CN106089795A - 一种三工况平稳运行离心泵结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三工况平稳运行离心泵结构及其设计方法，将三个叶轮串联在一根泵轴上，每个叶轮对应一个出口，通过关闭三个出口下游阀门来调整所需扬程，当出口1打开，出口2、出口3关闭时，叶轮2、叶轮3处于关死点扬程，此时泵输出扬程为扬程H ₁；当出口2打开，出口1、出口3关闭时，此时相当于叶轮1、叶轮2串联工作，扬程为H ₁+H ₂；当出口3打开，出口1、出口2关闭时，此时相当于三个叶轮串联工作，扬程为H ₁+H ₂+H ₃。三个出口对应的蜗壳隔舌安放角在周向呈120°布置，以平衡整泵叶轮所受的径向力。本发明能满足泵在三种工况下运行且不出现效率大幅下降，机组运行平稳，同时大大减少了水泵的体积、占地面积、安装和制造成本。

Description

一种三工况平稳运行离心泵结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种流体机械结构设计方法，适用于离心泵，特指经常需要在三个工况下运行的离心泵结构设计方法。

背景技术

作为重要的能量转换装置，离心泵广泛应用于国民经济各个部门，是流体输送设备的心脏。由于实际工作需要，存在需要离心泵在三个工况下运行的情况。为了满足这种需要，目前主要从离心泵多工况水力设计方法和离心泵工况调节方法两方面进行研究。但长期以来，离心泵三工况运行的问题都没得到很好的解决。专利号为ZL201010520494.8公布了一种基于损失的离心泵多工况水力优化方法，该方法从水力设计本身出发，基于各种损失公式建立离心泵多工况水力优化模型，但该方法不但基于软件并且依赖试验，工作量较大，并且对相同流量、不同扬程下三个工况的离心泵设计并不适用。运用离心泵工况调节方法可以弥补该方法的范围，常用的离心泵工况调节方法有节流调节、变速调节、旁路调节和串、并联调节等。专利号为ZL200510027590.8公开了一种并列串联泵，实现了两台泵的串联运行，但该设计的两个蜗室在同一平面上，径向尺寸很大，两个蜗室产生的径向力相互促进，两个泵轴需要两台电机，这种做法占地面积大，使用费用较高。同时，由于离心泵蜗室的不对称，离心泵多工况水力设计方法以及离心泵工况调节方法均解决不了叶轮所受径向力不平衡问题，容易引起轴系的疲劳损坏。

经检索，关于三工况平稳运行离心泵结构设计方法没有相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三工况平稳运行离心泵结构及其设计方法，以使叶轮所受径向力平衡，降低轴系的疲劳损坏，提高使用寿命。

为了解决以上技术问题，本发明将三个叶轮串联在一根泵轴上，相邻两叶轮之间通过导叶相连，当出口下游管道阀门关闭时，流体经过导叶流入下级叶轮，当出口1打开，出口2、出口3关闭时，相当于单级泵运行；当出口2打开，出口1、出口3关闭时，相当于两级泵串联运行；当出口3打开，出口1、出口2关闭时，相当于三级叶轮串联运行。三个出口对应的蜗壳隔舌安放角在周向呈120°分布，以平衡整泵叶轮所受的径向力。具体技术方案如下：

一种三工况平稳运行离心泵结构设计方法，其特征在于：将三个叶轮串联在一根泵轴上，每个叶轮对应一个出口，通过关闭三个出口下游阀门来调整所需扬程；当出口1打开，出口2、出口3关闭时，叶轮2、叶轮3处于关死点扬程，此时泵输出扬程为扬程H₁；当出口2打开，出口1、出口3关闭时，此时相当于叶轮1、叶轮2串联工作，扬程为H₁+H₂；当出口3打开，出口1、出口2关闭时，此时相当于三个叶轮串联工作，扬程为H₁+H₂+H₃。

所述出口1、出口2、出口3在周向呈120°分布以平衡径向力。

所述叶轮1、叶轮2、叶轮3、两级叶轮间的导叶1、导叶2，以及叶轮3下游的蜗壳，根据模型换算进行设计；出口1、出口2对应的蜗壳没有相应的模型，应用面积比法进行设计。

所述模型换算的具体过程如下：

根据欲设计单级叶轮的流量Q、扬程H和转速n计算出单级泵比转速n_s，选择性能良好的水力模型，模型泵比转速应与设计泵比转速相等或相近，按设计泵和模型泵的参数：流量Q_M、扬程H_M、转速n_M；下标M代表模型泵的参数；

计算相应的尺寸系数λ，设计泵的各水力尺寸；所述各水力尺寸包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、轮毂直径、叶片出口安放角、导叶进口直径、导叶外径、导叶喉部高度；

按照D＝λD_M换算，分别由流量和扬程计算出的尺寸系数λ_Q和λ_H如下

${\mathrm{\λ}}_Q=\frac{D}{D_M}=\sqrt[3]{\frac{Q}{Q_M}\frac{n_M}{n}}$

${\mathrm{\λ}}_H=\frac{D}{D_M}=\frac{n_M}{n}\sqrt{\frac{H}{H_M}}$

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_Q+{\mathrm{\λ}}_H}{2}$

所述面积比具体为：

计算出口1和出口2对应叶轮的比转速n_s，根据国内泵面积比Y和比转速n_s统计曲线确定面积比Y的大小，Y为压水室喉部面积F₃和叶轮出口叶片间总面积F₂的比值；Y计算公式如下

查得Y数值后，F₃＝YF₂，叶轮出口叶片间总面积F₂通过叶轮外径D₂,、叶片出口宽度b₂、叶片出口安放角β₂计算出来，F₂＝0.95D₂πb₂sinβ₂；

蜗壳喉部面积F₃等于蜗壳第8断面面积，根据蜗壳第8断面面积根据等速度原理可以计算蜗壳其他断面的面积，从而得到蜗壳的水力图。

一种三工况平稳运行离心泵结构，包括进口、叶轮1、导叶1、出口1、叶轮2、导叶2、出口2、叶轮3、出口3、泵轴，其特征在于：

叶轮1、叶轮2、叶轮3串联在一根泵轴上，导叶1将叶轮1和叶轮2连接起来，导叶2将叶轮2和叶轮3连接起来，每个叶轮对应一个出口，三个出口法兰下游配备阀门进行控制；三个泵出口对应的三个蜗壳的隔舌安放角呈120°分布，以平衡整泵叶轮所受的径向力。

本发明的工作过程为：流体经泵进口进入叶轮1，当出口1打开，出口2、出口3关闭时，流体经出口1进入下游管路；当出口2打开，出口1、出口3关闭时，进入叶轮1的流体不能从出口1流出，通过导叶1进入叶轮2，然后从出口2进入下游管路；当出口3打开，出口1、2关闭时，进入叶轮2的流体不能从出口2流出，通过导叶2进入叶轮3，然后从出口3进入下游管路。

本发明的有益效果在于：本发明将三个叶轮串联在一根泵轴上，能有效减小整泵的占地面积，三个出口下游的阀门分别控制三个出口，通过阀门的开闭，保证流量不变的条件下调整所需扬程，不需要串联多台泵工作，减小了串联泵组工作的占地面积，节约成本，操作方便，拓宽了单台离心泵的应用范围，三个出口对应的蜗壳隔舌安放角在周向上呈120°分布，能抵消由于蜗室不对称产生的径向力，提高了整泵稳定性和安全性。

附图说明

图1：本发明整泵正视图；

图2：本发明整泵侧视图。

图中：1.进口、2.叶轮1、3.出口1、4.导叶1、5.叶轮2、6.出口2、7.导叶2、8.叶轮3、9.出口3、10.泵轴、11.隔舌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1和图2所示，叶轮1、叶轮2和叶轮3串联在一根泵轴上，导叶1将叶轮1和叶轮2连接起来，导叶2将叶轮2和叶轮3连接起来，每个叶轮对应一个出口，流体经泵进口进入叶轮1，当出口1打开，出口2、出口3关闭时，流体经出口1进入下游管路；当出口2打开，出口1、出口3关闭时，进入叶轮1的流体不能从出口1流出，通过导叶1进入叶轮2，然后从出口2进入下游管路；当出口3打开，出口1、出口2关闭时，进入叶轮2的流体不能从出口2流出，通过导叶2进入叶轮3，然后从出口3进入下游管路。三个出口对应的蜗壳隔舌安放角在周向上呈120°分布，能平衡整泵叶轮所受径向力。

以一台实型泵的设计为例，实型泵设计参数为：扬程H₁＝20m，H₂＝40m，H₃＝60m，流量Q＝25m³/h，转速n＝2900r/min。经过分析，第一级叶轮和导叶的设计参数为：扬程H＝20m；流量Q＝25m³/h，转速n＝2900r/min；比转速

参考《现代泵理论与设计》中编号为JM4的水力模型，该水力模型参数如下：流量Q_M＝46m³/h，扬程H_M＝30m，转速n_M＝2900r/min，n_sM＝93，D_jM＝80mm，d_hM＝45mm，D_2M＝164mm，b_2M＝12mm，叶轮出口安放角β_2M＝25°，导叶进口直径D_3M＝167mm，导叶外径D_4M＝243mm，导叶喉部高度a_3M＝27mm。

换算系数λ

${\mathrm{\λ}}_H=\frac{D}{D_M}=\frac{n_M}{n}\sqrt{\frac{H}{H_M}}=0.8165$

则要设计的实型泵各水力尺寸D＝λD_M。

实型泵尺寸为：叶轮进口直径D_j＝λD_jM＝0.8163×80≈65mm；

轮毂直径d_h＝λd_hM＝0.8163×45≈37mm；

叶轮出口直径D₂＝λD_2M＝0.8163×164≈134mm；

叶片出口宽度b₂＝λb_2M＝0.8163×12≈10mm；

叶片出口安放角β₂＝λβ_2M＝0.8163×25≈20°；

导叶进口直径D₃＝λD_3M＝0.8163×167≈136mm；

导叶外径D₄＝λD_4M＝0.8163×243≈198mm；

导叶喉部高度a₃＝λa_3M＝0.8163×27≈22mm；

蜗壳的设计方法如下：由叶轮设计可知，比转速n_s＝93，查泵手册，由国内泵比转速n_s与面积比Y统计曲线可知，Y的取值范围为0.15～0.38，考虑到泵的效率，选取Y＝0.25，

$Y=\frac{F_3}{F_2}=\frac{F_3}{0.95D_2{\mathrm{\πb}}_2{\mathrm{sin\β}}_2}=0.25$

由叶轮相关参数可以得到F₃＝341.78mm²，F₃与蜗壳第8断面面积F₈相等，其他各断面面积按下式计算：

式中为断面包角(°)

蜗壳各断面面积见表1：

表1模型泵第一级蜗壳断面面积

根据各断面面积可以确定蜗壳尺寸。

用相同的计算方法可以得到另外两级叶轮、导叶和蜗壳的水力参数。

Claims (6)

1.一种三工况平稳运行离心泵结构设计方法，其特征在于：将三个叶轮串联在一根泵轴上，每个叶轮对应一个出口，通过关闭三个出口下游阀门来调整所需扬程；当出口1打开，出口2、出口3关闭时，叶轮2、叶轮3处于关死点扬程，此时泵输出扬程为扬程H₁；当出口2打开，出口1、出口3关闭时，此时相当于叶轮1、叶轮2串联工作，扬程为H₁+H₂；当出口3打开，出口1、出口2关闭时，此时相当于三个叶轮串联工作，扬程为H₁+H₂+H₃。

2.根据权利要求1所述的一种三工况平稳运行离心泵结构设计方法，其特征在于：所述出口1、出口2、出口3在周向呈120°分布以平衡径向力。

3.根据权利要求1所述的一种三工况平稳运行离心泵结构设计方法，其特征在于：所述叶轮1、叶轮2、叶轮3、两级叶轮间的导叶1、导叶2，以及叶轮3下游的蜗壳，根据模型换算进行设计；出口1、出口2对应的蜗壳没有相应的模型，应用面积比法进行设计。

4.根据权利要求3所述的一种三工况平稳运行离心泵结构设计方法，其特征在于所述模型换算的具体过程如下：

根据欲设计单级叶轮的流量Q、扬程H和转速n计算出单级泵比转速n_s，选择性能良好的水力模型，模型泵比转速应与设计泵比转速相等或相近，按设计泵和模型泵的参数：流量Q_M、扬程H_M、转速n_M；下标M代表模型泵的参数；

计算相应的尺寸系数λ，设计泵的各水力尺寸；所述各水力尺寸包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、轮毂直径、叶片出口安放角、导叶进口直径、导叶外径、导叶喉部高度；

按照D＝λD_M换算，分别由流量和扬程计算出的尺寸系数λ_Q和λ_H如下

${\mathrm{\λ}}_Q=\frac{D}{D_M}=\sqrt[3]{\frac{Q}{Q_M}\frac{n_M}{n}}$

${\mathrm{\λ}}_H=\frac{D}{D_M}=\frac{n_M}{n}\sqrt{\frac{H}{H_M}}$

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_Q+{\mathrm{\λ}}_H}{2}$

5.根据权利要求3所述的一种三工况平稳运行离心泵结构设计方法，其特征在于所述面积比具体为：

计算出口1和出口2对应叶轮的比转速n_s，根据国内泵面积比Y和比转速n_s统计曲线确定面积比Y的大小，Y为压水室喉部面积F₃和叶轮出口叶片间总面积F₂的比值；Y计算公式如下

查得Y数值后，F₃＝YF₂，叶轮出口叶片间总面积F₂通过叶轮外径D₂,、叶片出口宽度b₂、叶片出口安放角β₂计算出来，F₂＝0.95D₂πb₂sinβ₂；

蜗壳喉部面积F₃等于蜗壳第8断面面积，根据蜗壳第8断面面积根据等速度原理可以计算蜗壳其他断面的面积，从而得到蜗壳的水力图。

6.根据权利要求1所述的一种三工况平稳运行离心泵结构设计方法设计的离心泵结构，包括进口、叶轮1、导叶1、出口1、叶轮2、导叶2、出口2、叶轮3、出口3、泵轴，其特征在于：

叶轮1、叶轮2、叶轮3串联在一根泵轴上，导叶1将叶轮1和叶轮2连接起来，导叶2将叶轮2和叶轮3连接起来，每个叶轮对应一个出口，三个出口法兰下游配备阀门进行控制；

三个泵出口对应的三个蜗壳的隔舌安放角呈120°分布，以平衡整泵叶轮所受的径向力。