CN106837856A - 高效耐磨挖泥泵三叶片叶轮设计方法及叶轮 - Google Patents

Abstract

一种高效耐磨挖泥泵三叶片叶轮设计方法及叶轮，属于泥泵水力设计技术领域，本发明参考渣浆泵的设计方法，利用几个关系式来确定该挖泥泵叶轮结构的主要几何参数，主要包括：进口直径D_j，叶轮外径D₂，叶片出口宽度b₂，叶片包角进口安放角β₁，出口安放角β₂。本发明结合势流理论和二次流最小理论，将挖泥泵叶轮叶片设计成扭曲型叶片，新的挖泥泵水力元件能够解决叶轮流道通过粒径小、易阻塞、易磨损等问题，并减小了水力损失，提高了泥泵效率。

Description

高效耐磨挖泥泵三叶片叶轮设计方法及叶轮

技术领域

本发明属于泵设计技术领域，涉及一种泥浆泵叶轮水力设计方法，特别涉及一种扭曲三叶片泥浆泵叶轮的水力设计方法，主要是一种既有较大通过能力、耐磨损又能保证流量和效率的水力设计方法。

背景技术

泥泵是挖泥船的关键设备，它的施工效率不仅与其清水效率有关，也与输送土质特性息息相关，而泥泵的疏浚物中往往可能包含了大块的砾石、粘土球乃至岩石块，也可能存在各种废弃物。针对特殊土质时，泥泵关键部件不仅要求其水力损失小，而且流道应顺应其运行轨迹，减少磨损冲击。

一般的挖泥船泥泵叶轮前后盖板线为直线及小弧线，叶片为四叶片或是五叶片的圆弧柱形，致使泥浆在叶轮中的运动速度变化不均，流动紊乱，泥浆中的大颗粒石块对泥泵流道产生较大的冲击，加剧了泥泵过流部件的磨损，且容易堵塞流道。泥泵的通过能力小、效率低、易磨损是制约疏浚施工的重要问题。当前挖泥泵叶轮的设计方法没有充分考虑这种问题，而且经验参数多，取值随意性大，致使设计一个通过能力强、耐磨蚀、效率高的泵非常困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有挖泥泵叶轮易阻塞、易磨损以及效率低等问题，且经验参数多，取值随意性大，过程繁冗的缺点，提供一种简单可行的高效耐磨三叶片叶轮的设计方法。本设计尽量规避了传统二元与一元设计方法中经验参数、理想参数等中间变量较多的缺陷，针对三叶片泥泵叶轮，优化了设计步骤，缩减了大量中间参数，提出一种设计者仅通过少量的经验参数即可生成带有三维扭曲叶片的叶轮，并具有通过能力强、耐磨损、效率高的优势，并良好适用于疏浚行业中泥沙浆体的抽吸、输送工程。本设计方法设计速度较快，精度较高。

本发明所采用的技术方案是：

1根据设计流量Q、设计扬程H、设计转速n、泥浆泵经验系数等参数，按公式(1)-(5)初步确定进口直径D_j，出口直径D₂，叶片出口厚度b₂，叶片进口安装角β₁，出口安装角β₂等叶轮的主要参数(见图2)。

D_j按下式计算：

式中Q为流量，单位为m³/h；n为转速，单位为rpm；K为经验系数，η为参考效率，下标v表示容积。ψ为排挤系数，下标为1(进口边位置)，2(出口边位置)，下同。

D₂按下式计算：

式中n_s为比转速。

b₂按下式计算：

或式中H为设计杨程，单位为m。

β₁按下式计算：

式中r为当地半径高度，单位为m；F为过水断面面积，单位为m²，其中

F＝2πR_cl (5)

Rc为前后盖板流线的内切圆重心半径，单位为m；l为过水断面形成线AEB的长度，单位为m，见图2。

β₂按下式计算：

2按势流理论确定沿叶高方向的中间流面，实现划分沿叶高方向的中间流面：在中轴面进出口处，采用过水断面均分法(即一元流动理论)，在确定内部等势线上的流面划分点时，根据公式(6)(即二元流动理论)多次差值矫正后得到势流理论流面。

式中s为流线方向，可近似为叶高方向；σ为相邻轴面流线件等势线长度，单位为m。

3根据速度三角形理论确定流道中的流动角度的适用范围，并按公式(7)核实步骤1中的初始叶片角是否满足设计需求，并根据以下渣浆泵公式(8)、(9)反复迭代并修正设计参数。

叶片角核实公式：

式中V为流道内泥浆的参考速度，速度为m/s，下标为u(周向)，m(法向)。

修正参数公式:

式中y为修正系数。

4根据修正后的叶片进、出口安装角，按均匀加载或后加载的原则，在各流面上绘制叶片单调骨线，并根据强度要求的叶片厚度生成叶片造型线。

式中θ为极角，单位为度；为包角，单位为度；k为随包角变化的参数，其满足关系式：

5结合多个叶高流面上的二维叶片造型线构成三维扭曲叶片。在参考的进出口排挤系数的同时，根据泥浆的物性，将曲面包角变换的流道内流动进行数值模拟，将模拟结果生成中间变量，使用二次流动最小理论(即总压力增加均匀分布，能量梯度G_E最小)为导向，以公式(13)确定叶片延叶高方向的最优安装位置。

式中P为当地静压力，压力为pa；N为流线法向方向长度，单位为m，可近似为叶高方向；V为当前速度标量大小，单位为m/s。

一种叶轮，包括前盖、后盖和叶片组，它们相互之间的关系和各自功能已为公知，本发明创新在于，所述叶片组的构成叶片数为三个，每个叶片呈三维扭曲，叶片间呈周向均匀分布，叶片与叶片之间夹角为120度，叶片进口边在同一个半径线上，叶片厚度从进口到出口均匀加厚，叶片厚度取值为50～120mm，叶片包角取值100°～170°。

附图说明

图1是设计流程示意图。

图2是叶轮轴截面视图、入口前视图及主要参数的示意图。

图3为具体实施例。

具体实施方式

本发明通过以下几个公式来确定1叶片进口直径D_j、2叶轮外径D₂、3叶片出口宽度b₂、4叶片进口安放角β₁、5出口安放角β₂、6包角7叶片厚度δ。

该实例如图3所示，是在给定设计流量12000m^3/h、设计扬程40m、设计转速330rpm、叶片数为3的前提下，根据经验确定叶片厚度为80mm，计算叶轮参数：

a.计算进口直径

b.计算叶轮外径

C.计算叶片出口宽度

d.计算叶片进出口安放角

e.修正叶轮外径、进出口安放角

f.已知r_1a＝428mm，r_1b＝225mm，确定叶片包角和k值，生成前后盖板的叶片型线，并均匀加厚80mm

g.优化叶片

经上述计算得到最终三维扭曲叶片，如图3所示，其中叶片数为3，叶片与叶片之间成120度，进口边位置r_1a＝428mm，r_1b＝225mm，叶片进口直径D_j为850mm、叶轮外径D₂为1720mm、叶片出口宽度b₂为360mm、叶片进口安放角β₁为35度、叶片出口安放角β₂为18度、包角为164度、叶片均匀加厚的厚度δ为80mm。经生产实践检验，根据本发明设计的叶轮增强了疏浚物的输送能力，降低了泥泵的磨损，在保证流量的情况下极大地提高了挖泥泵的水力效率，具有较高的经济效益。

以上为本发明专利的具体说明，但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 (2)

1.一种高效耐磨挖泥泵三叶片叶轮设计方法，其特征在于以下步骤：

步骤1：根据设计流量Q、设计扬程H、设计转速n、泥浆泵经验系数等参数初定泥泵叶轮的主要参数。其利用的关系式为：

${\left(\frac{\mathrm{\π}}{60}\right)}^2{K}_1^2{n}^2-\frac{32K_2^2{Q}^2}{{\mathrm{\ψ}}_1^2{\mathrm{\η}}_v^2{\mathrm{\π}}^2{D}_j^6}=0---\left(1\right)$

$D_2=9.35{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{0.5}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(2\right)$

或

${\mathrm{\β}}_1=\arctan \[\frac{Q}{F_1(1-\frac{0.21}{2{\mathrm{\πr}}_1})}\]---\left(4\right)$

步骤2：按势流理论、网格插值迭代法确定沿叶高方向的中间流面，其利用的公式为：

$\frac{r\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\Δ}s}=const---\left(6\right)$

步骤3：校核并修正叶轮主要参数，其利用的关系式为：

$\frac{{\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1}{S}\≈\frac{\frac{\mathrm{\π}rn}{30}-V_{u2}}{V_{m1}r}---\left(7\right)$

$D_2=\frac{60}{\mathrm{\π}n}{U}_2=\frac{60}{\mathrm{\π}n}\[\frac{V_{m2}}{2{\mathrm{tan\β}}_2}+\sqrt{{\left(\frac{V_{m2}}{2{\mathrm{tan\β}}_2}\right)}^2+{\mathrm{gH}}_{t\mathrm{\∞}}}\]---\left(8\right)$

$D_2=\frac{60}{n\mathrm{\π}}\[\frac{V_{m2}}{2y{\mathrm{tan\β}}_2}+\sqrt{{\left(\frac{V_{m2}}{2y{\mathrm{tan\β}}_2}\right)}^2+\frac{g\frac{H}{{\mathrm{\η}}_h}}{y}}\]---\left(9\right)$

步骤4：根据修正后的参数在在各流面上绘制叶片单调骨线，其利用公式为：

$r=r_1{e}^{\mathrm{\θ}\left\{\frac{{\mathrm{tan\β}}_2-{\mathrm{tan\β}}_1}{k+1}\·{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Φ}}\right)}^k+{\mathrm{tan\β}}_1\right\}}---\left(10\right)$

$k=\frac{({\mathrm{tan\β}}_2-{\mathrm{tan\β}}_1)\mathrm{\Φ}}{ln(r_2/r_1)-{\mathrm{\Φtan\β}}_1}-1---\left(11\right)$

$\frac{ln(r_2/r_1)}{{\mathrm{tan\&beta;}}_2}<\mathrm{\&Phi;}<\frac{ln(r_2/r_1)}{{\mathrm{tan\&beta;}}_1}---\left(12\right)$

步骤5：根据二次流动最小理论，延叶高方向生成三维扭曲叶片。

其利用公式为：

$G_E=\frac{\&part;P}{\&part;N}+\mathrm{\&rho;}V\frac{\&part;V}{\&part;n}---\left(13\right)$

2.一种由权利要求1方法设计获得的叶轮，包括前盖、后盖和叶片，其特征在于：叶片数为三个，每个叶片呈三维扭曲，叶片间呈周向均匀分布，叶片与叶片之间夹角为120度，叶片进口边在同一个半径线上，叶片厚度从进口到出口均匀加厚，叶片厚度取值为50～120mm，叶片包角取值100°～170°。