CN108916109B - 一种半开式离心泵叶轮及其优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半开式离心泵叶轮的优化设计方法，包括如下步骤：优化后长叶片的数量少于优化前叶轮长叶片；任意二个所述优化后长叶片之间设置周向不等间距排列的分流中叶片和分流短叶片；所述分流中叶片和分流短叶片与所述优化后长叶片出口位置、型线和厚度相同，所述分流中叶片和分流短叶片与所述优化后长叶片进口位置不同；在叶轮转动方向上周向依次排列顺序为所述优化后长叶片、分流短叶片和所述分流中叶片。本发明可以解决半开式叶轮离心泵上存在的效率低，进口损失大，进口汽蚀，前盖板泄漏，叶片出口边界层分离、关死点扬程较低，噪声大等问题。

Description

一种半开式离心泵叶轮及其优化设计方法

技术领域

本发明涉及离心泵研究领域，具体涉及一种半开式离心泵叶轮及其优化设计方法。

背景技术

泵作为一种通用机械，主要用于把原动机的机械能转换为流体的能量，其种类繁多，在国民经济各部门以及航天船舶等高科技领域都得到了广泛的应用。据统计，泵的耗电量占总发电量的18％，因此，提高离心泵的研究和设计水平，对国民经济发展、节约能源和环境保护有重要的影响。对于半开式离心泵而言，除了效率外还要考虑关死点扬程，本发明提出一种增加中、短分流叶片的设计方法，在叶轮外径和轴面截面不变的情况下，通过优化叶轮进出口、叶片厚度以及进口处轮毂等来提高半开式离心泵的效率，提高泵的关死点扬程。

经检索，与本发明相关的专利申请有：《一种离心泵分流叶片叶轮》，公开号：CN204419687U中就用到分流叶片的发明，此设计方法采用了长、短叶片间隔布置；《低比转数离心泵叶轮短叶片的偏置》，公开号：CN2072611中就用到分流叶片的发明，此设计方法将短叶片偏置在长叶片中。

本发明与现相关专利的有不同之处在于对分流叶片的数量和几何参数的选择上，本发明优化范围：叶轮长叶片间设置分流中短2种分流叶片，叶轮叶片进、出口安放角，出口正叶面处倒圆，叶片厚度，叶轮进口处轮毂处倒圆，叶轮排列间距。通过本优化方法可以使原有半开式叶轮离心泵性能有所提升，并提高效率和关死点扬程，改善汽蚀性能。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种半开式离心泵叶轮及其优化设计方法，解决半开式叶轮离心泵上存在的效率低，进口损失大，进口汽蚀，前盖板泄漏，叶片出口边界层分离、关死点扬程较低，噪声大等问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种半开式离心泵叶轮的优化设计方法，所述离心泵叶轮上设有数量为Z₁的优化前叶轮长叶片，设优化前叶轮长叶片的正叶面的出口处的叶片安放角为α_Z1，优化前叶轮长叶片背叶面的出口处的叶片安放角为α_b1，优化前叶轮长叶片进口的周向叶片厚度为d_j1，优化前叶轮长叶片出口的周向叶片厚度d_c1，包括如下步骤：优化后长叶片的数量少于优化前叶轮长叶片；任意二个所述优化后长叶片之间设置周向不等间距排列的分流中叶片和分流短叶片；所述分流中叶片和分流短叶片与所述优化后长叶片出口位置、型线和厚度相同，所述分流中叶片和分流短叶片与所述优化后长叶片进口位置不同；在叶轮转动方向上周向依次排列顺序为所述优化后长叶片、分流短叶片和所述分流中叶片。

进一步，所述优化后长叶片、分流中叶片和分流短叶片的骨线与优化前长叶片的骨线相同。

进一步，所述优化后长叶片正叶面的出口处的叶片安放角α_Z2＝K₂α_Z1，式中：K₂是修正系数，K₂＝1～1.2；所述优化后长叶片背叶面的出口处的叶片安放角α_b2＝K₃α_b1，式中：K₃是修正系数，K₃＝0.8～1。

所述优化后长叶片进口的周向叶片厚度d_j2＝K₄d_j1，式中：K₄是修正系数，K₄＝0.5～0.8；

所述优化后长叶片出口的周向叶片厚度d_c2＝K₅d_c1，式中：K₅是修正系数，K₅＝1.2～2。

进一步，所述优化后长叶片叶片数Z₂＝K₁Z₁，计算后取整；式中：K₁是修正系数， K₁＝0.4～0.6；所述分流中叶片叶片数Z₃、分流短叶片叶片数Z₄和长叶片叶片数Z₂相等；

所述分流中叶片进口处倾角β₂、分流短叶片进口处倾角β₃和所述优化后长叶片进口处倾角β₁要符合以下关系：β₁＝β₂＝β₃。

进一步，所述分流中叶片周向间隔角度θ₃和分流短叶片周向间隔角度θ₁符合以下关系：

式中：

Z₂所述优化后长叶片叶片数；

α_Z2所述优化后长叶片正叶面的出口处的叶片安放角；

α_b2所述优化后长叶片背叶面的出口处的叶片安放角。

进一步，对叶轮进口处轮毂位置进行倒圆角处理，其倒圆半径R₁和轮毂内径d、叶轮进口处轮毂直径d₅要符合以下关系：R₁＝K₆(d₅-d)；式中：K₆是修正系数，K₆＝0.05～0.25。

进一步，对叶轮叶片出口正叶面位置进行倒圆角处理，其倒圆半径R₂和叶轮叶片出口的周向叶片厚度d_c2要符合以下关系：R₂＝K₇d_c2；式中：K₇是修正系数，K₇＝0.2～0.4。

一种半开式离心泵叶轮，包括优化后长叶片、分流短叶片和分流中叶片，任意二个所述优化后长叶片之间设置周向不等间距排列的分流中叶片和分流短叶片；所述分流中叶片和分流短叶片与所述优化后长叶片出口位置、型线和厚度相同，所述分流中叶片和分流短叶片与所述优化后长叶片进口位置不同；在叶轮转动方向上周向依次排列顺序为所述优化后长叶片、分流短叶片和所述分流中叶片。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，通过改变原有长叶片数量，并增加分流中、短叶片的方法来改善流道内的流动状态，降低前盖板泄漏损失，从而提高泵的关死点扬程和效率，改善汽蚀性能。

2.本发明所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，对叶轮进口轮毂处进行倒角优化，当液体通过叶轮进口边轮毂处的时候会产生边界层分离，形成漩涡，压力较低时还会发生进口汽蚀，进而产生损耗并阻塞流道，为了减轻这一情况，所以本发明将叶轮进口轮毂处进行倒角优化，形成一个过渡面，液体流经此处时损耗就要小得多，汽蚀现象也得到很大改善，很好的降低了进口冲击损失和流道阻力。

3.本发明所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，对叶轮进、出口叶片厚度进行优化，减薄进口处叶片厚度，增加出口处叶片厚度，叶轮出口处正叶面进行倒圆优化，有效增加叶片进口处过水断面面积，并降低出口处正背叶面压力差，减少叶轮出口处回旋和汽蚀。

4.本发明所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，将优化前和优化后的半开式叶轮离心泵的性能对比，可以清楚的看到经过叶轮水利优化后，使得泵效率得到了的提高，扬程也有了一定的提高，尤其是泵关死点扬程有了显著提高，本发明通过对叶轮叶片的优化，最大扬程比原来提高了13.2％，最大流量比原来提高了14.3％，最高效率比原来提高了3.8％，实现半开式叶轮离心泵的水力性能优化。

附图说明

图1是本发明未优化前的实施例叶轮轴垂面投影图。

图2是本发明实施例的叶轮经过优化后的轴垂面投影图及出口处正叶面放大图。

图3是本发明实施例的叶轮经过优化后的轴面投影图及进口处轮毂放大图。

图4是本发明实施例的优化前后的性能对比图。

图中：

1-骨线；2-优化后长叶片；3-分流中叶片；4-分流短叶片；8-出口处；9-正叶面；10-背叶面；11-优化前叶轮长叶片。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，优化对象为A1型号的半开式叶轮离心泵的叶轮，其额定转速为2900转/min，优化前叶轮长叶片11相关参数如下：叶片数Z₁＝6，叶轮外径d₄＝200mm，叶片进口直径 d₁＝85.2mm，叶片进口处倾角β₁＝130°，叶片2正叶面9的出口处8的叶片安放角α_Z1和背叶面10的出口处8的叶片安放角α_b1相等且α_z1＝α_b1＝29°，叶片进口的周向叶片厚度 d_j1＝6.5mm，叶片出口的周向叶片厚度d_c1＝14.6mm，轮毂内径d＝23mm，叶轮进口处轮毂直径d₅＝35mm。

如图2和图3所示，具体优化如下：优化后长叶片2的数量少于优化前叶轮长叶片11；任意二个所述优化后长叶片2之间设置周向不等间距排列的分流中叶片3和分流短叶片4；所述分流中叶片3和分流短叶片4与所述优化后长叶片2出口位置、型线和厚度相同，所述分流中叶片3和分流短叶片4与所述优化后长叶片2进口位置不同；在叶轮转动方向上周向依次排列顺序为所述优化后长叶片2、分流短叶片4和所述分流中叶片3。所述优化后长叶片2、分流中叶片3和分流短叶片4的骨线1与优化前长叶片11的骨线1相同。

所述优化后长叶片2正叶面9的出口处8的叶片安放角α_Z2＝K₂α_Z1，式中：K₂是修正系数，K₂＝1～1.2；即α_Z2＝33°，K₂取1.15；

所述优化后长叶片2背叶面10的出口处8的叶片安放角α_b2＝K₃α_b1，式中：K₃是修正系数，K₃＝0.8～1，即α_b2＝26，K₃取0.9；

所述优化后长叶片2进口的周向叶片厚度d_j2＝K₄d_j1，式中：K₄是修正系数， K₄＝0.5～0.8；即d_j2＝3.9，K₄取0.6；

所述优化后长叶片2出口的周向叶片厚度d_c2＝K₅d_c1，式中：K₅是修正系数，K₅＝1.2～2；即d_c2＝26.3，K₅取1.8；

所述优化后长叶片2叶片数Z₂＝K₁Z₁，计算后取整；式中：K₁是修正系数，K₁＝0.4～0.6；即Z₂＝3，K₁取0.5；

所述分流中叶片3叶片数Z₃、分流短叶片4叶片数Z₄和长叶片2叶片数Z₂相等；

所述分流中叶片3进口处倾角β₂、分流短叶片4进口处倾角β₃和所述优化后长叶片2进口处倾角β₁要符合以下关系：β₁＝β₂＝β₃＝130°。

所述优化后长叶片2周向间隔角度θ₃和叶轮叶片数Z₂要符合以下关系：

所述分流中叶片3周向间隔角度θ₂和分流短叶片4周向间隔角度θ₁符合以下关系：

式中：

Z₂所述优化后长叶片2叶片数；

α_Z2所述优化后长叶片2正叶面9的出口处8的叶片安放角；

α_b2所述优化后长叶片2背叶面10的出口处8的叶片安放角。

对叶轮进口处轮毂位置A进行倒圆角处理，其倒圆半径R₁和轮毂内径d、叶轮进口处轮毂直径d₅要符合以下关系：R₁＝K₆(d₅-d)；式中：K₆是修正系数，K₆＝0.05～0.25。即 R₁＝K₆(d₅-d)＝1.2，K₆取0.1；

对叶轮叶片出口正叶面位置B进行倒圆角处理，其倒圆半径R₂和叶轮叶片出口的周向叶片厚度d_c2要符合以下关系：R₂＝K₇d_c2；式中：K₇是修正系数，K₇＝0.2～0.4，即R₂＝K₇d_c2＝7.9， K₇取0.3。

附图4为该实例中离心泵优化前和优化后的性能对比图，可以清楚的看到原方案的叶轮经过优化后，泵效率得到了的提高，扬程也有了一定的提高，尤其是泵关死点扬程有了显著提高，本发明通过对叶轮叶片的优化，最大扬程比原来提高了13.2％，最大流量比原来提高了14.3％，最高效率比原来提高了3.8％，实现半开式叶轮离心泵的水力性能优化。

一种半开式离心泵叶轮，包括优化后长叶片2、分流短叶片4和分流中叶片3，任意二个所述优化后长叶片2之间设置周向不等间距排列的分流中叶片3和分流短叶片4；所述分流中叶片3和分流短叶片4与所述优化后长叶片2出口位置、型线和厚度相同，所述分流中叶片3和分流短叶片4与所述优化后长叶片2进口位置不同；在叶轮转动方向上周向依次排列顺序为所述优化后长叶片2、分流短叶片4和所述分流中叶片3。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种半开式离心泵叶轮的优化设计方法，所述离心泵叶轮上设有数量为Z₁的优化前叶轮长叶片(11)，设优化前叶轮长叶片(11)的正叶面(9)的出口处(8)的叶片安放角为α_Z1，优化前叶轮长叶片(11)背叶面(10)的出口处(8)的叶片安放角为α_b1，优化前叶轮长叶片(11)进口的周向叶片厚度为d_j1，优化前叶轮长叶片(11)出口的周向叶片厚度d_c1，其特征在于，包括如下步骤：

优化后长叶片(2)的数量少于优化前叶轮长叶片(11)；

任意二个所述优化后长叶片(2)之间设置周向不等间距排列的分流中叶片(3)和分流短叶片(4)；所述分流中叶片(3)和分流短叶片(4)与所述优化后长叶片(2)出口位置、型线和厚度相同，所述分流中叶片(3)和分流短叶片(4)与所述优化后长叶片(2)进口位置不同；在叶轮转动方向上周向依次排列顺序为所述优化后长叶片(2)、分流短叶片(4)和所述分流中叶片(3)；所述优化后长叶片(2)叶片数Z₂＝K₁Z₁，计算后取整；式中：K₁是修正系数，K₁＝0.4～0.6；所述分流中叶片(3)叶片数Z₃、分流短叶片(4)叶片数Z₄和长叶片(2)叶片数Z₂相等；所述分流中叶片(3)进口处倾角β₂、分流短叶片(4)进口处倾角β₃和所述优化后长叶片(2)进口处倾角β₁要符合以下关系：β₁＝β₂＝β₃；

所述分流中叶片(3)周向间隔角度θ₂和分流短叶片(4)周向间隔角度θ₁符合以下关系：

式中：

Z₂所述优化后长叶片(2)叶片数；

α_Z2所述优化后长叶片(2)正叶面(9)的出口处(8)的叶片安放角；

α_b2所述优化后长叶片(2)背叶面(10)的出口处(8)的叶片安放角。

2.根据权利要求1所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于，所述优化后长叶片(2)、分流中叶片(3)和分流短叶片(4)的骨线(1)与优化前长叶片(11)的骨线(1)相同。

3.根据权利要求1所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于，所述优化后长叶片(2)正叶面(9)的出口处(8)的叶片安放角α_Z2＝K₂α_Z1，式中：K₂是修正系数，K₂＝1～1.2；

所述优化后长叶片(2)背叶面(10)的出口处(8)的叶片安放角α_b2＝K₃α_b1，式中：K₃是修正系数，K₃＝0.8～1。

4.根据权利要求1所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于，所述优化后长叶片(2)进口的周向叶片厚度d_j2＝K₄d_j1，式中：K₄是修正系数，K₄＝0.5～0.8；

所述优化后长叶片(2)出口的周向叶片厚度d_c2＝K₅d_c1，式中：K₅是修正系数，K₅＝1.2～2。

5.根据权利要求1所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于，对叶轮进口处轮毂位置进行倒圆角处理，其倒圆半径R₁和轮毂内径d、叶轮进口处轮毂直径d₅要符合以下关系：R₁＝K₆(d₅-d)；式中：K₆是修正系数，K₆＝0.05～0.25。

6.根据权利要求1所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于，对叶轮叶片出口正叶面位置进行倒圆角处理，其倒圆半径R₂和叶轮叶片出口的周向叶片厚度d_c2要符合以下关系：R₂＝K₇d_c2；式中：K₇是修正系数，K₇＝0.2～0.4。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的半开式离心泵叶轮的优化设计方法制得的半开式离心泵叶轮，其特征在于，包括优化后长叶片(2)、分流短叶片(4)和分流中叶片(3)，任意二个所述优化后长叶片(2)之间设置周向不等间距排列的分流中叶片(3)和分流短叶片(4)；所述分流中叶片(3)和分流短叶片(4)与所述优化后长叶片(2)出口位置、型线和厚度相同，所述分流中叶片(3)和分流短叶片(4)与所述优化后长叶片(2)进口位置不同；在叶轮转动方向上周向依次排列顺序为所述优化后长叶片(2)、分流短叶片(4)和所述分流中叶片(3)。

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