一种轴流泵叶轮水力设计方法及轴流泵

本发明涉及轴流泵领域，特别涉及一种轴流泵叶轮水力设计方法及轴流泵。

背景技术：

1、轴流泵是一种高比转速叶片泵，靠旋转叶轮的叶片对介质产生的作用力使介质沿轴线方向进行输送，常规比转速在500-1500。为了提高轴系强度，需要将轴承前移安装到导叶内部，即叶轮和导叶轮毂需要加大，导致叶轮和导叶外径需要加大，而加大叶轮进口直径会导致效率大幅下降，为了保证过流断面面积和流道的均匀过渡，所以设计时考虑将叶轮和导叶的轮毂和轮缘设计成具有一定倾斜角度的结构，即叶轮和导叶的出口直径大于进口直径，同时轮毂比也需要加大。目前已有的各种轴流泵叶轮水力设计方法大多用于设计进出口直径相等的叶轮，不适用于设计该类型轴流泵叶轮。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轴流泵叶轮水力设计方法及轴流泵，深入研究轴流泵内部流动水动力学特性，进行了多目标多参数优化设计，总结出一套适用于该类型轴流泵的高效水力模型设计方法，优选出多个性能优秀的水力模型进行模型泵实物试制试验，试验结果符合预期，模型泵水力性能优秀。本发明的轴流泵叶轮水力设计方法及轴流泵，不仅给出了相应比转速范围内精确的叶轮几何参数水力设计方法，还给出了可以通过叶轮的几何参数来预测泵扬程的公式，通过判断预测扬程与设计扬程的偏差反过来修改各叶轮各参数或修正系数，提高设计的精确性。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种轴流泵叶轮水力设计方法，包括如下步骤：

4、确定泵的设计工况流量qn、设计工况扬程hn、设计工况转速nn、叶轮进口边轮毂直径dh和叶轮出口边轮毂直径dh；

5、根据设计工况流量qn和设计工况转速nn，确定进口直径dj；

6、根据设计工况流量qn、设计工况转速nn和比转速ns，确定叶轮出口直径d2，其中400<ns<800；

7、设置n条流线将叶轮轴面流道划分为n-1个分区域流道，第i条流线满足下面要求：

8、

9、

10、

11、当n为偶数时，ε1+εn＝ε2+εn-1＝ε3+εn-2＝…＝εn/2+ε(n+2)/2；

12、当n为奇数时，ε1+εn＝ε2+εn-1＝ε3+εn-2＝…＝2ε(n+1)/2；

13、

14、其中：

15、i为第i条流线，i∈[1，n]；

16、u2i为第i条流线出口圆周速度，m/s；

17、d2i为第i条流线与出口边交点直径，m；

18、g为重力加速度，m/s2；

19、vm2i为第i条流线出口轴面速度，m/s；

20、v′u2i为第i条流线出口圆周分速度，m/s；

21、β2i为第i条流线出口角，度；

22、εi为第i条流线v′u2i修正系数；

23、为修正系数εi的平均值；

24、叶轮额定流量点处的扬程满足如下关系式：

25、

26、

27、式中：

28、h为预测设计工况扬程，m；

29、u2i为第i条流线出口圆周速度，m/s；

30、u1i为第i条流线进口圆周速度，m/s；

31、β2i为第i条流线出口安放角，度；

32、β1i为第i条流线进口安放角，度；

33、δsi为第i条流线与第i-1根流线与叶轮进出口边围成的流道面积，mm2；

34、s为轴面流道面积，mm2；

35、kh为扬程修正系数，s2/m；

36、a为kh修正系数，s2/m，取值选取范围(3*10-6＜a＜4*10-6)；

37、ns为比转速；

38、若预测的泵扬程h与设计工况扬程hn的差值超过设定误差，则调整kh修正系数和修正系数εi的平均值，使预测的泵扬程h与设计工况扬程hn的差值小于设定误差。

39、进一步，所述根据设计工况流量qn和设计工况转速nn，确定进口直径dj，具体为：

40、叶轮进口边与轴线垂直，进口边直径选取公式如下：

41、

42、

43、式中：

44、d0为进口有效直径，m；

45、dj为进口直径，m；

46、dh为叶轮进口边轮毂直径,m；

47、qn为设计工况流量，m3/s；

48、nn为设计工况转速nn，r/min；

49、k0为泵进口尺寸修正系数，取k0＝5～5.5。

50、进一步，所述根据设计工况流量qn、设计工况转速nn和比转速ns，确定叶轮出口直径d2，具体为：

51、

52、式中：

53、d2为叶轮出口直径，m；

54、ns为比转速；

55、k2为叶轮出口直径修正系数，根据叶轮外流线倾斜角δ确定。

56、进一步，叶轮出口直径大于叶轮进口直径，叶轮出口轮毂直径大于叶轮进口轮毂直径。

57、进一步，所述叶轮外流线倾角δ取值范围为0°＜δ＜15°；叶轮出口直径修正系数k2取值范围为11.5～13。

58、进一步，流线数量大于等于5，分区域流道数量大于等于4。

59、进一步，还包括叶片数z和叶栅稠密度的确定，具体如下：

60、当400<ns<600时，z＝5，

61、当600<ns<800时，z＝4，

62、

63、式中：

64、z为叶片数；

65、为叶轮外缘处的叶栅稠密度；

66、为叶轮轮毂处的叶栅稠密度。

67、进一步，还包括叶轮出口边与导叶进口边之间的距离l的确定，具体为：

68、l＝(0.12～0.15)d2

69、式中：

70、l为叶轮出口边与导叶进口边之间的距离，mm；

71、d2为叶轮出口边直径，mm。

72、一种轴流泵，包括所述的轴流泵叶轮水力设计方法的叶轮。

73、本发明的有益效果在于：

74、本发明所述的轴流泵叶轮水力设计方法及轴流泵，针对该大轮毂轴流泵不同于传统轴流泵的特殊结构，给出了适用于该结构轴流泵的水力设计方法。基于叶轮不同流道做功能力不同，分多个流道对轴流式叶轮进行参数设计与选取，根据微积分理论将不同流道对介质做功能力进行叠加，并给出扬程与叶轮设计参数的关系式进行扬程预测，进而实现扬程的精确控制。优选叶轮导叶交界处水力设计参数，进一步减小损失，提高泵效率，优化方法简单高效，优化设计思路清晰可靠。通过本发明优化设计的大轮毂轴流泵额定点流量扬程准确同时效率较高，实现了快速准确地设计出达到设计要求的轴流泵的目的。

技术特征：

1.一种轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，所述根据设计工况流量qn和设计工况转速nn，确定进口直径dj，具体为：

3.根据权利要求1所述的轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，所述根据设计工况流量qn、设计工况转速nn和比转速ns，确定叶轮出口直径d2，具体为：

4.根据权利要求1所述的轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，叶轮出口直径大于叶轮进口直径，叶轮出口轮毂直径大于叶轮进口轮毂直径。

5.根据权利要求3所述的轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，所述叶轮外流线倾角δ取值范围为0°＜δ＜15°；叶轮出口直径修正系数k2取值范围为11.5～13。

6.根据权利要求1所述的轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，流线数量大于等于5，分区域流道数量大于等于4。

7.根据权利要求1所述的轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，还包括叶片数z和叶栅稠密度的确定，具体如下：

8.根据权利要求1所述的轴流泵叶轮水力设计方法，其特征在于，还包括叶轮出口边与导叶进口边之间的距离l的确定，具体为：

9.一种轴流泵，其特征在于，包括根据权利要求1-8任一项所述的轴流泵叶轮水力设计方法的叶轮。

技术总结
本发明提供了一种轴流泵叶轮水力设计方法及轴流泵，包括如下步骤：确定泵的设计工况流量、设计工况扬程、设计工况转速、叶轮进口边轮毂直径和叶轮出口边轮毂直径；根据设计工况流量和设计工况转速，确定进口直径；根据设计工况流量、设计工况转速和比转速，确定叶轮出口直径；设置流线将叶轮轴面流道划分为n个分区域流道，确定第i条流线满足的要求；叶轮额定流量点处的扬程满足的关系式：若预测的泵扬程与设计工况扬程的差值超过设定误差，则调整修正系数和修正系数的平均值，使预测的泵扬程与设计工况扬程的差值小于设定误差。本发明给出扬程与叶轮设计参数的关系式进行扬程预测，精确计算叶轮做功能力，进而实现扬程的精确控制。

技术研发人员：陈华铮,朱荣生,付强,龙云
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15