專利名稱：高效低汽蝕無過載離心泵葉輪設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離心泵葉輪技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高效低汽蝕無過載離心泵葉輪設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
目前公知的離心泵葉輪設(shè)計方法是在滿足流量、揚程等設(shè)計要求下，盡可能減小葉輪外徑，以提高泵效率，從而使得葉片出口安放角較大。因此，一般離心泵軸功率隨流量增大而不斷增加，且比轉(zhuǎn)速越低，軸功率曲線隨流量增大而上升越快，當離心泵在較大流量運行時，易使軸功率超過配套的原動機功率，導(dǎo)致原動機過載。然而很多工作場合要求離心泵同時具備效率高、汽蝕性能優(yōu)以及實現(xiàn)大流量工況下(全揚程全流量)安全可靠地?zé)o過載運行。
現(xiàn)有專利“一種無過載低比速離心泵葉輪”(申請?zhí)?0214606. 8)指出“中國專利89212885. 2 ‘用于旋轉(zhuǎn)式流體機械漸開線葉輪’能較好地解決泵軸功率隨流量增大而不斷增加的問題，但其不足是泵的效率難以提高……泵的效率僅達到國標GB9477-88的B線水平。”
現(xiàn)有專利“一種低比速離心泵葉輪設(shè)計方法”(申請?zhí)?00410014937. O)進一步指出“現(xiàn)有的專利技術(shù)89212885. 2號專利‘用于旋轉(zhuǎn)式流體機械漸開線葉輪’和90214606. 8 號專利‘一種無過載低比速離心泵葉輪’，提出了一些新的設(shè)計方法……但這兩個專利仍然存在以下三個方面的問題……還有可能在使用工況發(fā)生超載……設(shè)計工況效率偏低?！?br> 然而，現(xiàn)有專利(申請?zhí)柗謩e為:89212885.2,90214606. 8 以及 200410014937. O) 中所記載的技術(shù)方案均還存在以下三方面的問題其一、離心泵無過載特性不理想，主要表現(xiàn)為大流量區(qū)軸功率未真正出現(xiàn)功率極大值(即軸功率隨流量增大而繼續(xù)緩慢增加，在大流量區(qū)，葉輪由于發(fā)生汽蝕而致軸功率下降)，如圖1所示；或軸功率極大值與設(shè)計點(額定點)軸功率之比大于1.1，致使配套的原動機功率較大，從而在很大程度上失去了無過載特性的意義；其二、汽蝕性能較差，葉輪易汽蝕，并產(chǎn)生振動、噪聲和軸功率下降，主要表現(xiàn)為某些離心泵的無過載特性，實際上是由于汽蝕現(xiàn)象導(dǎo)致大流量區(qū)軸功率下降而產(chǎn)生的無過載假象，而不是離心泵真正具備無過載特性；當該種離心泵用于進口液面遠高于葉輪或者進口壓力較高的閉式管路系統(tǒng)等場合時，則不存在汽蝕現(xiàn)象，從而在大流量運行時仍然出現(xiàn)過載問題，如圖2所示；汽蝕性能較差的另一方面是，由于追求無過載特性而影響汽蝕性能；其二、泵效率仍需提聞。
總之，目前無過載離心泵還存在的問題有1、無過載特性不理想；2、汽蝕性能較差；3、效率較低。其實此三方面問題正是現(xiàn)實存在的問題，其中有些問題是一般設(shè)計者尚未意識到的問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的 是提供一種高效低汽蝕無過載離心泵葉輪設(shè)計方法，用本方法設(shè)計得到的離心泵葉輪同時具備真正理想的無過載特性、高效率和低汽蝕等優(yōu)良性能。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種高效低汽蝕無過載離心泵葉輪設(shè)計方法，其特征在于本離心泵葉輪的水力模型幾何參數(shù)如下
β 2s = 14。 21。；
β 2p = 10。 16。；
Δβ2=β2 ； — β2ρ = 2° 7。；
β ls = 15。 36。；
β lp = 16。 35。；
Z = 4 6 ;
θ = 155° 210° ；
Y = O. 8 1. 5 ;
式中β23_葉片出口背面安放角，度；
β2ρ—葉片出口工作面安放角，度；
Δ β2—葉片兩面出口安放角的角度差，度；
β 13—葉片進口背面安放角，度；
β 1ρ—葉片進口工作面安放角，度；
Z —葉片數(shù)，個；
Θ—葉片包角，度；
Y—面積比。
優(yōu)選的，所述Y =1.1 1. 5。
本發(fā)明專利的申請人在多年分析研究旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)的非慣性系、非定常流等特性的基礎(chǔ)上,對輸入水力功率Ph得出了一些如下的新認識
1、輸入水力功率Ph是原動機輸入的機械功率(軸功率)扣除機械損失功率后那部分的機械功率，即泵軸帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，從而葉片對介質(zhì)產(chǎn)生作用力(推動力)所對應(yīng)原動機的機械能。
輸入水力功率Ph由兩種分功率合成，第一種分功率Pr對應(yīng)于徑向分速度Vr，第二種分功率Pu對應(yīng)于周向分速度Vu及Wu，即Ph=Pr+Pu。而且，Pr隨流量的增大而增大,增大的幅度隨著ns增高而減慢,其中，由于軸流泵葉輪內(nèi)的Vr=O,貝U其Pr=O,如圖3a ;Pu隨流量增大而減小，減小的幅度隨著ns增高而加快，見圖3b。從而可合理解釋離心泵、混流泵、 軸流泵的輸入水力功率Ph及軸功率P的功率曲線分別呈上升、基本水平、下降的規(guī)律，其解析見圖3c、3d、3e，圖3c、3d、3e中的Pm為機械損失功率。
2、葉輪內(nèi)部流動參數(shù)，如速度、壓力、流量、液流角等，從背面到工作面呈周期性變化，與長期以來所假設(shè)的軸對稱流有本質(zhì)區(qū)別。葉輪內(nèi)部的大部分流量是流經(jīng)葉片低壓面也即背面(即通常所謂的“非工作面”)，該處的能量轉(zhuǎn)換和水力損失對泵的總能量起著重要的作用，甚至是比高壓面(通常所謂的“工作面”)更重要，即葉片背面對揚程、效率所起的作用比工作面所起的作用還重要。
本發(fā)明的有益效果
I)、本發(fā)明提出新的、重要的水力設(shè)計要素，優(yōu)化設(shè)計水力模型幾何參數(shù)，將葉片背面安放角列為最重要的設(shè)計要素；建立雙主面速度三角形，以表達葉輪真實流場內(nèi)(背面與工作面)的各種速度變化規(guī)律，取代現(xiàn)行速度三角形；葉片出口背面安放角大于工作面安放角，葉片兩面不平行，新型葉片類似翼型；直接設(shè)計出葉片背面和工作面的兩條型線，從而直接獲得具有厚度的流線型葉片，改變現(xiàn)行葉片水力設(shè)計中對葉片加厚的方法。
2)、本發(fā)明不僅提高了泵效率和改善了汽蝕性能，而且達到真正理想的無過載特性，其中真正理想的無過載特性主要表現(xiàn)為軸功率極大值與設(shè)計點(額定點)軸功率之比小于1.1，具有完全意義的無過載特性；在泵的進口壓力處于較高的情況下同樣具備優(yōu)良的無過載特性，不存在因汽蝕造成無過載假象。從而實現(xiàn)離心泵高效節(jié)能、全揚程全流量理想的無過載穩(wěn)定可靠地運行。


圖1是離心泵的理想的無過載特性曲線圖和不理想的無過載特性曲線圖。
圖2是離心泵的真實的非無過載軸功率曲線圖和假象的無過載軸功率曲線圖。
圖3a是輸入水力功率第一種分功率Pr的解析圖。
圖3b是輸入水力功率第二種分功率Pu的解析圖。
圖3c是離心泵分功率、輸入水力功率、軸功率的解析圖。
圖3d是混流泵分功率、輸入水力功率、軸功率的解析圖。
圖3e是軸流泵分功率、輸入水力功率、軸功率的解析圖。
圖4是本發(fā)明的葉輪軸向剖視圖。
圖5是圖1左視的葉輪葉片圖。
圖6是本發(fā)明實施例的工況曲線圖。
圖中標注符號的含義如下
I一葉片進口直徑2-葉輪前蓋板3-葉輪出口寬度
4 一葉輪后蓋板5—葉輪外徑6—葉片7—葉片工作面
8—葉片背面9 一葉片出口工作面安放角
10—葉片出口背面安放角11 一葉片包角
12—葉片進口工作面安放角13—葉片進口背面安放角具體實施方式
圖1和圖2所示共同確定了實施例中的葉輪形狀。本實施例中的葉輪形狀與大多數(shù)離心泵葉輪一樣，具有葉輪前蓋板2和葉輪后蓋板4,是一種閉式葉輪。如果沒有葉輪前蓋板，即做成半開式或開式葉輪，也不影響本發(fā)明的實施，因為本發(fā)明控制的是葉片6的參數(shù)。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案`β 2s = 14° 21°、β2ρ=10° 16°、Δβ2 = 2° V、Ζ = 4 6、Θ = 155° 210°、Υ =1.1 1. 5，優(yōu)化設(shè)計水力模型幾何參數(shù)，使得離心泵在某流量點以后，滿足離心泵軸功率曲線出現(xiàn)極值的理論條件，其中包括優(yōu)化設(shè)計葉輪出口寬度3、葉輪外徑5、葉片出口工作面安放角9、葉片出口背面安放角10等，以控制面積比Y ;合理選擇葉片進口直徑I等葉片進口幾何參數(shù)。本發(fā)明直接設(shè)計出葉片背面和工作面的兩條型線，直接獲得具有厚度的流線型葉片。
圖6中為由本發(fā)明中的方法制備得到的離心泵葉輪的單級泵性能曲線圖，測試時泵進口壓力加至0. 2MPa，以避免汽蝕產(chǎn)生軸功率下降而導(dǎo)致的無過載假象。所述圖6中離 心泵葉輪的幾何參數(shù)如下β 2s = 15. 5° ;β2ρ = 11. 5° ；Δ β 2 = β 2s — β 2p = 4° ;βls= 19° ;β1p = 25° ;Z = 4 ；θ = 190°；Υ=1.1；由圖6可知，本發(fā)明通過對葉輪中的幾何參數(shù)加以針對性地優(yōu)化設(shè)計，以有效控 制離心泵軸功率曲線的變化規(guī)律，使軸功率曲線產(chǎn)生極值，從而實現(xiàn)離心泵無過載特性，并 在某課題的高效無過載低比轉(zhuǎn)速離心泵設(shè)計研究中得以驗證。該低比轉(zhuǎn)速離心泵ns=62，其 樣機各項性能如無過載、效率、汽蝕等達到甚至優(yōu)于指標①無過載特性良好，軸功率極值 (最大軸功率)是額定點軸功率的1.1倍，軸功率拐點處流量約是額定流量的1. 5倍；②效率 同比高6個百分點；③汽蝕余量同比優(yōu)0.8m。
權(quán)利要求
1.一種高效低汽蝕無過載離心泵葉輪設(shè)計方法，其特征在于本離心泵葉輪的水力模型幾何參數(shù)如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效低汽蝕無過載離心泵葉輪設(shè)計方法，其特征在于所述Y =L I L 5。
全文摘要
本發(fā)明涉及離心泵葉輪技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高效低汽蝕無過載離心泵葉輪設(shè)計方法。本離心泵葉輪的水力模型幾何參數(shù)如下β2s＝14°～21°；β2p＝10°～16°；Δβ2＝β2s－β2p＝2°～7°；β1s＝15°～36°；β1p＝16°～35°；Z＝4～6；θ＝155°～210°；Y＝0.8～1.5；式中β2s—葉片出口背面安放角；β2p—葉片出口工作面安放角；Δβ2—葉片兩面出口安放角的角度差；β1s—葉片進口背面安放角；β1p—葉片進口工作面安放角；Z—葉片數(shù)；θ—葉包角；Y—面積比。本發(fā)明不僅提高了泵效率和改善了汽蝕性能，而且達到真正理想的無過載特性，從而實現(xiàn)離心泵高效節(jié)能、全揚程全流量理想的無過載穩(wěn)定可靠地運行。
文檔編號F04D29/66GK103047174SQ20121057432
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者張興林, 李鯤, 吳生盼, 沈宗沼, 丁強民, 姚黎明, 劉海山, 丁思云, 李香 申請人:合肥通用機械研究院