CN115013318A - 一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其包括第一叶片、第一盖板、第一出口、第一口环、第一叶轮流道、第二叶片、第二盖板、第二出口、第二口环、第二叶轮流道、轮毂，第一出口的轴向两端与第二出口的轴向两端分别平齐且具有相同的轴向宽度，在周向上，第一出口与第二出口交替/间隔设置，其特征在于：第一口环(13)具有第一口环外缘(131)、第一口环内缘(132)，第一口环外缘为圆形，第一口环内缘为第一椭圆形，第二口环(23)具有第二口环外缘、第二口环内缘(232)，第二口环外缘为圆形，第二口环内缘为第二椭圆形，第一椭圆形的长轴与第二椭圆形的长轴相垂直。本发明能够有效地提高离心泵的抗汽蚀性能。

Description

一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及多级离心泵技术领域，具体涉及一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构及其设计方法。

背景技术

如图1所示，现有技术JP2018-105298A公开了一种高效双吸叶轮结构，其第一叶轮流道的出口端具有第一出口，第二叶轮流道的出口端具有第二出口，第一出口的轴向两端与第二出口的轴向两端分别平齐且具有相同的轴向宽度，在周向上，第一出口与第二出口交替/间隔设置，能够减小双吸叶轮的轴向尺寸。但现有的该双吸叶轮结构在减小双吸叶轮轴向尺寸的同时，相应的抗汽蚀性能有所降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构及其设计方法，其通过口环内缘、凹凸部的设计，能够有效地提高离心泵的抗汽蚀性能。其通过该设计方法，能够提高离心泵的抗汽蚀性能，从而提高离心泵的整体效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其包括第一叶片(10)、第一盖板(11)、第一出口(12)、第一口环(13)、第一叶轮流道(P1)、第二叶片(20)、第二盖板(21)、第二出口(22)、第二口环(23)、第二叶轮流道(P2)、轮毂(30)，轮毂包括对称设置的第一毂部(31)、第二毂部(32)，第一叶片与第二叶片对称设置，相邻两第一叶片之间构成第一叶轮流道(P1)，相邻两第二叶片20之间构成第二叶轮流道(P2)，第一叶轮流道的出口端具有第一出口，第二叶轮流道的出口端具有第二出口，第一出口的轴向两端与第二出口的轴向两端分别平齐且具有相同的轴向宽度，在周向上，第一出口与第二出口交替/间隔设置，第一盖板的端部具有第一口环，第二盖板的端部具有第二口环，其特征在于：第一口环(13)具有第一口环外缘(131)、第一口环内缘(132)，第一口环外缘为圆形，第一口环内缘为第一椭圆形，第二口环(23)具有第二口环外缘、第二口环内缘(232)，第二口环外缘为圆形，第二口环内缘为第二椭圆形，第一椭圆形的长轴(2a)与第二椭圆形的长轴相垂直。

进一步地，所述轮毂(30)的轴向端部具有毂部轴向端部外缘(33)，毂部轴向端部外缘具有半径R，第一椭圆形和/或第二椭圆形具有长半轴a，短半轴b，a＝(1.05-1.2)b，R＝(0.5-0.65)a。

进一步地，所述毂部轴向端部外缘(33)的外周面设置有多个凹槽(331)，多个凹槽沿周向分布。

进一步地，所述凹槽(331)的径向深度为第一毂部(31)径向厚度的0.25-0.4倍，凹槽(331)的轴向深度为第一毂部(31)径向厚度的0.5-2倍。

进一步地，所述第一盖板(11)具有第一盖板内侧壁(111)，第一盖板内侧壁表面上且位于第一叶轮流道(P1)内设置有凹凸部(112)，凹凸部呈波浪状，凹凸部从第一口环(13)的下游延伸至第一出口(12)。

进一步地，在周向上，凹凸部(112)仅设置于第一椭圆形的短轴所对应的区域，该区域为周向60-150°。

进一步地，所述第二盖板(21)具有第二盖板内侧壁，第二盖板内侧壁表面上且位于第二叶轮流道(P2)内设置有第二凹凸部，第二凹凸部呈波浪状，第二凹凸部从第二口环的下游延伸至第二出口；在周向上，第二凹凸部仅设置于第二椭圆形的短轴所对应的区域，该区域为周向60-150°该结构与第一盖板内侧壁具有相同的凹凸部结构。

一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

设计/计算时各参数/各变量取其数值部分进行设计/计算；

1)确定双吸叶轮比转速n_q，按以下方式计算：

式中：f_q-叶轮吸入口数量；Q_BEP-多级泵额定流量；n-额定转速；H_BEP-设计扬程；

2)确定叶轮流道的流道中线r；流道中线为一条变异的阿基米德螺旋线，按以下方程式计算：

式中：r-原始的流道中线；D₂-流道出口直径；θ-极角；

-流道中线包角；

3)确定出口宽度b、叶轮第一侧吸入口盖板倾角T₁、叶轮第二侧吸入口盖板倾角T₂、叶轮进口直径D’₁、叶轮出口直径D'₂；按以下方式计算：

T₁＝T₂＝80°～87°；

式中：g-重力加速度、H-泵首级扬程、Q-泵首级流量；

4)确定叶轮流道的叶片厚度σ₁、叶片出口角β₁、叶片包角

流道中线包角

根据以下公式计算:

σ₁＝4～8mm；

β₁＝10°～30°；

5)保持叶轮出口速度c₂和出口动态液流角α₂不变；

6)保证首级蜗壳进口绝对液流角α₃为一恒定值；

7)保持叶轮具有略低的扬程系数ψ，防止旋转失速，扬程系数ψ按以下方式计算：

式中：g-重力加速度，H-泵首级扬程，u₂-叶轮外径处圆周速度；

8)双吸叶轮两侧叶片在外径处呈交替交叉布置，包括位于双吸叶轮第一侧的叶片压力面、位于双吸叶轮第一侧的叶片吸力面、位于双吸叶轮第二侧的叶片压力面、位于双吸叶轮第二侧的叶片吸力面，对叶片上的流体动反力进行严格控制，引入了局部压力系数C_p和整体升力系数C_L的两个函数进行控制，压力系数C_p根据以下公式计算：

压力系数C_L根据以下公式计算：

式中：c_u-切向速度分量，Z-叶轮叶片数，r-柱坐标系下的径向分量，x-柱坐标系下的轴向分量，B-叶片高度，f_b-新型叶片分布系数，w_1tip、w₂-相对速度矢量，u₂-叶轮外径处圆周速度，L-叶轮高度；

9)开设在双吸叶轮两端吸入口的两组流道，关于双吸叶轮的中轴面呈对称布置，且偏转一定角度γ，偏转角γ根据以下公式计算：

γ＝2π/Z；

式中：Z-叶片数；

10)确定流量系数

效率η、功率系数λ，根据以下公式计算：

式中：C-轴功率，ΔP_tot-总压，ω-旋转角速度。

本发明的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构及其设计方法，其通过口环内缘、凹凸部的设计，能够有效地提高离心泵的抗汽蚀性能。其通过该设计方法，能够提高离心泵的抗汽蚀性能，从而提高离心泵的整体效率。

附图说明

图1为现有技术双吸叶轮结构示意图；

图2为本发明双吸叶轮结构示意图；

图3为本发明双吸叶轮结构示意图；

图4为本发明双吸叶轮结构示意图；

图5为本发明双吸叶轮结构示意图；

图6为本发明双吸叶轮结构示意图；

图7为本发明双吸叶轮结构示意图；

图8为本发明双吸叶轮结构示意图。

图中：第一叶片10、第一盖板11、第一出口12、第一口环13、第一叶轮流道P1、第一口环外缘131、第一口环内缘132、第一盖板内侧壁111、凹凸部112、第二叶片20、第二盖板21、第二出口22、第二口环23、第二叶轮流道P1、第二口环内缘232、轮毂30、第一毂部31、第二毂部32、毂部轴向端部外缘33、凹槽/槽口331。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2-7所示，一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其包括第一叶片10、第一盖板11、第一出口12、第一口环13、第一叶轮流道P1、第二叶片20、第二盖板21、第二出口22、第二口环23、第二叶轮流道P2、轮毂30，轮毂30包括对称设置的第一毂部31、第二毂部32，第一叶片10与第二叶片20对称设置，相邻两第一叶片10之间构成第一叶轮流道P1，相邻两第二叶片20之间构成第二叶轮流道P2，第一叶轮流道P1的出口端具有第一出口12，第二叶轮流道P2的出口端具有第二出口22，第一出口12的轴向两端与第二出口22的轴向两端分别平齐且具有相同的轴向宽度，在周向上，第一出口12与第二出口22交替/间隔设置，第一盖板11的端部具有第一口环13，第二盖板21的端部具有第二口环23，其特征在于：第一口环13具有第一口环外缘131、第一口环内缘132，第一口环外缘131为圆形，第一口环内缘132为第一椭圆形，第二口环23具有第二口环外缘、第二口环内缘232，第二口环外缘为圆形，第二口环内缘232为第二椭圆形，第一椭圆形的长轴(2a)与第二椭圆形的长轴相垂直。

如图4-6所示，进一步地，轮毂30的轴向端部具有毂部轴向端部外缘33，毂部轴向端部外缘33具有半径R，第一椭圆形和/或第二椭圆形具有长半轴a，短半轴b，a＝(1.05-1.2)b，优选地1.1；R＝(0.5-0.65)a，优选地0.6。

本发明的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其通过口环内缘的设计，能够有效地提高离心泵的抗汽蚀性能。

进一步地，毂部轴向端部外缘33的外周面设置有多个凹槽331，多个凹槽331沿周向均匀分布。凹槽331的径向深度为第一毂部31径向厚度的0.25-0.4倍，凹槽331的轴向深度为第一毂部31径向厚度的0.75-1.5倍。

本发明的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其通过凹槽331配合口环内缘的设计，能够进一步地/更好地提高离心泵的抗汽蚀性能。

进一步地，第一盖板11具有第一盖板内侧壁111，第一盖板内侧壁111表面/上且位于第一叶轮流道P1内设置有凹凸部112，凹凸部112呈波浪状，凹凸部112从第一口环13的下游延伸至第一出口12。

进一步地，在周向上，凹凸部112仅设置于第一椭圆形的短轴所对应的区域/位置，该区域为周向60-150°。

进一步地，第二盖板21具有第二盖板内侧壁，第二盖板内侧壁表面/上且位于第二叶轮流道P2内设置有第二凹凸部，第二凹凸部呈波浪状，第二凹凸部从第二口环23的下游延伸至第二出口22，与第一盖板内侧壁111具有相同的凹凸部结构。

本发明的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其通过凹凸部112的设计，能够进一步地提高离心泵的抗汽蚀性能。

一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构的设计方法，其包括以下步骤：

设计/计算时各参数/各变量取其数值部分进行设计/计算；

1)确定双吸叶轮比转速n_q，按以下方式计算：

式中：f_q-叶轮吸入口数量；Q_BEP-多级泵额定流量；n-额定转速；H_BEP-设计扬程；

2)确定叶轮流道的流道中线r；流道中线为一条变异的阿基米德螺旋线，按以下方程式计算：

式中：r-原始的流道中线；D₂-流道出口直径；θ-极角；

-流道中线包角；

3)确定出口宽度b、叶轮第一侧吸入口盖板倾角T₁、叶轮第二侧吸入口盖板倾角T₂、叶轮进口直径D₁'、叶轮出口直径D'₂；按以下方式计算：

T₁＝T₂＝80°～87°；

式中：g-重力加速度、H-泵首级扬程、Q-泵首级流量、n-额定转速；

4)确定叶轮流道的叶片厚度σ₁、叶片出口角β₁、叶片包角

流道中线包角

根据以下公式计算:

σ₁＝4～8mm；

β₁＝10°～30°；

5)保持叶轮出口速度c₂和出口动态液流角α₂不变；

6)保证首级蜗壳进口绝对液流角α₃为一恒定值；

7)保持叶轮具有略低的扬程系数ψ，防止旋转失速，扬程系数ψ按以下方式计算：

式中：g-重力加速度，H-泵首级扬程，u₂-叶轮外径处圆周速度；

8)双吸叶轮两侧叶片在外径处呈交替交叉布置，包括位于双吸叶轮第一侧的叶片压力面、位于双吸叶轮第一侧的叶片吸力面、位于双吸叶轮第二侧的叶片压力面、位于双吸叶轮第二侧的叶片吸力面，对叶片上的流体动反力进行严格控制，引入了局部压力系数C_p和整体升力系数C_L的两个函数进行控制，压力系数C_p根据以下公式计算：

压力系数C_L根据以下公式计算：

式中：c_u-切向速度分量，Z-叶轮叶片数，r-柱坐标系下的径向分量，x-柱坐标系下的轴向分量，B-叶片高度，f_b-新型叶片分布系数，w_1tip、w₂-相对速度矢量，u₂-叶轮外径处圆周速度，L-叶轮高度；

9)开设在双吸叶轮两端吸入口的两组流道，关于双吸叶轮的中轴面呈对称布置，且偏转一定角度γ，偏转角γ根据以下公式计算：

γ＝2π/Z；

式中：Z-叶片数；

10)确定流量系数

效率η、功率系数λ，根据以下公式计算：

式中：C-轴功率，ΔP_tot-总压，ω-旋转角速度。

本发明的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构及其设计方法，其通过口环内缘、凹凸部的设计，能够有效地提高离心泵的抗汽蚀性能。其通过该设计方法，能够提高离心泵的抗汽蚀性能，从而提高离心泵的整体效率。

上述实施方式是对本发明的说明，不是对本发明的限定，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其包括第一叶片(10)、第一盖板(11)、第一出口(12)、第一口环(13)、第一叶轮流道(P1)、第二叶片(20)、第二盖板(21)、第二出口(22)、第二口环(23)、第二叶轮流道(P2)、轮毂(30)，轮毂包括对称设置的第一毂部(31)、第二毂部(32)，第一叶片与第二叶片对称设置，相邻两第一叶片之间构成第一叶轮流道(P1)，相邻两第二叶片20之间构成第二叶轮流道(P2)，第一叶轮流道的出口端具有第一出口，第二叶轮流道的出口端具有第二出口，第一出口的轴向两端与第二出口的轴向两端分别平齐且具有相同的轴向宽度，在周向上，第一出口与第二出口交替/间隔设置，第一盖板的端部具有第一口环，第二盖板的端部具有第二口环，其特征在于：第一口环(13)具有第一口环外缘(131)、第一口环内缘(132)，第一口环外缘为圆形，第一口环内缘为第一椭圆形，第二口环(23)具有第二口环外缘、第二口环内缘(232)，第二口环外缘为圆形，第二口环内缘为第二椭圆形，第一椭圆形的长轴(2a)与第二椭圆形的长轴相垂直。

2.如权利要求1所述的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其特征在于，所述轮毂(30)的轴向端部具有毂部轴向端部外缘(33)，毂部轴向端部外缘具有半径R，第一椭圆形和/或第二椭圆形具有长半轴a，短半轴b，a＝(1.05-1.2)b，R＝(0.5-0.65)a。

3.如权利要求2所述的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其特征在于，所述毂部轴向端部外缘(33)的外周面设置有多个凹槽(331)，多个凹槽沿周向分布。

4.如权利要求3所述的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其特征在于，所述凹槽(331)的径向深度为第一毂部(31)径向厚度的0.25-0.4倍，凹槽(331)的轴向深度为第一毂部(31)径向厚度的0.5-2倍。

5.如权利要求2所述的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其特征在于，所述第一盖板(11)具有第一盖板内侧壁(111)，第一盖板内侧壁表面上且位于第一叶轮流道(P1)内设置有凹凸部(112)，凹凸部呈波浪状，凹凸部从第一口环(13)的下游延伸至第一出口(12)。

6.如权利要求5所述的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其特征在于，在周向上，凹凸部(112)仅设置于第一椭圆形的短轴所对应的区域，该区域为周向60-150°。

7.如权利要求6所述的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构，其特征在于，所述第二盖板(21)具有第二盖板内侧壁，第二盖板内侧壁表面上且位于第二叶轮流道(P2)内设置有第二凹凸部，第二凹凸部呈波浪状，第二凹凸部从第二口环的下游延伸至第二出口；在周向上，第二凹凸部仅设置于第二椭圆形的短轴所对应的区域，该区域为周向60-150°该结构与第一盖板内侧壁具有相同的凹凸部结构。

8.如权利要求7所述的一种用于多级离心泵的双吸叶轮结构的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

设计/计算时各参数/各变量取其数值部分进行设计/计算；

1)确定双吸叶轮比转速n_q，按以下方式计算：

式中：f_q-叶轮吸入口数量；Q_BEP-多级泵额定流量；n-额定转速；H_BEP-设计扬程；

2)确定叶轮流道的流道中线r；流道中线为一条变异的阿基米德螺旋线，按以下方程式计算：

式中：r-原始的流道中线；D₂-流道出口直径；θ-极角；

-流道中线包角；

3)确定出口宽度b、叶轮第一侧吸入口盖板倾角T₁、叶轮第二侧吸入口盖板倾角T₂、叶轮进口直径D'₁、叶轮出口直径D'₂；按以下方式计算：

T₁＝T₂＝80°～87°；

式中：g-重力加速度、H-泵首级扬程、Q-泵首级流量、n-额定转速；

4)确定叶轮流道的叶片厚度σ₁、叶片出口角β₁、叶片包角

流道中线包角

根据以下公式计算:

σ₁＝4～8mm；

β₁＝10°～30°；

5)保持叶轮出口速度c₂和出口动态液流角α₂不变；

6)保证首级蜗壳进口绝对液流角α₃为一恒定值；

7)保持叶轮具有略低的扬程系数ψ，防止旋转失速，扬程系数ψ按以下方式计算：

式中：g-重力加速度，H-泵首级扬程，u₂-叶轮外径处圆周速度。

9.如权利要求8所述的设计方法，其特征在于，还包括：

8)双吸叶轮两侧叶片在外径处呈交替交叉布置，包括位于双吸叶轮第一侧的叶片压力面、位于双吸叶轮第一侧的叶片吸力面、位于双吸叶轮第二侧的叶片压力面、位于双吸叶轮第二侧的叶片吸力面，对叶片上的流体动反力进行严格控制，引入了局部压力系数C_p和整体升力系数C_L的两个函数进行控制，压力系数C_p根据以下公式计算：

压力系数C_L根据以下公式计算：

式中：c_u-切向速度分量，Z-叶轮叶片数，r-柱坐标系下的径向分量，x-柱坐标系下的轴向分量，B-叶片高度，f_b-新型叶片分布系数，w_1tip、w₂-相对速度矢量，u₂-叶轮外径处圆周速度，L-叶轮高度；

9)开设在双吸叶轮两端吸入口的两组流道，关于双吸叶轮的中轴面呈对称布置，且偏转一定角度γ，偏转角γ根据以下公式计算：

γ＝2π/Z；

式中：Z-叶片数；

10)确定流量系数

效率η、功率系数λ，根据以下公式计算：

式中：C-轴功率，ΔP_tot-总压，ω-旋转角速度。

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