CN107882771B - 一种射流式自吸离心泵的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射流式自吸离心泵的优化设计方法。为了解决进口冲击损失、圆盘摩擦损失、叶轮外径固定情况下关死点扬程无法提高的问题，本发明提供一种在叶轮进口处切削、前盖板和后盖板设置倾斜、以及分流叶片的优化设计方法。本发明给出了进口边两边，即竖直边与水平边的切削长度a，b，前后盖板的倾斜位置直径D_t，倾斜优化后叶轮出口处前盖板和后盖板壁厚厚度δ₁，设置分流叶片后长叶片数Z₁，优化后长叶片包角Φ₁，分流叶片的进口直径D_si，分流叶片圆弧长度S₂，分流叶片周向偏置度θ₁，分流叶片倾斜角α₂，以及分流叶片的厚度的参数选择和优化方法。本发明实施简单，且能够有效地提高射流式自吸离心泵的性能。

Description

一种射流式自吸离心泵的优化设计方法

技术领域

本发明属于离心泵研究领域，具体涉及一种射流式自吸离心泵的优化设计方法。具体的说，本发明涉及叶轮进口优化，叶轮前后盖板倾斜优化设置，以及长叶片间设置分流叶片的设计方法。

背景技术

泵作为一种通用机械，主要用于把原动机的机械能转换为液体的能量，其种类繁多，在国民经济各部门以及航天船舶等高科技领域都得到了广泛的应用。据统计，泵的耗电量占总发电量的18％，因此节能潜力巨大。对于射流式自吸离心泵而言，除了效率外还要考虑关死点扬程，本发明通过优化叶轮进口及盖板结构来提高射流式自吸离心泵的效率，并提出一种长短叶片的设计方法在叶轮外径不变的情况下提高泵的关死点扬程。

经检索，与本发明相关的专利申请有：《一种复合式变曲率低比转速理性泵叶轮设计方法》，公开号：CN103994099A的中就用到分流叶片的发明，他们的发明中对分流叶片倾斜角度做了设计，倾斜角度在(18o～24o)的范围内，叶片包角在(70o～82o)的范围内。该发明通过一个固定的角度范围来选择叶片倾斜角以及包角的参数。此外，由邢树兵、朱荣生、杨爱玲等发表的发明名称为《一种长短叶片的旋流泵设计方法》，公开号CN103541925A，对旋流泵做了分流叶片的设计，来提高旋流泵的效率。

本发明与现相关专利的有不同之处在于对分流叶片的几何参数的选择上，本发明采用分流叶片进口直径，分流叶片长度，分流叶片周向位置偏置度，以及对于分流叶片的倾斜角参数进行设计。本发明采用分流叶片与长叶片之间建立几何参数的量化关系来确定分流叶片的参数范围，从而使得分流叶片的增益效果达到最佳。此外，本发明为了进一步降低泵进口损失以及圆盘摩擦损失，提出了一种泵进口与前后盖板优化的设计方法，通过检索未见与本发明相似的相关技术。本发明通过对上述的几何参数进行设计从而使得原有射流式自吸离心泵的性能的提高，达到提高扬程，加大流量，降低噪声的目标。

发明内容

本发明的目的是针对上述射流式自吸离心泵上存在进口损失大，圆盘摩擦损失、叶轮外径D₂固定了以后关死点扬程无法提高，噪声大等问题，提供一种射流式自吸离心泵的优化设计方法。在叶轮进口处切削、前盖板和后盖板设置倾斜、以及分流叶片的优化设计。本发明给出了进口边两边，即竖直边与水平边的切削长度a，b，前后盖板的倾斜位置直径D_t，倾斜优化后叶轮出口处前盖板和后盖板壁厚厚度δ₁，设置分流叶片后长叶片数Z₁，优化后长叶片包角Φ₁，分流叶片的进口直径D_si，分流叶片圆弧长度S₂，分流叶片周向偏置度θ₁，分流叶片倾斜角α₂，以及分流叶片的厚度的参数选择和优化方法。本发明实施简单，且能够有效地提高射流式自吸离心泵的性能。

本发明的技术方案是：一种射流式自吸离心泵的优化设计方法，包括对叶轮叶片进行优化；

对所述叶轮叶片进行优化是在泵的长叶片之间设置分流叶片，包括对叶片数Z的选择，优化后长叶片包角Φ₁，分流叶片的进口直径D_si，分流叶片圆弧长度S₂，分流叶片向长叶片吸力面偏置角度θ₁，以及分流叶片倾斜角α₂；

优化后泵上的长叶片数Z₂与原泵的长叶片数Z₁符合以下关系：

Z₂＝Z`*Z₁ 公式五

式中：Z`是修正系数，Z`＝0.6；

优化后长叶片包角Φ₁与原泵长叶片的包角Φ、原泵的长叶片数Z₁、优化后泵上的长叶片数Z₂要符合以下关系：

Φ₁＝Z₁Φ/K_ΦZ₂ 公式六

K_Φ是包角系数，K_Φ＝0.9426

分流叶片进口直径D_si与叶轮外径D₂参数之间要符合以下关系：

D`＝D_si/D₂ 公式七

D`是修正系数，D`＝(0.4～0.8)

分流叶片圆弧长度S₂与长叶片圆弧长度S₁要符合以下关系：

K₅＝S₂/S₁ 公式八

K₅是修正系数，K₅＝(0.4～0.8)；

分流叶片向长叶片吸力面偏置角度θ₁与相邻两长叶片之间的夹角θ参数要符合以下关系：

K₆＝θ₁/θ 公式九

K₆是修正系数，K₆＝(0.4～0.6)；

分流叶片倾斜角α₂与长叶片倾斜角α₁参数要符合以下关系：

K₇＝α₂/α₁ 公式十

K₇是修正系数，K₇＝(0.5～0.9)。

上述方案中，所述分流叶片进出口厚度选取与长叶片进出口厚度一致。

上述方案中，还包括对叶轮进口的叶轮进口边进行切削；

对所述叶轮进口的叶轮进口边进行切削，竖直边切削长度为a，竖直边切削长度为a与叶轮轮毂直径d_h参数之间符合以下关系：

K₁＝a/d_h 公式一

式中：K₁是修正系数，K₁＝(0.01～0.05)。

进一步的，对叶轮进口的叶轮进口边进行切削，水平边切削长度为b，水平边切削长度为b与叶轮轮毂直径d_h参数之间符合以下关系：

K₂＝b/d_h 公式二

式中：K₂是修正系数，K₂＝(0.02～0.08)。

上述方案中，还包括对所述叶轮前盖板和叶轮后盖板进行倾斜设计；

对所述叶轮前盖板和叶轮后盖板进行倾斜设计包括对倾斜位置直径D_t的设计；

所述叶轮前盖板和叶轮后盖板倾斜位置直径D_t与叶轮外径D₂参数之间符合以下关系：

K₃＝D_t/D₂ 公式三

式中：K₃是修正系数，K₃＝(0.75～0.95)。

进一步的，对所述叶轮前盖板和叶轮后盖板进行倾斜设计还包括对倾斜优化后叶轮出口处叶轮前盖板和叶轮后盖板的厚度δ₁设计；

所述倾斜优化后叶轮出口处叶轮前盖板和叶轮后盖板壁厚厚度δ₁与优化前叶轮前盖板和叶轮后盖板的壁厚厚度δ₂参数之间符合以下关系：

K₄＝δ₁/δ₂ 公式四

式中：K₄是修正系数，k₄＝(0.6～0.9)。

上述方案中，所述优化后泵上的长叶片数Z₂通过修正系数Z`与原泵的长叶片数Z₁的计算后的结果向上取整。

进一步的，所述优化后泵上的长叶片数Z₂与分流叶片数Z₃相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明通过在泵的长叶片之间增添分流叶片的方法来提高泵的性能，从而提高泵的效率，提高泵的扬程的增益效果。

2.本发明对叶轮进口进行优化，当液体通过叶轮进口边的时候会产生冲击，进而产生冲击损耗，为了减小损耗，所以本发明将叶轮进口边进行切削，使其成为一个缓冲区，这样液体流经此处时损耗就要小得多，能很好的达到减少进口冲击损失的效果。

3.本发明对前盖板、后盖板进行倾斜优化设计，从而在不改变叶轮外径的情况下减少叶轮前盖板和后盖板处的圆盘摩擦损失。

4.本发明将优化前和优化后的800w射流式自吸离心泵的性能对比，可以清楚的看到经过叶轮水利优化后，使得泵在不超过额定功率下效率得到了的提高，扬程也有了明显的提高，本发明通过几何参数优化，从而将原先泵的最大扬程提高到131.23ft，最大流量达到3600L/H，转速达到n＝2995r/m，效率提高到17.2％，噪音降低到78dB。实现在现有额定功率为800w的射流式自吸离心泵上的叶轮水力优化。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的叶轮轴面图以及叶轮进口处切削放大图。

图2是本发明的一个实施例的叶轮水利原模型图。

图3是本发明的一个实施例的叶轮水利经过优化后的模型图。

图4是本发明的一个实施例的原来泵的性能曲线。

图5是本发明的一个实施例的经过优化后的性能曲线。

图中，1叶轮进口；2叶轮前盖板；3.叶轮后盖板；4.分流叶片；5.原泵长叶片；6.优化后泵长叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述一种射流式自吸离心泵的优化设计方法，包括对叶轮进口1、对叶轮前盖板2、叶轮后盖板3和叶轮叶片进行优化。

对叶轮进口进行优化，当液体通过叶轮进口边的时候会产生冲击，进而产生冲击损耗，为了减小损耗，所以本发明将叶轮进口边进行切削，使其成为一个缓冲区，这样液体流经此处时损耗就要小得多，能很好的达到减少进口冲击损失的效果。

为了使得叶轮进口边变成所想要的缓冲区，本发明采用的切削方案为：

在进口边的两边，即竖直边与水平边，分别选取合适的长度，在竖直边选取的长度用a来表述，在水平边选取的长度用b来表示，本发明通过a，b与轮毂直径的量化关系来确定a，b的值，表达式如下：

K₁＝a/d_h 公式一

d_h——叶轮轮毂直径，mm

K₁——修正系数，K₁＝(0.01～0.05)

K₂＝b/d_h 公式二

K₂——修正系数，K₂＝(0.02～0.08)

在已知轮毂直径d_h的条件下，通过修正系数K₁，K₂就能确定a，b的值。

叶轮在泵体内旋转时，由于叶轮转速快，叶轮的前盖板、后盖板外表面与液体间产生摩擦损失，这部分损失与叶轮直径大小有关，称之为圆盘摩擦损失。本发明对前盖板、后盖板进行倾斜优化设计，从而在不改变叶轮外径的情况下减少叶轮前盖板和后盖板处的圆盘摩擦损失。

对于前盖板和后盖板倾斜优化参数的设置，本发明首先确定好倾斜位置直径D_t，然后确定经过倾斜优化后叶轮出口处前后盖板壁厚厚度δ₁，当这两个参数确定后，前盖板和后盖板的倾斜设计就完成了。

对于斜位置直径D_t的参数选择时，本发明采用与叶轮外径D₂建立量化关系，关系如下：

K₃＝D_t/D₂ 公式三

K₃——修正系数，K₃＝(0.75～0.95)

在已知叶轮外径D₂的情况下，能通过修正系数K₃来确定倾斜位置直径D_t。

对于倾斜优化后叶轮出口处前盖板和后盖板叶轮出口处的厚度δ₁参数的选择，本发明采用倾斜优化后叶轮出口处前盖板和后盖板壁厚厚度δ₁与优化前前盖板和后盖板的壁厚厚度δ₂建立量化关系，表达式如下：

K₄＝δ₁/δ₂ 公式四

K₄——修正系数，K4＝(0.6～0.9)

在已知优化前前盖板和后盖板壁厚厚度δ₂的情况下，可以通过修正系数K₄来确定倾斜优化后叶轮出口处前盖板和后盖板壁厚厚度δ₁。

对所述叶轮叶片进行优化为：对所述叶轮叶片进行优化是在泵的长叶片之间设置分流叶片(4)，包括对叶片数Z的选择，优化后长叶片包角Φ₁，分流叶片的进口直径D_si，分流叶片圆弧长度S₂，分流叶片向长叶片吸力面偏置角度θ₁，以及分流叶片倾斜角α₂，分流叶片进出口厚度的优化设计。

采用长叶片间设置分流叶片4的设计方法来增加关死点扬程，同时来减少叶轮进口的堵塞，具体采用的方法如下：

随着叶轮叶片数Z的增加，扬程增加很明显，但叶片数过多会产生大量的水力摩擦损失，反而降低了泵的效率，所以在选取合适的叶片数Z尤为重要，同时叶片数的增加会导致功率增加，易出现超功率。为了在不改变叶轮外径D2和不超功率的情况下，提出了一种添加分流叶片的方式。

采用优化后泵长叶片数Z₂与原泵的长叶片数Z₁建立量化关系，以确定优化后泵长叶片数Z₂，建立的表达式如下：

Z₂＝Z`*Z₁ 公式五

Z`——修正系数，Z`＝0.6

优化后泵上的长叶片数Z₂通过修正系数与原泵的叶片数Z₁的计算后的结果向上取整，确定优化后泵上的长叶片数Z₂后，而分流叶片的叶片数Z₃与优化后泵上的长叶片数Z₂相等(即Z₂＝Z₃)。

采用分流叶片的设计后，为了确定长叶片包角Φ₁，本发明采用优化后长叶片包角Φ₁与原泵长叶片的包角Φ、原泵的长叶片数Z₁、优化后泵上的长叶片数Z₂建立量化关系，关系式如下：

Φ₁＝Z₁Φ/K_ΦZ₂ 公式六

K_Φ——包角系数，K_Φ＝0.926

通过上述关系，在已知原长叶片包角Φ，原泵叶片数Z₁后，通过叶片系数Z`算得的优化后泵上的长叶片数Z₂一系列相关参数后就可以确定优化后长叶片包角Φ₁的值。

分流叶片进口直径D_si直接关系到分流叶片的长度，从理论上讲，分流叶片越长，D_si越小，对应着越大的扬程。但从前期研究可看出，分流叶片太长会堵塞叶轮进口，扬程的增加较少，反而会引起效率的降低。然而，分流叶片太短起不到改善叶轮出口射流-尾迹结构，以及提高水泵效率的作用。在对分流叶片进口直径D_si的参数设置上，提出了分流叶片进口直径D_si与叶轮外径D₂的量化关系，关系式如下：

D`＝D_si/D₂ 公式七

D`——修正系数，D`＝(0.4～0.8)

在D₂一定的情况下就能通过D`来确定分流叶片进口直径D_si。

在设置分流叶片圆弧长度S₂的参数时，提出一种分流叶片圆弧长度S₂与长叶片圆弧长度S₁的量化关系，关系式如下：

K₅＝S₂/S₁ 公式八

K₅——修正系数，K₅＝(0.4～0.8)

在已知长叶片圆弧长度S₁的情况下，通过修正系数K₅就能得出所需要的分流叶片圆弧长度S₂。

由离心叶轮内的流动滑移理论可知，叶轮流道内速度分布在周向分布不均匀，因而分流叶片不能布置在流道正中间，需要向叶片背面偏置，有利于改善叶轮出口的“射流-尾迹”结构，提高水泵性能。在短叶片的周向位置确定上，本发明把相邻两长叶片之间的夹角定义为θ，把分流叶片向长叶片吸力面偏置角度定义为θ₁，本发明通过θ与θ₁进行比值，关系式如下：

K₆＝θ₁/θ 公式九

K₆——修正系数，K₆＝(0.4～0.6)

在已知相邻两长叶片之间的夹角θ在条件下，就能通过修正系数K₆来确定θ₁的大小，从而确定分流叶片的周向偏置位置。

分流叶片倾斜角α₂能确定分流叶片的倾斜位置，通过分流叶片倾斜角α₂与长叶片倾斜角α₁参数建立量化关系，关系式如下：

K₇＝α_2/α₁ 公式十

K₇——修正系数，K₇＝(0.5～0.9)

本发明还对分流叶片进出口厚度进行设置，本发明分流叶片进出口厚度选取与长叶片进出口厚度是一致的。

下面以一台射流式自吸低比转速离心泵为例来阐述本发明的实施过程。该泵的具体参数如下：额定功率为800w，比转速为32.0，扬程H＝121.39ft，流量Q＝3700L/H，转速n＝2775r/m，效率η＝14.3％，叶轮外径D₂＝117mm，出口宽度b₂＝4mm，包角Φ＝100°，进口角β₁＝19.3°，出口角β₂＝35.0°，轮毂直径d_h＝19mm，叶片数Z＝6，叶轮前后盖板厚度δ₂＝2mm。

如附图1所示，液体进入叶轮进口1的叶轮进口边时会产生冲击损失，本发明在叶轮进口边的两边，即竖直边与水平边，分边选取合适长度进行切削，使得叶轮进口边切削成一个缓冲区，叶轮进口边的竖直边切削长度为a，水平边切削长度为b，由叶轮轮毂直径d_h＝19.2mm，通过公式一和公式二可以算出a，b的值，本设计通过CFD数值计算后选择k₁＝0.02，k₂＝0.03，计算得出a＝0.4mm，b＝0.6mm。

如附图1所示，是本发明对叶轮前盖板2和叶轮后盖板3进行倾斜优化设计，图1中的叶轮外径D₂＝117mm，通过CFD数值计算本设计选用修正系数K₃＝0.932，从而根据公式三计算得到倾斜位置直径D_t＝109mm。

如附图1所示，叶轮前后盖板壁厚厚度δ₂＝2mm，经过CFD数值计算本设计选择修正系数K₄＝0.75，从而根据公式四可以计算得到优化后叶轮出口处前后盖板壁厚厚度δ₁＝1.5mm。

如附图2所示，本实施例中原泵的长叶片数Z₁＝6，如附图3所示，是本发明对长、短叶片优化设计的方案，通过公式五计算得出优化后泵上的长叶片数Z₂＝4，计算出的叶片数向上取整，进而分流叶片数Z₃＝4。

如附图2所示，本实施例中原泵长叶片5的包角Φ＝100°，原泵的叶片数Z₁＝6，根据上述公式六计算得到优化后泵上的长叶片数Z₂＝4，通过公式六可以计算得到优化后长叶片6的包角Φ₁＝162°，如附图3所示。

由附图3所示，在对分流叶片的进口直径D_si的参数确定上，通过公式七来计算得到，本实施例叶轮外径D₂＝117mm，通过CFD数值计算选取修正系数D`＝0.72，从而可以得到分流叶片进口直径D_si＝84.2mm。

由附图3所示，长叶片圆弧长度S₁＝64mm，通过CFD数值计算，选择修正系数K₅＝0.6，通过公式八计算可以得到分流叶片圆弧长度S₂＝38.5mm。

由附图3所示，相邻两长叶片之间的夹角θ＝72°，通过CFD数值计算，本实施例选取修正系数K₆＝0.4，这样就可以通过公式九得到分流叶片向长叶片吸力面偏置角度θ₁＝28.8°。

如附图3所示，本实施例长叶片倾斜角α₁＝55°，通过CFD数值计算，本实施例选取修正系数K₇＝0.8，从而根据公式十计算得到分流叶片倾斜角α₂＝44°。

在对短叶片厚度进行设置时，本实施例采取短叶片厚度与长叶片厚度一致的参数，本实施例短叶片进口厚度为3mm，出口厚度为7mm，中间厚度为5mm。

如附图4，是原来800w射流式自吸离心泵的性能曲线图，附图5是经过优化设计后泵的性能曲线图，经过两图的对比，可以清楚的看到经过上述叶轮水利优化后，流量-扬程曲线陡降，从而使得泵在不超过额定功率下效率得到了的提高，扬程也有了明显的提高，本发明实施例通过上述的几何参数优化，从而将原先泵的最大扬程提高到131.23ft，最大流量达到3600L/H，转速达到n＝2995r/m，效率提高到17.2％，噪音降低到78dB。实现在现有额定功率为800w的射流式自吸离心泵上的叶轮水力优化。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种射流式自吸离心泵的优化设计方法，其特征在于，包括对叶轮进口(1)的叶轮进口边进行切削、对叶轮前盖板(2)和叶轮后盖板(3)进行倾斜设计和对叶轮叶片进行优化；

对所述叶轮进口(1)的叶轮进口边进行切削，竖直边切削长度为a，竖直边切削长度a与叶轮轮毂直径d_h参数之间符合以下关系：

K₁＝a/d_h 公式一

式中：K₁是修正系数，K₁＝(0.01～0.05)；

对叶轮进口(1)的叶轮进口边进行切削，水平边切削长度为b，水平边切削长度b与叶轮轮毂直径d_h参数之间符合以下关系：

K₂＝b/d_h 公式二

式中：K₂是修正系数，K₂＝(0.02～0.08)；

对所述叶轮前盖板(2)和叶轮后盖板(3)进行倾斜设计包括对倾斜位置直径D_t的设计；

所述叶轮前盖板(2)和叶轮后盖板(3)倾斜位置直径D_t与叶轮外径D₂参数之间符合以下关系：

K₃＝D_t/D₂ 公式三

式中：K₃是修正系数，K₃＝(0.75～0.95)；

对所述叶轮叶片进行优化是在泵的长叶片之间设置分流叶片(4)，包括对叶片数Z的选择，优化后长叶片包角Φ₁，分流叶片的进口直径D_si，分流叶片圆弧长度S₂，分流叶片向长叶片吸力面偏置角度θ₁，以及分流叶片倾斜角α₂；

优化后泵上的长叶片数Z₂与原泵的长叶片数Z₁符合以下关系：

Z₂＝Z`*Z₁ 公式五

式中：Z`是修正系数，Z`＝0.6；

所述优化后泵上的长叶片数Z₂通过修正系数Z`与原泵的长叶片数Z₁的计算后的结果向上取整；

优化后长叶片包角Φ₁与原泵长叶片的包角Φ、原泵的长叶片数Z₁、优化后泵上的长叶片数Z₂要符合以下关系：

Φ₁＝Z₁Φ/K_ΦZ₂ 公式六

K_Φ是包角系数，K_Φ＝0.9426所述优化后泵上的长叶片数Z₂与分流叶片数Z₃相等；

分流叶片进口直径D_si与叶轮外径D₂参数之间要符合以下关系：

D`＝D_si/D₂ 公式七

D`是修正系数，D`＝(0.4～0.8)

分流叶片圆弧长度S₂与长叶片圆弧长度S₁要符合以下关系：

K₅＝S₂/S₁ 公式八

K₅是修正系数，K₅＝(0.4～0.8)；

分流叶片向长叶片吸力面偏置角度θ₁与相邻两长叶片之间的夹角θ参数要符合以下关系：

K₆＝θ₁/θ 公式九

K₆是修正系数，K₆＝(0.4～0.6)；

分流叶片倾斜角α₂与长叶片倾斜角α₁参数要符合以下关系：

K₇＝α₂/α₁ 公式十

K₇是修正系数，K₇＝(0.5～0.9)；

所述分流叶片(4)进出口厚度选取与长叶片进出口厚度一致。

2.根据权利要求1所述射流式自吸离心泵的优化设计方法，其特征在于，对所述叶轮前盖板(2)和叶轮后盖板(3)进行倾斜设计还包括对倾斜优化后叶轮出口处叶轮前盖板(2)和叶轮后盖板(3)的厚度δ₁设计；

所述倾斜优化后叶轮出口处叶轮前盖板(2)和叶轮后盖板(3)壁厚厚度δ₁与优化前叶轮前盖板和叶轮后盖板的壁厚厚度δ₂参数之间符合以下关系：

K₄＝δ₁/δ₂ 公式四

式中：K₄是修正系数，k₄＝(0.6～0.9)。

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