CN111523186B - 双吸水泵用吸水室形状的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离心泵设计领域，具体公开了一种双吸水泵用吸水室形状的优化方法。包括以下步骤：步骤1：根据吸水室的形状绘制图纸，在吸水室内绘制两个吸水腔，在两个吸水腔的侧壁绘制出口，其中吸水腔横截面的半径为r，吸水腔的高度为h，出口的圆心为o；步骤2：将吸水腔侧壁从进水口的端部至远离进水口的端部以0～6依次进行标注，吸水腔上标注出0’～5’；步骤3：计算出双吸叶轮进口的总面积Sin，将吸水室进口面积S00’设为(0.9～1.3)倍Sin，S22’设为(0.8～1.5)倍S00’，S3o3’设为(0.25～0.6)倍S22’，S4o4’设为(0.1～0.4)倍S22’，S5o5’设为(0.05～0.25)倍S22’。本发明的优化方法主要对吸水室进行改进，使吸水室内的液体流动均匀，减小旋涡的形成。
Description
技术领域
本发明涉及离心泵设计领域，尤其涉及双吸水泵用吸水室形状的优化方法。
背景技术
双吸泵是离心泵的一种，具有扬程高、流量大等特点，在工程中得到广泛应用。双吸泵包括吸水室，传统的吸水室包括一个进口和两个出口，液体从进口进入，然后从出口排出、进入叶轮室内。由于吸水室设有两个出口，在液体从其中一个出口中流出时容易对另一个出口处的液体流动产生影响；另外，液体从进口到出口的流动过程中不断受到吸水室侧壁的阻挡，在经过吸水室的拐角或者端部时，流动方向会出现较大角度的改变，同时由于传统的吸水室出口部位的流体逐渐排出，而过流面积不变，容易出现旋涡和分离，最后使得吸水室靠近出口一端的液体无法及时从出口流出，导致双吸泵的扬程变低、效率下降，而且吸水室液体形成高强度漩涡时容易使得泵内液体汽化，导致汽蚀的同时，会进一步对液体从出口流出造成不利影响。
发明内容
本发明意在提供双吸水泵用吸水室形状的优化方法，以对吸水室进行改进，使吸水室内的液体流动均匀，减小旋涡的形成。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：双吸水泵用吸水室形状的优化方法，包括以下步骤：
步骤1：根据吸水室的形状绘制图纸，在吸水室内绘制两个吸水腔，并在两个吸水腔的侧壁绘制出口，其中吸水腔靠近出口一侧的横截面的半径为r，吸水腔的高度为h，出口的圆心处为o；
步骤2：将吸水腔侧壁从进水口的端部至远离进水口的端部以0～6依次进行标注，吸水腔另一侧依次标注出分别与0～5对齐的0’～5’，并使得2-2’平行于进口0-0’并与出口圆相切、1-1’位于2-2’和0-0’的中部；3-3’平行于2-2’且穿过出口圆圆心；4-o和4’-o过出口圆圆心，且与水平线呈60°夹角；5-o和5’-o过出口圆圆心，且与水平线呈30°夹角；
步骤3：计算出双吸叶轮进口的总面积Sin，将吸水室进口面积S00’设为(0.9～1.3)倍Sin，S22’设为(0.8～1.5)倍S00’，S3o3’设为(0.25～0.6)倍S22’，S4o4’设为(0.1～0.4)倍S22’，S5o5’设为(0.05～0.25)倍S22’。
本方案的有益效果为：
1.因为液体从2-2’流动到6-o的同时，也在从出口排出，即2-2’到6-o区间的流量逐渐减小，为保证流速均匀、避免产生旋涡，过流面积也应逐渐减小，因此在2-2’到6-o，半径r逐渐减小，半径r和高度h同时变化，共同作用使得2-2’到6-o范围的过流面积逐渐减小，直到半径r逐渐减小至接近出口圆的半径。
与传统的吸水室相比，优化后的吸水室，其内部流动均匀，基本无旋涡，减小了液体的能量损耗(即无效功)，因此相对于原吸水室具有更高的扬程和效率，采用本方案中的吸水室的双吸泵的扬程相对原来提高了约1.6％，双吸水泵的水力效率相对原来提高了约1.4％。而且因为设计为两个吸水腔，使得吸水腔内的液体从出口流出时不会受到另一个出口处的液体流动的影响，进一步减弱旋涡的强度，从而避免大尺度旋涡引起泵内液体汽化和汽蚀。
进一步，S00’到S22’圆滑过渡。
本方案的有益效果为：靠近吸水室侧壁的液体沿着吸水室侧壁流动，圆滑过渡可保证S00’到S22’之间不会出现明显的凸起，避免液体在流动过程中与凸棱或者凸起发生撞击，导致形成旋涡、分离等不稳定流动。
进一步，还包括步骤4：对吸水室进行多方案三维建模、网格划分以及CFD计算并调整S00’、S22’、S3o3’、S4o4’、S5o5’中的一个或多个参数，直到CFD计算显示吸水室内部流动无旋涡。
本方案的有益效果为：三维建模并进行CFD计算可对双吸泵的扬程、效率等进行初步预测，在预测效果不理想的情况下可及时进行下一方案的设计，最终得到性能较优的吸水室。
进一步，步骤1在进口与出口之间设计分流体，吸水室中的两个吸水腔通过分流体分隔。
本方案的有益效果为：液体从进口向出口流动时，分流体侧壁同时起到导流的作用，即液体可沿着分流体的侧壁流动，流动方向较为单一，进一步避免液体出现紊流或者旋涡情况。
进一步，步骤1中的分流体设计完成后，将分流体的侧壁形状优化为靠近进口一端的宽度小于另一端的宽度，且使分流体侧壁为圆滑的弧形面。
本方案的有益效果为：进口进入的液体正对分流体的端部，分流体靠近进口的一端直径较小，对刚进入的液体的阻挡作用更小，能够更好的使液体分离，同时尽量避免刚进入的液体与分流体的端部发生撞击而导致较大角度的改变流动方向，从而进一步避免形成旋涡、流动分离等不均匀流态。
进一步，步骤1中的分流体设计完成后，将分流体靠近进口一端的端部优化为向外凸起的弧形面，且使端部与侧壁圆滑过渡。
本方案的有益效果为：分流体侧壁较为圆滑，能够更好对液体进行导向，而避免液体在流动过程中与凸棱或者凸起发生撞击，导致形成旋涡。
进一步，步骤4先在两个吸水腔内设计第一导流板，且第一导流板位于出口与进口之间。
本方案的有益效果为：液体在流动过程中沿着第一导流板表面流动，由于第一导流板为平板，所以沿着第一导流板表面流动的液体流动方向不会发生改变，而且在出口周围形成的旋涡在传递至第一导流板处时受到第一导流板的阻挡作用，而无法穿过第一导流板，对位于第一导流板另一侧的液体的流动造成影响，所以可避免另一侧的液体也形成旋涡，使得吸水腔中的液体流动更为平稳。另外，由于第一导流板起到消旋作用，还可以避免吸水室液体形成大尺度漩涡，继而引起泵内液体汽化和汽蚀。
进一步，步骤4中的第一导流板设计完成后，在出口远离第一导流板一侧设计第二导流板。
本方案的有益效果为：第二导流板位于出口的另一侧，对另一侧的液体起到导流和消旋的作用。
进一步，步骤4完成对第一导流板和第二导流板的设计后，将第一导流板和第二导流板的位置调整为第一导流板与第二导流板之间的距离大于叶轮连接轴的直径。
本方案的有益效果为：步骤3中的分流体设计完成后，对分流体的位置进行优化，直到两个吸水腔对称。
进一步，对称设置的吸水腔在设计图纸、铸造加工等方面更为简便。
附图说明
图1为本发明实施例1中吸水室的正视示意图；
图2为图1中吸水室的横向示意图；
图3为本发明实施例1中吸水室的正视纵向剖视图；
图4为图3中吸水腔的横向剖视图；
图5为液体在传统吸水室中的流动方向仿真图；
图6为液体在实施例1中的吸水室中的流动方向仿真图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：壳体7、进口71、出口72、吸水腔73、第二导流板74、分流体8、导流段81、分流段82、第一导流板9。
实施例1
双吸水泵用吸水室形状的优化方法，包括以下步骤：
步骤1：如图1和图2所示，根据吸水室的形状绘制图纸，在吸水室内绘制分流体，分流体将吸水室内腔分隔为两个吸水腔，并在两个吸水腔的侧壁绘制出口，其中吸水腔靠近出口一侧的横截面的半径为r，吸水腔的高度为h，出口的圆心为o；对分流体的位置调整，直到两个吸水腔对称；将分流体的侧壁形状优化为靠近进口一端的宽度小于另一端的宽度，且使分流体侧壁为圆滑的弧形面；将分流体靠近进口一端的端部优化为向外凸起的弧形面，且端部与侧壁圆滑过渡；
步骤2：将吸水腔侧壁从进水口的端部至远离进水口的端部以0～6依次进行标注，吸水腔另一侧依次标注出分别与0～5对齐的0’～5’；
步骤3：根据确定的双吸水泵的叶轮进口半径计算出双吸叶轮进口的总面积Sin，将吸水室进口面积S00’设为(0.9～1.3)倍Sin，S22’设为(0.8～1.5)倍S00’，且S00’到S22’圆滑过渡，S3o3’设为(0.25～0.6)倍S22’，S4o4’设为(0.1～0.4)倍S22’，S5o5’设为(0.05～0.25)倍S22’；
步骤4：在两个吸水腔内设计第一导流板，且第一导流板位于出口与进口之间，在出口远离第一导流板一侧设计第二导流板；对第一导流板和第二导流板的位置进行优化，使得第一导流板与第二导流板之间的距离大于叶轮连接轴的直径；对吸水室进行多方案三维建模、网格划分以及CFD计算，并调整S00’、S22’、S3o3’、S4o4’、S5o5’处的半径和直径,使S00’、S22’、S3o3’、S4o4’、S5o5’的一个或多个参数改变，直到CFD计算显示吸水室内部流动无旋涡。
采用上述方法设计出的吸水室结构为：
如图3所示，包括壳体7和分流体8，壳体7内设有内腔，分流体8位于内腔中并铸造在壳体7上，分流体8将壳体7内腔分隔为上下两个对称的吸水腔73。壳体7右端设有进口71，左端设有两个相对的出口72，两个出口72分别与两个吸水腔73连通，壳体7与出口72相对的侧壁为平面。分流体8的前后两端均与壳体7内壁相抵并铸造在壳体7上，本实施例中的分流体8沿竖向的截面为左端直径大于右端直径的椎体状，且分流体8右端为向右凸起的弧形面，具体的，分流体8包括导流段81和位于导流段81右侧的分流段82，分流段82侧壁的倾斜角度大于导流段81侧壁的倾斜角度，而且导流段81与分流段82圆滑过渡。分流体8侧壁为圆滑过渡的弧形侧壁，壳体7内壁为圆滑过渡的弧形内壁。
上下两个吸水腔73内均设有导流单元，且两个吸水腔73内的导流单元对称设置，导流单元包括第一导流板9和第二导流板74，本实施例以上侧的第二导流板74进行说明，第二导流板74位于出口72左侧，如图4所示，第二导流板74水平设置，第二导流板74左端和后端与壳体7内壁相贴并与壳体7一体成型。第二导流板74右端为向右凸起的弧形面，且导流板的上下侧壁均与右端的弧形面圆滑过渡。
第一导流板9位于第二导流板74的右侧，如图4所示，本实施例中的第一导流板9水平设置，第一导流板9左端与第二导流板74右端之间的距离大于叶轮连接轴的外径，保证叶轮连接轴可从第一导流板9和第二导流板74之间穿过，便于安装叶轮连接轴。再如图3所示，第一导流板9的上下两侧分别与壳体7内壁和分流体8侧壁相抵并铸造在壳体7内壁上。
上述吸水室工作时，出口72与叶轮室的入口连通，液体从进口71进入壳体7内，并从右向左流动，当液体从进口71进入后，受到分流体8右端的导流作用，再沿着分流体8的上下侧壁流动，进入上下两个吸水腔73内。当液体与分流段82接触时，由于分流段82的倾斜角度较大，可使液体快速进入吸水腔73内，在液体流动至吸水腔73左端时，液体的流速均匀、平稳，不会形成旋涡，最后液体从出口72排出。另外，如果在出口72周围形成旋涡，当旋涡向靠近第二导流板74或者第一导流板9一侧流动时受到第二导流板74和第一导流板9的阻挡作用，所以吸水腔73被分隔成两部分并各自流动，从而不会相互影响。与如图5所示液体在传统的吸水室中的流态相比，采用本实施例的优化方法设计出的吸水室其内部旋涡更少、流线更均匀，如图6所示。
实施例2～5与实施例1相比，仅S11’、S22’、S3o3’、S4o4’、S5o5’等截面的面积不同，具体的参数如下所示：
另外，采用传统的吸水室作为对比例1，将对比例1和实施例1～5中的吸水室用于相同的双吸水泵中，采用ANSYS软件对扬程、效率和汽蚀性能进行仿真计算，并以对比例1的结果为基础，计算出扬程提高率βH和效率提高率βη，另外，对抗汽蚀性能提高的幅度分为0～10级，级数越高，对抗汽蚀性能提高的幅度越大。结果如下表所示：
通过上表可以清楚看出，实施例1～5中的扬程、水力效率均高于传统的吸水室，采用本发明中的吸水室时，吸水室内部流动均匀，基本无旋涡，减小了液体的能量损耗，因此相对于原吸水室具有更高的扬程和效率，抗汽蚀性能也有所提高。
如图5和图6所示，传统吸水室出口部位的流线(即直接影响叶轮入流条件)比较紊乱，而发明中吸水室出口部位流线分布均匀，使得进入叶轮的流动均匀无漩涡，抗汽蚀性能更好。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据吸水室的形状绘制图纸，在吸水室内绘制两个吸水腔，并在两个吸水腔的侧壁绘制出口，其中吸水腔靠近出口一侧的横截面的半径为r，吸水腔的高度为h，出口的圆心处为o；
步骤2：将吸水腔侧壁从进水口的端部至远离进水口的端部以0～6依次进行标注，吸水腔另一侧依次标注出分别与0～5对齐的0’～5’，并使得2-2’平行于进口0-0’并与出口圆相切、1-1’位于2-2’和0-0’的中部；3-3’平行于2-2’且穿过出口圆圆心；4-o和4’-o过出口圆圆心，且与水平线呈60°夹角；5-o和5’-o过出口圆圆心，且与水平线呈30°夹角；
步骤3：计算出双吸叶轮进口的总面积Sin，将吸水室进口面积S00’设为（0.9～1.3）倍Sin，横截面22’的面积S22’设为（0.8～1.5）倍S00’，横截面3o3’的面积S3o3’设为（0.25～0.6）倍S22’，横截面4o4’的面积S4o4’设为（0.1～0.4）倍S22’，横截面5o5’的面积S5o5’设为（0.05～0.25）倍S22’。
2.根据权利要求1所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述S00’到S22’圆滑过渡。
3.根据权利要求2所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：还包括步骤4：对吸水室进行多方案三维建模、网格划分以及CFD计算并调整S00’、S22’、S3o3’、S4o4’、S5o5’中的一个或多个参数，直到CFD计算显示吸水室内部流动无旋涡。
4.根据权利要求3所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述步骤1在进口与出口之间设计分流体，吸水室中的两个吸水腔通过分流体分隔。
5.根据权利要求4所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述步骤1中的分流体设计完成后，将分流体的侧壁形状优化为靠近进口一端的宽度小于另一端的宽度，且使分流体侧壁为圆滑的弧形面。
6.根据权利要求5所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述步骤1中的分流体设计完成后，将分流体靠近进口一端的端部优化为向外凸起的弧形面，且使端部与侧壁圆滑过渡。
7.根据权利要求4所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述步骤4先在两个吸水腔内设计第一导流板，且第一导流板位于出口与进口之间。
8.根据权利要求7所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述步骤4中的第一导流板设计完成后，在出口远离第一导流板一侧设计第二导流板。
9.根据权利要求8所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述步骤4完成对第一导流板和第二导流板的设计后，将第一导流板和第二导流板的位置调整为第一导流板与第二导流板之间的距离大于叶轮连接轴的直径。
10.根据权利要求4所述的双吸水泵用吸水室形状的优化方法，其特征在于：所述步骤1中的分流体设计完成后，对分流体的位置进行优化，直到两个吸水腔对称。
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