专利名称：多级电动泵组的制作方法
技术领域：
本发明涉及水力机械，特别是一种由多级离心泵和与泵直接连接的电动机组成的多级电动泵组。
背景技术：
多级电动泵组是由多级离心泵组成的水力机械，其电动机直接与泵元件连接。
主要水力元件是叶轮和扩压器。叶轮是每台泵的关键性元件(它将转速转换成压力)，虽然泵体或扩压器也很重要，据认为它能将流体从叶轮出口改向进入下一叶轮入口，从而恢复静压，当要求的水头很高，需要将各叶轮串联排列，因而命名为净水多级机组。
对电动泵的要求是有最高效率，而如果叶轮和扩压器有最高效率则就能达到这个要求。
近代电动泵效率额定值通常是输入电动泵总功的75％-85％。
内容本发明的目的是提供一种多级电动泵组，使泵工作稳定，不发生气蚀紊流，并超过近代电动泵效率。
本发明人已想到以下几点是主要的即泵工作稳定，不发生气蚀紊流，叶轮与扩压器叶片的弯曲段和非弯曲段使流体理想地被引导，及此液流正确的遵循叶片的方向。
本申请人已研制出一种多级电动泵组，它由多级离心泵和与泵直接连接的电动机组成，其中泵的各级均由叶轮和扩压器组成，他们的通道分有叶片段和无叶片段，这些区段被限制在轮盖表面和轮毂表面之间，表面各点切线角是β角，它是特征参数，因为若设电动泵的Y轴为纵坐标，X轴为横坐标，流率在2500-8000l/min之间，则叶轮与扩压段表面符合以下的六阶多项式Y＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，对扩压器而言
a).轮毂无叶片区A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.6605，G＝20.45；b).轮盖无叶片区A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.7225，G＝55.648；c).轮毂有叶片区A＝9E-09，B＝7E-06，C＝-0.0019，D＝0.3064，E＝-26.923，F＝1256.3，G＝-24283；d).轮盖有叶片区A＝1E-10，B＝-9E-08，C＝2E-05，D＝-0.0033，E＝0.2349，F＝-7.616，G＝174.28；e).轮毂无叶片区A＝0，B＝0，C＝-1E-05，D＝0.0073，E＝-1.7542，F＝186.27，G＝-7311.6；f).轮盖无叶片区A＝0，B＝0，C＝0，D＝0.0053，E＝-2.6745，F＝446.37，-G＝24717；g).轮毂βA＝0，B＝0，C＝1E-06，D＝-0.0002，E＝0.0203，F＝-1.0819，G＝156.82；h).轮盖βA＝0，B＝0，C＝3E-07，D＝-1E-04，E＝0.0101，F＝-0.7587，G＝175。
在不同流率情况下，叶轮的多项式常数改变。
用了电动泵元件的这些几何特征，这种电动泵的效率远高于目前已有的效率，增加多达14％，这在这类机械中是罕见的。
在传统工艺中，叶轮和扩压器都是铸件，因此几何形状/曲线的精度都会受到影响，二者的特性曲线难以做到且特殊。
本发明中，一旦推导出上述多项式，加工中心即得能精确编程使实际几何形状与理论形状的偏差减小，因此实际效率与理论效率的差别很小。
为了更好的理解本发明的目的附上说明图。
图1是流体f的入口a处的涡流旋涡表示。
图2是叶轮通道壁面流体边界层表示。
图3是进入叶轮叶片的流体的表示。
图4是叶轮与扩压器无叶片部分、无叶片扩压器之间连接关系的表示。
图5是叶轮几何形状与流道的横截面及坐标图。
图6是扩压段几何形状与流道的横截面及坐标图。
图7是轮盖T与轮毂C的β-M％图。
具体实施例方式
使用的符号如下-A∈[2，3，5]这里指A属于闭区间(包括了区间的端值)，此端值为2，3和5。换言之，A可以取2，3和5之间(包括这2个数)的任何值。
-Q指流率，其单位是升/分(l/min)。
-平面(Z，R)是图5和图6中定义的平面；它由R坐标(纵坐标)和Z坐标(横坐标)画曲线(R和Z的单位是mm)。Z轴在曲线图上与电动泵回转体的Y轴偏置。
-轮盖与轮毂在图上表示成曲线，不论是叶轮还是扩压器表体，这些曲线全是轴对称的。
-β角度(图3和7)。
叶片上一点的β角是叶片在该点切线的角度(切向)。
曲线图(β，M％)为每一M％(叶片上走过距离的百分数，因此，在叶片起点是0％，在叶片末端是100％)的β值。
-叶轮及/或扩压器通道。
这相当于叶轮及/或扩压器的轮盖与轮毂，两相邻叶片之间包围的流体容积。
-“双曲率”这是从叶片进口边到叶片出口边切线坐标的值。
给定β分布图，则(轮盖与轮毂的)入口处的“双曲率“便设定，用于完全定义叶轮通道(扩压器也一样)。
叶轮和扩压器的构成元件如下轮盖T这是泵流径的最外流动面。
叶片是叶轮、轮毂或定子伸出的具有空气动力形状的表面(具有规定的厚度分布)且决定流动路线，就旋转叶片而言它是传力给流体的主要因素。
轮毂C这是泵流径的最外流动面。
叶轮及/或扩压器非叶片的通道的壁便是轮盖T和轮毂C。
一旦流体进入叶轮通道，附面层开始发展到轮盖与轮毂表面的整个叶片上，流动的核心，至少在起初有遵循叶片通道流动的倾向，因而可假定是均匀吸入流，如在吸入流中有任何畸变，则流动核心的特征是从开始就有涡系存在，必须加以避免。
涡系(见图1)是势的例子，流线在其中绕一中心点回转(即一使压区，龙卷)，所以实际上中心速度为零，因此压力最高。
与通道壁接触之处(V＝0)，接近此壁的流体质点的速度降下来，形成一层叫做附面层的流体层，在此层中流体质点速度小于未受拢动区域的速度。
U附面层＜U其他质点式中U是质点的总体速度。
δ定义为附面层cp的厚度(见图2)，这是其速度约等于附面层外侧速度的99％的各点几何位置。
在流体在叶轮通道内流动的情况下，流体核心部分CF和附面层表面受到复杂的力量，形成复杂的流动模型。附面层起初遵循自由流方向，但在流体在叶轮通道内流动的情况下附面层和流体核心部分受到整个通道力量的影响，正因为如此，在流体核心部分发生二次流，它在轮盖真空面附近，并在轮毂升压区形成高动量的流动。
通常，二次流被认为是粘性效应为主的流动，反之，一次流被认为是动力效应为主的流动。
总特征是，可以确定，一次流和二次流都遵守守恒方程(该方程和边界条件一起决定流体通过导管动时是处于回转状态还是不变状态)
泵级的基本流体动力学特征可应用以下原理详细研究每一部件及其基本速度三角形做介绍，这些原理是1)第一原理是质量守恒原理。
2)角坐标系统的牛顿运动方程。
3)涡轮机械的欧控方程，该方程简要说明增量等于角动量的变化。应用这些原理可研究流量各点的速度三角形。
最重要之点是叶轮的叶片(2)之间的入口1，主要参数示于图3。
由此看出，以径向速度Cm吸入叶轮入口的相同流体可有多种进口流态。
可见流体随泵工作轮从圆周速度U＝2.π.r.N运动。根据以下基本原理绘制速度三角形。
相对速度+叶轮速度＝绝对速度对于叶轮吸入流，Co＝0(流体以理想状态吸入叶轮)的情况而言，相对流动角由入口径向速度(由质量流量和密度变量控制)及叶轮当地速度U确定，所得相对流角为β。
如果β等于叶片角，则流体准确遵循叶片方向流动，但在不同情况下，该角度可能大于或小于叶片角，因此，流动会有一定冲角，当有任何预旋时(水在进叶轮前转动)不管与电机轴是同转向还是反转向，入口流态也会有很大改变。
以恰当的进口设计可获得理想的叶轮入口。
通过既改变质量流量又改变流通截面，相对速度W1t(叶轮进口1对轮盖的相对速度)最小，当因进口直径而增加速度或流通面积增加时，U增加，如果流通截面缩小，意味着单位面积质量流量及Cm的增加。
径向速度分量Cm由质量守恒方程决定，绝对流角是相对流角与叶轮速度的计算结果，实际上，出口液流角并不严格按叶片，而有一定差别，从切向速度观点看，此差别叫做滑动速度，由此可导出滑动率。
对径向叶片和曲叶而言，合成的绝对液流角α很大典型值是α＝50°-80°(径向坐标)或α’＝10°-40°(切向坐标)。最常见的角度大小是α’＝15°-25°及α＝65°-75°。出口速度三角形是重要的，因为不仅可决定功值或压力增加，而且可了解压力波动随质量流量而改变。
一旦工作条件规定且叶轮效率已知，则除了能很好估算滑动系数外还可计算进口到出口的流量，所得到的流量的特征是出口有大量的动能和一定旋度。
如前所述效率将等熵功(等熵功＝可用来达到要求水头的最小功)与实际功联系起来，这是热力学的严格定义。
为了能确定速度三角形，必须知道叶轮的效率，但作到这一点不简单。
下一步要考虑的是无叶片扩压器，即无叶片扩压器任何一点的出口流量。
根据角动量守恒定律，改变为平均流量描述的路线的半径可将动能转变成静压增量。
角动量讲的是叶轮输出端与角动量守恒定律一致的角动量。事实上，部分角动量在流量通过无叶片扩压段移动时消失了，因此必须作较准确计算来估计这种损失，可以说预期的角动量可能损失5％-15％左右。
总体速度的径向分量Cm可按质量守恒方程(在密度比已知的情况下)准确标出，反之，液流角可将这二关系式结合起来确定，通过无叶片扩压段的液流角取决于通道宽度。
扩压段中必须遵守的流动面积变化用作动能转变成压力能增加的第二种方法。
扩压器作为不同部件之间的连接点，在调节流量和控制径向推力方面也起重要作用。
无叶片扩散段3(见图4)主要由二平行壁4组成，形成一开口的环形径向通道，从叶轮出口5上升到有效大半径的某个界限，有时它后面是一涡壳式收集器，其它情况后面是一扩压器壳体，但有些扩压器没有“凹壁”，在另外的情况下，在面积增加场合无用无叶片扩压段，这是作为进入通道式扩压结构的输入系统的一部分。
叶轮和扩压壳体(有叶片)之间有无叶片扩压段，这样有助于防止在扩压壳体的叶片和扩压器之间震动波型的耦合，从而防止扩压壳体叶片进口边受力和因疲劳而失效。
还可应用在叶轮后连续跟着的扩压壳体，其叶片紧接叶轮出口并延伸到下一级进口。
考虑到这一切调节因素，本申请人已完成了大量有效的实验，并用计算流体力学CFD的方法进行计算，对泵内流通各点逐点求出最佳形状，以便达到最佳效率。
在将这一几何形状表示在坐标轴上，其中泵的Y轴是纵坐标(Y≡R)及X≡Z是横坐标Y上的径向坐标，应用数学方法到此几何形状，推导出一个简单方程，它与获得的实验数据符合，误差范围±3.5％。
此方程是多项式Y＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，式中常数A，B，C，D，E，F和G必须针对流体流过的泵的各区寻找。
图5是叶轮的流程图和几何形状，叶轴由无叶片区6(来自入口的流体进此区)和有叶片区7(其中的流体流向扩压器)组成。图中可见轮盖T和轮毂C的二个端面。
图6是壳体或扩压器的流程图与几何形状，在本例中扩压器包括初始的无叶片区8(流体从叶轮出口进入其中)，有叶片区9，和第二无叶片区10，将流体改变方向进入下一级叶轮。
已作研究的流率Q的范围为2500-8000立升/分。
在已完成的实验中，本申请人认为，为了达到最佳效率，电动泵的主要部件是泵体扩压段，因此它保持不变，而当流率Q的范围发生变化时可行的是修改叶轮，为此，对所述的多项式而言第一种叶轮适用流率Q1而范围是2500-6000立升/分，第二种叶轮适用流率Q2的范围是4500-8000立升/分。
该式为Y＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G
其中I叶轮D壳体或扩压器A有叶片区NA无叶片区T轮盖
C轮毂ββ角在实验室中对电动泵的已知效率和对按适合所列多项式的元件的几何形状开发的样机的效率作了多次测试。
作为例子，下面附上不同流率Q的13个测试结果，在这些例子中，所有新电动泵采用同样的壳体-扩压器，第一种叶轮的流率Q范围是3250-5700升/分，第二种叶轮的流率Q2的范围是5000-7000升/分。
权利要求
1，多级电动泵组，它由多级离心泵和与泵有直接连接的电动机组成，每一级包括泵，即叶轮和扩压器，它们的通道分有叶片区和无叶片区，这二个区的边界是轮盖表面和轮毂表面，β角是表面各点切线角，其特征在于，令电动泵的Y轴为纵坐标，X轴为横坐标，则对流量Q范围为2500-8000升/分而言，叶轮和扩压器的表面各点符合六阶多项式Y＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，其中在扩压器上a).轮毂无叶片区A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.6605，G＝20.45；b).轮盖无叶片区A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.7225，G＝55.648；c).轮毂有叶片区A＝9E-09，B＝7E-06，C＝-0.0019，D＝0.3064，E＝-26.923，F＝1256.3，G＝-24283；d).轮盖有叶片区A＝1E-10，B＝-9E-08，C＝2E-05，D＝-0.0033，E＝0.2349，F＝-7.616，G＝174.28；e).轮毂无叶片区A＝0，B＝0，C＝-1E-05，D＝0.0073，E＝-1.7542，F＝186.27，G＝-7311.6；f).轮盖无叶片区A＝0，B＝0，C＝0，D＝0.0053，E＝-2.6745，F＝446.37，-G＝24717；g).轮毂βA＝0，B＝0，C＝1E-06，D＝-0.0002，E＝0.0203，F＝-1.0819，G＝156.82；h).轮盖βA＝0，B＝0，C＝3E-07，D＝-1E-04，E＝0.0101，F＝-0.7587，G＝175。
2，根据上述权利要求所述的多级电动泵，其特征在于，叶轮上a1).轮毂无叶片区A＝0，B＝0，C＝0，D＝6E-05，E＝0.0014，F＝-0.0146，G＝27.511；b1).轮盖无叶片区A＝0，B＝0，C＝0，D＝0，E＝0，F＝0，G＝64.5；c1).轮毂有叶片区A＝0，B＝0，C＝5E-06，D＝-0.0014，E＝0.1535，F＝-6.3821，G＝121.24；d1).轮盖有叶片区A＝-4E-08，B＝8E-06，C＝-0.0006，D＝0.0247，E＝-0.4771，F＝4.3023，G＝50.015；e1).轮毂βA＝0，B＝3E-09，C＝-9E-07，D＝0.0001，E＝-0.0042，F＝-0.0915，G＝34.402；f1).轮盖βA＝0，B＝1E-09，C＝-5E-07，D＝6E-05，E＝-0.0044，F＝0.1822，G＝22.2
3，根据权利要求1所述的多级电动泵，其特征在于，叶轮上a2).轮毂无叶片区A＝0，B＝0，C＝0，D＝5E-05，E＝0.0013，F＝-0.0139，G＝27.511b2).轮盖无叶片区A＝0，B＝0，C＝0，D＝0，E＝0，F＝0，G＝64.5c2).轮毂有叶片区A＝0，B＝0，C＝5E-06，D＝--0.0012，E＝0.1205，F＝--4.7599，G＝93.614；d2).轮盖有叶片区A＝-0，B＝7E-07，C＝-0.0001，D＝0.0058，E＝-0.113，F＝0.8709，G＝62.273；e2).轮毂βA＝0，B＝0，C＝9E-08，D＝-3E-05，E＝0.0002，F＝0.0246，G＝41.062f2).轮盖βA＝0，B＝0，C＝-6E-07，D＝0.0001，E＝-0.0126，F＝0.5887，G＝23.694。
全文摘要
多级电动泵组，它由多级离心泵及与泵直接连接的电动机组成，每一级包括泵，即叶轮和扩压器，这二元件的通道有分叶片区和无叶片区，这些区的边界是轮盖表面和轮毂表面，β角是表面各点切线角，其特征在于，令电动泵的Y轴为径向坐标，X轴为横向坐标，则对流量Q范围为2500－8000升/分而言，叶轮和扩压器表面各点符合六阶多项式，Y＝f(x)＝AX
文档编号F04D29/44GK1530555SQ20031011344
公开日2004年9月22日 申请日期2003年11月10日 优先权日2003年3月13日
发明者西尔维娅·杜兰阿维拉, 玛丽亚埃莱娜·罗德里格斯埃纳德斯, 埃莱娜 罗德里格斯埃纳德斯, 西尔维娅 杜兰阿维拉 申请人:因达尔·马基纳斯·希德尔奥利卡斯有限公司, 因达尔 马基纳斯 希德尔奥利卡斯有