CN106971019A - 一种高比转速轴流泵导叶水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高比转速轴流泵导叶水力设计方法，提供导叶的主要几何参数，包括轴流泵导叶的扩散角θ，导叶进口内径D₃,导叶进口外径D₄，导叶进口边与叶轮出口边之间的距离s，导叶轮毂侧的轴向高度H_d,导叶叶片数Z_g，导叶进口安放角α₃，导叶叶珊稠密度l/t，导叶进口轴面速度υ_m3，导叶型线半径R_g参数的设计公式。针对实际工况点结合设计工况，优化了设计参数，提高了轴流泵叶轮出口水流的利用率和水力效率，延长泵的使用寿命和维修周期，最重要的是有助于计算机编程应用和计算机辅助设计，为设计节省大量时间。

Description

一种高比转速轴流泵导叶水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种轴流泵导叶的的设计方法,特别针对于一种高比转速轴流泵导叶水力设计方法。

背景技术

轴流泵是一种叶片泵，它靠旋转叶轮的叶片对液体产生的作用力使液体沿轴线方向进行输送。轴流泵是动力式泵中比转速最高的一种，比转数在500～1600,本发明涉及的高比转速轴流泵比转速一般大于800，主要适用于超大流量的场合，如灌溉、排涝、船坞排水、运河船闸的水位调节，或用作电厂大型循环水泵。

液体自轴流泵叶轮流出后，就流入导叶及扩散管。导叶的作用是消除液流的速度环量，将液流的圆周速度的动能转化为压能。为了减少泵的轴向长度，常将导叶与扩散管合为一体，称为导叶体。当确定导叶的主要结构参数时，应与叶轮室和出水管的结构统一考虑。目前导叶水力设计方法没有给出系统的设计方法，而且更多是针对较低比转速轴流泵的水力设计，在很大程度上仍要依赖于经验公式，往往可操作性不强，过度依赖工程技术人员的经验。因此很难满足高比转速轴流泵的要求，而且很难做到计算机编程应用和计算机辅助设计，所以需要对轴流泵导叶的水力设计方法做进一步完善。

申请号为201310425580.4号的中国发明专利中公开了一种“一种轴流泵导叶多工况设计方法”，该发明提供了一种满足多工况点要求的轴流泵导叶设计方法,该发明设计的导叶可以对导叶的几何参数进行调节,达到轴流泵性能满足多个工况点要求的目的，保证轴流泵的实际运行性能曲线与要求性能曲线的一致性,比较适用于多个工况点要求严格的轴流泵导叶的设计。这种设计方法只给出了导叶叶片的参数的具体实施办法，但对于高比转速与较低比转速的轴流泵并没有作特别说明，因此在实际应用中有所缺陷。申请号为201310744652.1号的中国发明专利公开了螺旋轴流泵导叶设计方法，虽然其所述螺旋轴流泵导叶改善了流动情况，提高了螺旋泵的效率和无损性，但其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。

针对上述的缺陷，本发明人发明了一种高比转速轴流泵导叶水力设计方法，不仅给出了轴流泵导叶参数系统的、精确的的水力设计方法，还针对不同的工况点，给出了优化的设计参数，提高轴流泵的水力效率，延长泵的使用寿命和维修周期，最重要的是有助于计算机编程应用和计算机辅助设计，为设计节省大量时间。

近几年，由于我国经济的快速发展和全球能源的日益减少，节约能源已成为人们越来越关注的问题。“十三五”期间，我国将延续“十二五”时期国家对装备制造业的支持力度，泵及真空设备制造行业将迎来难得的发展机遇。随着水处理、石化、电力、石油和天然气、农业和其它行业发展的加速，以及工程的建设，对泵类产品的将会不断扩大。而轴流泵导叶的设计精确程度直接影响到高性能轴流泵的液体运动规律。现有的设计方法，理论设计与实际模型出入较大，很难达到预想效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高比转速轴流泵导叶水力设计方法。通过改善导叶的几个重要参数的设计方法，改善流动情况，提高轴流泵的水力效率。

本发明的目的在于提高轴流泵叶轮出口水流的利用率和水力效率，增长泵的寿命和维修周期，本方法具有实用性强，方法简单，精度较高的优点，有助于计算机编程应用和计算机辅助设计。

实现上述目的所采用的技术方案是：

(1)导叶扩散角θ

式中：

θ—导叶的扩散角，度；

n_s—比转数；

(2)导叶进口内径D₃、导叶进口外径D₄

D₃＝6.466n_s ^-0.402D₂ (2)

式中：

D₂—叶轮出口直径，毫米；

D₃—导叶进口内径，毫米；

D₄—导叶进口外径，毫米；

n_s—比转数；

(3)导叶进口安放角α₃

式中：

α₃—导叶进口安放角，度；

H—设计工况扬程，米；

g—重力加速度，平方米/秒；

n—转速，转/分；

υ_m3—导叶进口轴面速度；

D₄—导叶进口外径，毫米；

n_s—比转数；

(4)导叶进口轴面速度υ_m3

式中：

υ_m3—导叶进口轴面速度，米/秒；

D₄—导叶进口外径，毫米；

D_i—导叶叶片叶珊直径，毫米；

D₂—叶轮出口直径，毫米；

d_h—叶轮轮毂直径，毫米；

Q—设计流量，立方米/秒；

(5)导叶型线半径R_g

式中：

R_g—导叶型线半径,毫米；

α₃—导叶进口安放角，度；

n_s—比转数；

(6)导叶轮毂侧叶珊稠密度(l/t)₀、导叶轮缘截面的叶珊稠密度(l/t)_h

(l/t)₀＝3.292×10^-8n_s ³-9.025×10^-5n_s ²+0.08052n_s-22.2 (7)

式中:

(l/t)₀—导叶轮毂侧叶珊稠密度；

(l/t)_h—导叶轮缘截面的叶珊稠密度；

n_s—比转数；

(7)导叶进口边与叶轮出口边之间距离s

s＝(0.06～0.10)D₂ (9)

式中：

s—导叶进口边与叶轮出口边之间距离，毫米；

D₂—叶轮出口直径，毫米；

(8)导叶轮毂侧的轴向高度H_d

H_d＝(0.001333Z_g ³-0.022Z_g ²+0.1107Z_g+0.244)D₂ (10)

式中：

D₂—叶轮出口直径，毫米；

Z_g—导叶叶片数，个；

H_d—导叶轮毂侧轴向高度，毫米；

(9)导叶叶片数Z_g

式中：

Z_g—导叶叶片数，个；

n_s—比转数；

根据上述步骤，可以得到一种相对系统的、精确的轴流泵导叶主要参数的设计方法。

本发明的有益效果为：

通过本发明所述计算方法确定的轴流泵导叶主要几何参数，包括轴流泵导叶的扩散角θ，导叶进口内径D₃,导叶进口外径D₄，导叶进口边与叶轮出口边之间距离e，导叶轮毂侧轴向高度H_d,导叶叶片数Z_g，导叶进口安放角α₃，导叶叶珊稠密度l/t，导叶进口轴面速度υ_m3，导叶型线半径R_g，能够针对实际工况点结合设计工况，优化设计参数，提高轴流泵叶轮出口水流的利用率和水力效率，延长泵的使用寿命和维修周期，最重要的是有助于计算机编程应用和计算机辅助设计，为设计节省大量时间。

附图说明

图1是轴流泵导叶轴面简图。其中a,b,c表示三条流线。

图2是轴流泵导叶平面叶栅简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明通过以下几个公式来确定包括轴流泵导叶的扩散角θ，导叶进口内径D₃,导叶进口外径D₄，导叶进口边与叶轮出口边之间距离e，导叶轮毂侧轴向高度H_d,导叶叶片数Z_g，导叶进口安放角α₃，导叶叶珊稠密度l/t，导叶进口轴面速度υ_m3，导叶型线半径R_g。此实施例是在给定设计工况流量Q＝0.35m³/s、设计工况扬程H＝6.72m、设计工况转速n＝1450r/min，计算导叶水力参数：

D₃＝6.466n_s ^-0.402D₂ (2)

(l/t)₀＝3.292×10^-8n_s ³-9.025×10^-5n_s ²+0.08052n_s-22.2 (7)

s＝(0.06～0.10)D₂ (9)

H_d＝(0.001333Z_g ³-0.022Z_g ²+0.1107Z_g+0.244)D₂ (10)

计算得：θ＝8°

D₃＝132mm

D₄＝286mm

(l/t)₀＝1.312

(l/t)_h＝1.759

s＝23.36mm

H_d＝121mm

Z_g＝5。

本发明采用精确公式设计法对轴流泵导叶进行水力设计，尤其针对高比转速的轴流泵进行分析，使泵的轴流泵叶轮出口水流的利用率和水力效率有很大提高，具有良好的经济效益，更有利于计算机的编程应用，可以节省设计者大量的时间。

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 (6)

1.一种高比转速轴流泵导叶水力设计方法，提供导叶的主要几何参数，包括轴流泵导叶的扩散角θ，导叶进口内径D₃,导叶进口外径D₄，导叶进口安放角α₃，导叶进口轴面速度υ_m3，其特征在于：轴流泵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：

D₃＝6.466n_s ^-0.402D₂ (2)

$\left\{\begin{array}{cc}{D}_4=\[1.079e^{-{\left(\frac{n_s-902}{683}\right)}^2}+5.593\×{10}^{13}{e}^{-{\left(\frac{n_s-9111}{1362}\right)}^2}\]D_2& (800\≤n_s\≤1000))\\ D_4=D_2& (n_s>1000)\end{array}\right.---\left(3\right)$

${\mathrm{\α}}_3=(0.8611{n_s}^{-0.003209}+0.165)arctan\frac{2.763D_4{\mathrm{n\υ}}_{m3}}{60gH}---\left(4\right)$

${\mathrm{\υ}}_{m3}=\frac{32.4{\mathrm{QD}}_4}{\mathrm{\π}(D_i+6.44D_4)({D_2}^2-{d_h}^2)}---\left(5\right)$

式中：

θ—导叶的扩散角，度；

α₃—导叶进口安放角，度；

υ_m3—导叶进口轴面速度，米/秒；

H—设计工况扬程，米；

D₃—导叶进口内径，毫米；

D₄—导叶进口外径，毫米；

D_i—导叶叶片叶珊直径，毫米；

D₂—叶轮出口直径，毫米；

d_h—叶轮轮毂直径，毫米；

Q—设计流量，立方米/秒；

g—重力加速度，平方米/秒；

n—转速，转/分；

n_s—比转数。

2.根据权利要求1所述的高比转速轴流泵导叶水力设计方法，其主要特征是：导叶的主要几何参数还包括导叶型线半径R_g，其设计公式：

$R_g=1.312{n_s}^{0.0142}(cos\frac{{\mathrm{\α}}_3}{2}-sin\frac{{\mathrm{\α}}_3}{2})---\left(6\right)$

式中：

R_g—导叶型线半径,毫米；

α₃—导叶进口安放角，度；

n_s—比转数。

3.根据权利要求1所述的高比转速轴流泵导叶水力设计方法，其主要特征是：导叶的主要几何参数还包括导叶轮毂侧叶珊稠密度(l/t)₀、导叶轮缘截面的叶珊稠密度(l/t)_h，其设计公式：

(l/t)₀＝3.292×10^-8n_s ³-9.025×10^-5n_s ²+0.08052n_s-22.2 (7)

${(l/t)}_h=\[1.251e^{-{\left(\frac{n_s-1193}{1683}\right)}^2}+0.02172e^{-{\left(\frac{n_s-791.8}{146.1}\right)}^2}\]{(l/t)}_0---\left(8\right)$

式中:

(l/t)₀—导叶轮毂侧叶珊稠密度；

(l/t)_h—导叶轮缘截面的叶珊稠密度；

n_s—比转数。

4.根据权利要求1所述的高比转速轴流泵导叶水力设计方法，其主要特征是：导叶的主要几何参数还包括导叶进口边与叶轮出口边之间距离s，其设计公式：

s＝(0.06～0.10)D₂ (9)

式中：

s—导叶进口边与叶轮出口边之间距离，毫米；

D₂—叶轮出口直径，毫米。

5.根据权利要求1所述的高比转速轴流泵导叶水力设计方法，其主要特征是：导叶的主要几何参数还包括导叶轮毂侧轴向高度H_d，其设计公式为:

H_d＝(0.001333Z_g ³-0.022Z_g ²+0.1107Z_g+0.244)D₂ (10)

式中：

D₂—叶轮出口直径，毫米；

Z_g—导叶叶片数，个；

H_d—导叶轮毂侧轴向高度，米。

6.根据权利要求1所述的高比转速轴流泵导叶水力设计方法，其主要特征是：导叶的主要几何参数还包括导叶叶片数Z_g，其设计公式：

$Z_g=\left|\right|1.413e^{\[-{\left(\frac{n_s-474.5}{130.1}\right)}^2\]}+2.713\×{10}^{15}{e}^{\[-{\left(\frac{n_s+1.069\×{10}^5}{1.843\×{10}^4}\right)}^2\]}\left|\right|+1---\left(11\right)$

式中：

Z_g—导叶叶片数，个(||x||表示对x的取整函数)；

n_s—比转数。