CN114526260B - 一种高过流特性叶轮的稀疏叶片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高过流特性叶轮的稀疏叶片设计方法，在叶轮平面投影图上，根据短叶片进口宽度略大于长叶片进口宽度确定短叶片进口位置；根据短叶片偏置理论确定短叶片出口位置；根据进出口位置作圆弧连接进出口端点得到短叶片位置布置；本发明可有效提高双叶片离心泵过流特性，叶轮内部速度、压力分布更加均匀，降低叶轮出口的流动损失，同时减小叶轮与蜗壳间动静干涉引起的压力脉动，提高了离心泵的性能。

Description

一种高过流特性叶轮的稀疏叶片设计方法

技术领域

本发明属于新型通用设备技术领域，具体涉及一种高过流特性叶轮的稀疏叶片设计方法。

背景技术

双叶片离心泵作为一种旋转流体机械，不仅可以输送各种单相流体，还可以输送含有杂质的的固液两相介质，在河道疏浚、市政排污、煤矿输水以及冶金电力领域均有广泛的应用。近年来，随着高新科技的发展，对双叶片离心泵的性能、能耗、运行稳定性都有更高的要求。相关资料表明，经典的双流道泵效率较低且较为笨重，常规设计的叶片式叶轮的过流能力较差，无法满足工业发展的需求，因此寻求一种提高双叶片泵过流特性的方法是一项具有实际工程意义的工作。

由于双叶片泵的水力结构较为简单、叶片数过少，双叶片泵的整体性能往往低于同比转速的多叶片泵。短叶片设计方法是在原有叶片中添加几个短叶片，并将短叶片进口边适当向长叶片背面偏移的一种设计方案，该设计可有效改善泵内部流场分布、减少流动损失、提高泵的运行性能，是改善离心叶轮机械综合性能的有效途径。如齐学义等在兰州理工大学学报上曾报道过超低比转速高速离心泵复合叶轮短叶片的几何造型方法这篇文章，文章中综合考虑短叶片进口位置、周向偏置度、偏转角等影响短叶片翼型设计的主要因素。但是该文献中主要提出的是一个广普性设计，目前还尚未见相关报道公开过能高效地把短叶片应用于双叶片离心泵中的技术方案，且该文献中公开的设计方案需要不断尝试调整长叶片空间柱面坐标点的数值才能得到短叶片翼型的空间柱面坐标造型方法，整体实施步骤依旧较为繁琐，为了尽可能有更为便捷地、最大程度地提高双叶片离心泵过流特性，现有的离心泵短叶片的设计方案不能一以概之，还需要进行更为有针对性的强化设计。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题提供一种稀疏叶片离心泵短叶片的布置方法，通过考虑短叶片布置的位置计算对泵流场的影响，发挥短叶片改善内部流场的作用，提高双叶片离心泵的过流特性。

本发明的技术方案为：一种高过流特性叶轮的稀疏叶片设计方法，在叶轮上设有第一长叶片和第二长叶片，在两个长叶片间相间设置第一短叶片和第二短叶片，所有的长叶片、短叶片均为圆柱型叶片，短叶片设置步骤如下：

1)在叶轮平面投影图上，叶轮中心为O，叶轮进口宽度为b，作半径为1.5～1.6b的短叶片进口基圆P，在圆P与第一长叶片工作面之间作相切圆S，圆S与圆P相切的点为第一短叶片进口端点M₁；

2)在两个长叶片中间作偏向第一长叶片方向的射线OA，射线OA与叶轮边缘的交点为第一短叶片出口端点M₂；

3)作线段M₁M₂的垂直平分线L，L与过叶轮中心O的竖直线ON相交于点B，以B为中心，线段BM₁为半径，作的圆弧M₁M₂为第一短叶片工作面的位置；

4)在圆P与第二长叶片工作面之间作相切圆S'，圆S'与圆P相切的点为第二短叶片进口端点M₃；

5)以O为起点作偏向第二长叶片方向的射线OA'，射线OA'与叶轮边缘的交点为第二短叶片出口端点M₄；

6)作连接M₃M₄的垂直平分线L'，L'与ON相交于点B'，以B'为中心，线段B'M₃为半径，作的圆弧M₃M₄为第二短叶片工作面的位置。

进一步地，第一长叶片和第二长叶片沿周向对称布置，第一短叶片和第二短叶片也沿周向对称设置。

进一步地，步骤1)中，相切圆S的半径为1.0～1.2b。

进一步地，步骤4)中，相切圆S'的半径为1.0～1.2b。

进一步地，顺次连接第一长叶片背面出口端点C、叶轮中心O以及第二长叶片背面出口端点D后得到的∠COD记为θ，射线OA与射线OD的夹角为0.4～0.5θ。

进一步地，射线OA'与射线OC的夹角为0.4～0.5θ。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1.本申请为了最大化提高双叶片离心泵的过流特性进行针对性设计，通过考虑短叶片布置的位置计算对泵流场的影响，发挥短叶片改善内部流场的作用，根据短叶片偏置理论确定短叶片出口位置，根据进出口位置作圆弧连接进出口端点得到短叶片工作面布置位置；整体实施过程中各步骤简单明确，可一步到位，无需进行不断尝试调整，操作更为简单高效，可快速确定短叶片的布置位置；

2.在双叶片离心泵的两个长叶片间间隔设置了两个短叶片后，流道扩散减小，脱流和边界层分流减弱，叶轮出口流态更为均匀，可有效提升双叶片离心泵过流特性；

3.利用CFD技术进行数值模拟，发现添加短叶片的叶轮可使泵的整体性能明显提高，较无短叶片的双叶片叶轮的效率平均提升3～8％，扬程平均增加12％，该针对性设计得到了较好的效果反馈。

附图说明

图1是布置第一短叶片的确定方法示意图；

图2是布置第二短叶片的确定方法示意图；

图3是在双叶片叶轮间设置两个短叶片后的稀疏叶片径向分布示意图；

其中，11-第一长叶片，12-第二长叶片，13-第一短叶片，14-第二短叶片；

111-第一长叶片工作面，112-第一长叶片背面；

121-第二长叶片工作面，122-第二长叶片背面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例一

为了提高双叶片离心泵的过流特性，本实施例中公开一种针对双叶片离心泵设计的稀疏叶片离心泵短叶片的布置方案，参见图3，在叶轮上设有两个长叶片，分别为第一长叶片11和第二长叶片12，第一长叶片11和第二长叶片12沿周向对称布置，在两个长叶片间相间设置有两个短叶片，分别是第一短叶片21和第二短叶片22，两个短叶片也沿周向对称设置。

在双叶片叶轮中添加短叶片可以有效防止长叶片背面的流体分离和脱流，抑制尾迹流的产生和发展，改善叶轮内部的速度分布，减少叶轮内的水力损失，从而提高叶轮的过流特性。

为了进一步有针对性地提高双叶片叶轮的过流特性，本实施例中针对低比转速离心泵的稀疏叶片设计方案进行深入改进，两个短叶片的设计方法相同，只是方向上相对，第一短叶片的设计过程具体包括以下步骤：

步骤A、确定第一短叶片进口端点，如图1所示。

在叶轮平面投影图上，以叶轮中心O为圆心，作半径R_si＝1.5～1.6b的短叶片进口基圆P，其中b为叶轮进口宽度；在短叶片进口基圆P与第一长叶片工作面111之间作半径为1.0～1.2b的相切圆S，相切圆S与短叶片进口基圆P相切的点即为第一短叶片进口端点M₁；

该步骤能够使得短叶片流道进口面积与长叶片流道进口面积近似相等，避免叶轮进口堵塞，能够较好地改善叶轮内部速度分布；

步骤B、确定短叶片出口端点，如图1所示。

顺次连接第一长叶片背面112出口端点C、叶轮中心O以及第二长叶片背面122出口端点D，∠COD记为θ。

在两个长叶片中间作一条以O为起点偏向第一长叶片11方向的射线OA，射线OA与射线OD的夹角为85°，射线OA与叶轮边缘的交点即为第一短叶片出口端点M₂；

短叶片向长叶片背面偏置，有利于改善叶轮出口的“射流-尾流”结构，提高稀疏叶片过流特性。

步骤C，确定第一短叶片布置位置，如图1所示。

连接M₁M₂，作M₁M₂的垂直平分线L，L与过叶轮中心O的竖直线ON相交于点B，连接线段BM₁；以B为中心，线段BM₁为半径，作圆弧M₁M₂，圆弧M₁M₂即为第一短叶片工作面的布置位置。

该步骤使得第一短叶片能够合理地介入流场，有利于叶轮出口和蜗壳进口速度、压力分布均匀，提高泵的性能。

步骤A、确定第二短叶片进口端点，如图2所示。

在叶轮平面投影图上，以叶轮中心O为圆心，作半径R_si＝1.5～1.6b的短叶片进口基圆P'，其中b为叶轮进口宽度；在短叶片进口基圆P'与第二长叶片工作面121之间作半径为1.0～1.2b的相切圆S'，(两个叶片同时设计时，短叶片进口基圆P与P'可同等适用，也就是说如果是先设计的第一短叶片位置，作出了进口基圆P后再设计第二短叶片位置时不必再次重复该步骤，可直接在短叶片进口基圆P与第二长叶片工作面121之间作半径为1.0～1.2b的相切圆S'；反之，如果实际操作时先设计了第二短叶片的位置，再设计第一短叶片时可将P'视作P进行第一短叶片的后续设计)相切圆S'与短叶片进口基圆P'相切的点即为第二短叶片进口端点M₃；

步骤B、确定第二短叶片出口端点，如图2所示。

在两个长叶片中间作一条以O为起点偏向第二长叶片12方向的射线OA'，射线OA'与射线OC的夹角也为85°以保证两个短叶片最终也沿周向对称设置，射线OA'与叶轮边缘的交点即为第二短叶片出口端点M₄；

步骤C，确定第二短叶片布置位置，如图2所示。

连接M₃M₄，作M₃M₄的垂直平分线L'，L'与过叶轮中心O的竖直线ON相交于点B'，连接线段B'M₃；以B'为中心，线段B'M₃为半径，作圆弧M₃M₄，圆弧M₃M₄即为第二短叶片工作面的布置位置。

本申请提出一种稀疏叶片短叶片布置方法，通过在双叶片中利用简单清晰的步骤合理添加短叶片，增大了有限叶片数修正系数，可以增加扬程；当离心泵在运行时，叶轮内部流动状态较好，尤其是在小流量时，有效防止长叶片背面上流体的分离和脱流，改善叶轮内部速度分布，减小叶轮内部的水力损失，提高双叶片泵的过流特性。利用CFD技术进行数值模拟后发现，该设计较现有的传统双叶片叶轮的效率提升了3～8％，扬程平均增加12％。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种高过流特性叶轮的稀疏叶片设计方法，在叶轮上设有第一长叶片和第二长叶片，其特征在于，

在两个长叶片间相间设置第一短叶片和第二短叶片，短叶片设置步骤如下：

1）在叶轮平面投影图上，叶轮中心为O，叶轮进口宽度为b，作半径为1.5~1.6 b的短叶片进口基圆P，在圆P与第一长叶片工作面之间作相切圆S，相切圆S的半径为1.0~1.2 b，圆S与圆P相切的点为第一短叶片进口端点M₁；

2）在两个长叶片中间作偏向第一长叶片方向的射线OA，顺次连接第一长叶片背面出口端点C、叶轮中心O以及第二长叶片背面出口端点D后得到的∠COD记为θ，射线OA与射线OD的夹角为0.4~0.5θ，射线OA与叶轮边缘的交点为第一短叶片出口端点M₂；

3）作线段M₁M₂的垂直平分线L，L与过叶轮中心O的竖直线ON相交于点B，以B为中心，线段BM₁为半径，作的圆弧M₁M₂为第一短叶片工作面的位置；

4）在圆P与第二长叶片工作面之间作相切圆S'，相切圆S'的半径为1.0~1.2 b，圆S'与圆P相切的点为第二短叶片进口端点M₃；

5）以O为起点作偏向第二长叶片方向的射线OA'，射线OA'与射线OC的夹角为0.4~0.5θ，射线OA'与叶轮边缘的交点为第二短叶片出口端点M₄；

6）作连接M₃M₄的垂直平分线L'，L'与ON相交于点B'，以B'为中心，线段B'M₃为半径，作的圆弧M₃M₄为第二短叶片工作面的位置。

2.如权利要求1所述的一种高过流特性叶轮的稀疏叶片设计方法，其特征在于，第一长叶片和第二长叶片沿周向对称布置，第一短叶片和第二短叶片也沿周向对称设置。