转速，其中，Q为设计工况的流量，H为设计工况的扬程。