一种斜流泵径向导叶的水力设计方法

摘要

本发明涉及一种斜流泵径向导叶水力设计方法。它给出了导叶的主要几何参数的设计公式，包括斜流泵导叶基圆直径D3、导叶进口宽度(轴向宽度)b3、导叶进口轴面速度vm3、排挤系数Ψ3、导叶进口圆周分速度υu3、导叶进口叶片宽度系数KDBY、导叶进口叶片宽度b3′、导叶前盖板圆角半径RDBY、导叶前盖板圆角半径系数KTSY、导叶后盖板圆角半径RTSY、导叶进口液流角α3′、导叶进口安放角α3、导叶叶片厚度δ3、导叶的喉部系数a3、导叶叶片数z、喉部速度v3、扩散段出口速度v4、导叶出口直径D4、扩散角扩散段进口面积F3、扩散段出口面积F4等，不同于普通泵的径向导叶水力设计方法，改善流动情况，达到提高导流和能量转换的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种斜流泵径向导叶水力设计方法。该斜流泵径向导叶广泛应用于农 业排灌、市政给排水、电力、石油、化工等行业，是相关行业循环供水、工艺供水和区域性调 水等领域的关键零部件，近年来采用径向导叶的斜流泵在核电、舰船喷水推进等行业得到 应用。

背景技术

斜流泵又叫做导叶式混流泵，具有占地面积少、外径小、易启动以及效率高等特 性，斜流泵的比转数在290～590，常用的扬程范围为10～20米，是一种性能和结构介于离心 泵和轴流泵之间的水泵，克服了两者的缺点，同时又具有两者优点，是发展潜力较大的一种 理想泵型。目前其应用范围也开始逐渐向传统离心泵和轴流泵范围拓展。

斜流泵主要适用于农业排灌、市政给排水、火电、核电、石油化工等行业循环供水、 工艺供水和区域性调水等领域，近年来在核电、舰船喷水推进方面也得到广泛应用。斜流泵 主要由泵壳、叶轮、导叶、电机等部件组成，其中导叶是斜流泵中除叶轮以外的最重要水力 部件。确定斜流泵导叶几何参数的水力设计方法是否先进，将直接影响斜流泵能否高效运 行，对长期运行的可靠性和稳定性也会产生重要影响。

由于斜流泵的应用日益广泛，对斜流泵相关技术方法的研究已成为流体机械行业 中的一个热门。但是，现有技术的斜流泵径向导叶的水力设计方法没有给出系统的设计过 程，很大程度上仍依赖于经验公式，可操作性不强，在实际设计中仍然过分依赖工程技术人 员的经验，很难满足斜流泵稳定性能好的要求，也很难做到计算机编程应用和计算机辅助 设计。所以仅仅依靠改造径向导叶形状有时不能满足提高其稳定性的要求，应该需要对斜 流泵径向导叶的水力设计方法做进一步完善。

专利号为201310405817.2号的中国发明专利中公开了一种“AP1000核主泵径向导 叶水力设计”，这种设计方法只给出了导叶基圆直径D₃、导叶进口宽度b₃、导叶进口安放角α₃螺旋线部分的线型R、导叶喉部面积F的参数的具体实施办法，其他参数还是依赖工程技术 人员的经验，没有给出系统的、精确的设计方法，而且很难做到计算机编程应用和计算机辅 助设计。专利号为201410797350.5号的中国发明专利公开了一种“带槽结构的径向导叶及 其设计方法”，在该发明专利中，发明人给出了带槽结构的径向导叶及其设计方法，此设计 方法采用计算流体力学软件ANSYCFX14.5对径向导叶定常数值模拟，得导叶内全部流道 的速度流线分布图，以此来设计带槽的径向导叶，该发明通过减小导叶工作面的漩涡区域， 改善导叶内部流场分布，从而提高其过流能力。但是该专利并没有涉及径向导叶的水力设 计，更没有给出具体参数的设计。针对上述专利存在的缺陷，本发明人发明了“一种斜流泵 径向导叶的水力设计方法”，给出了斜流泵径向导叶几何参数的设计过程，同时也建立了一 套较系统、精确的设计方法。采用该方法设计的斜流泵，，可以达到提高导流和能量转换、扩 展高效区范围，延长斜流泵泵的使用寿命和维修周期的目的。

发明目的

目前国内对于泵类产品的需求量很大，每年发电量的20％～25％都会消耗在泵类 产品上。如何实现斜流泵在保证水力效率高的同时，进一步拓宽高效区，并能稳定运行，已 经成为当前斜流泵发展的紧迫问题。由于斜流泵泵壳的特殊性，所以导叶在叶轮和泵壳之 间承上启下的作用显得尤为重要，不能照搬普通泵的导叶设计方法。本发明关于斜流泵径 向导叶的水力设计方法，达到提高导流和能量转换的目的，可以避免斜流泵性能失稳、增强 斜流泵的可靠性、提高斜流泵增长泵的寿命和维修周期，以减少检修人员的工作量。还有助 于计算机编程应用和计算机辅助设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种斜流泵径向导叶水力设计方法。通过改善 导叶的几个重要参数的设计方法，改善流动情况，达到提高导流和能量转换的目的，提高斜 流泵稳定性能。

实现上述目的所采用的技术方案是：

(1)导叶基圆直径D₃

$D_3=D_2+8.44e^{[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2]}---\left(1\right)$

式中：

D₃-导叶基圆直径。米；

D₂-叶轮出口直径，米；

(2)导叶进口宽度(轴向宽度)b₃

b₃＝b₂+4.539e×10^-5H²-0.00156H+0.01629

(2)

式中：

b₃-叶轮导叶进口宽度，米；

b₂-叶轮出口宽度，米；

H-设计工况扬程，米；

(3)导叶进口轴面速度v_m3

${\upsilon }_{m3}=\frac{Q}{2\pi ·(-8335+2.591e\times {10}^{4}Q+418.7H-1.893e\times {10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)b_3{\psi }_3}---\left(3\right)$

式中：

v_m3-导叶进口轴面速度，米/秒；

Q-设计工况的流量，米³/秒；

H-设计工况扬程，米；

b₃-导叶进口宽度(轴向宽度)，米；

ψ₃-排挤系数；

(4)导叶排挤系数ψ₃

${\psi }_3=\frac{(D_2+8.44e^{[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2]}){\mathrm{\pi sin\alpha }}_3-{\delta }_{3}z}{(D_2+8.44e^{[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2]}){\mathrm{\pi sin\alpha }}_3}---\left(4\right)$

式中：

ψ₃-排挤系数；

n_s-比转数；

D₂-叶轮出口直径，米；

α₃-导叶进口安放角，度；

δ₃-导叶叶片厚度，米；

z-导叶叶片数；

(5)导叶进口圆周分速度v_u3

${\upsilon }_{u3}=\frac{{\upsilon }_{u2}·(-6850+2.129e\times {10}^{4}Q+370.5H-1.603e\times {10}^4{Q}^2-568.2QH-4.834H^2)}{-8335+2.591e\times {10}^{4}Q+418.7H-1.893e\times {10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2}---\left(5\right)$

式中：

v_u3-导叶进口圆周分速度，米/秒；

v_u2-斜流泵叶轮出口圆周分速度，米/秒；

Q-设计工况的流量，米³/秒；

H-设计工况扬程，米；

(6)导叶进口叶片宽度系数K_DBY

K_DBY＝11.41-26.36Q-0.6622H+13.99Q²+0.9491QH+0.0089H²(6)

式中：

K_DBY-导叶进口叶片宽度系数；

Q-设计工况的流量，米³/秒；

H-设计工况扬程，米；

(7)导叶进口叶片宽度b₃′

b′₃＝K_DBYb₃(7)

式中：

b₃′-导叶进口叶片宽度，米；

K_DBY-导叶进口叶片宽度系数；

(8)导叶前盖板圆角半径系数M_DBY

$M_{DBY}=1.19e\times {10}^{-7}{n}_s^3-0.0001795n_s^2+0.0875n_s-13.19---\left(8\right)$

式中：

M_DBY-导叶前盖板圆角半径系数；

n_s-比转数；

(9)导叶前盖板圆角半径R_DBY

R_DBY＝M_DBYb′₃(9)

式中：

R_DBY-导叶前盖板圆角半径，米；

M_DBY-导叶前盖板圆角半径系数；

b₃′-导叶叶片宽度，米；

(10)导叶后盖板圆角半径系数K_TSY

$K_{TSY}=0.8561e^{[-{\left(\frac{n_s-528.8}{506}\right)}^2]}---\left(10\right)$

式中：

K_TSY-导叶后盖板圆角半径系数；

n_s-比转数；

(11)导叶后盖板圆角半径R_TSY

R_TSY＝R_DBY+K_TSYb₃(11)

式中：

R_TSY-导叶后盖板圆角半径，米；

K_TSY-导叶后盖板圆角半径系数；

b₃-叶轮导叶进口宽度，米；

(12)导叶进口液流角α₃′

${\mathrm{tan\alpha }}_3^{\prime }=\frac{1.817e^{[-{\left(\frac{n_s-71.75}{634.2}\right)}^2]}{\upsilon }_{m3}}{1.598e^{[-{\left(\frac{n_s-245.3}{445.1}\right)}^2]}{\upsilon }_{u3}}---\left(12\right)$

式中：

α₃′-导叶进口液流角，度；

v_u3-导叶进口圆周分速度，米/秒；

v_m3-导叶进口轴面速度，米/秒；

(13)导叶进口角α₃

${\alpha }_3=arctan\left[59.26e^{[-{\left(\frac{H+412.3}{216.9}\right)}^2]}{\mathrm{tan\alpha }}_3^{\prime }\right]---\left(13\right)$

式中：

α₃-导叶进口安放角，度；

α₃′-导叶进口液流角，度；

H-设计工况扬程，米；

(14)导叶叶片厚度δ₃

${\delta }_3=(3.898e\times {10}^{-9})n_s^3-5.737e\times {10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.4271---\left(14\right)$

式中：

δ₃-导叶叶片厚度，米；

n_s-比转数；

(15)导叶的喉部系数a₃

$a_3=42.57e^{[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2]}---\left(15\right)$

式中：

a₃-导叶的喉部系数，米；

n_s-比转数；

(16)导叶叶片数z

$z=\pi \sin 2{\alpha }_3/\ln [\frac{\left(a_3{\delta }_3\right){\mathrm{cos\alpha }}_3}{(-8335+2.591e\times {10}^{4}Q+4187H-1.893e\times {10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)}+1]---\left(16\right)$

式中：

z-导叶叶片数；

α₃-导叶进口安放角，度；

δ₃-导叶叶片厚度，米；

a₃-导叶的喉部系数，米；

H-设计工况扬程，米；

Q-流量，米/秒；

但确定导叶叶片数还应考虑到不要与叶轮叶片数相等或互为倍数

(17)喉部速度v₃

$v_3=(3.898e\times {10}^{-9}{n}_s^3-5.737e\times {10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.427)\sqrt{2gH}---\left(17\right)$

式中：

v₃-喉部速度，米/秒；

g-重力加速度，米/秒²；

n_s-比转数；

(18)扩散段出口速度v₄

$v_4=2.832e^{[-{\left(\frac{H-25.24}{16.63}\right)}^2]}---\left(18\right)$

式中：

v₄-扩散段出口速度，米/秒；

H-设计工况扬程，米；

(19)导叶出口直径D₄

$D_4=465.7e^{[-{\left(\frac{n_s-510.4}{579}\right)}^2]}---\left(19\right)$

式中：

D₄-导叶出口直径，米。

(20)扩散角

式中：

-扩散角，度；

(21)扩散段进口修正系数扩散段出口修正系数

式中：

-扩散段进口修正系数；

-扩散段出口修正系数；

(22)扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄

$F_3=42.57(b_2+4.539e\times {10}^{-5}{H}^2-0.00156H+0.01629)e^{[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2]}---\left(23\right)$

式中：

F₃-扩散段进口面积，米²；

F₄-扩散段出口面积，米²；

根据上述步骤，可以得到一种相对系统的、精确的径向导叶主要参数的设计方法。

通过上述计算方法确定斜流泵径向导叶主要几何参数，包括斜流泵导叶基圆直径 D₃、导叶进口宽度(轴向宽度)b₃、导叶进口轴面速度v_m3、排挤系数ψ₃、导叶进口圆周分速度 υ_u3、导叶进口叶片宽度系数K_DBY、导叶进口叶片宽度b₃′、叶前盖板圆角半径系数M_DBY、导叶前 盖板圆角半径R_DBY、导叶前盖板圆角半径系数K_TSY、导叶后盖板圆角半径R_TSY、导叶进口液流 角α₃′、导叶进口安放角α₃、导叶叶片厚度δ₃、导叶的喉部系数a₃、导叶叶片数z、喉部速度v₃、 扩散段出口速度v₄、导叶出口直径D₄、扩散角扩散段进口修正系数扩散段出口修正系 数扩散段进口面积F₃、扩散段出口面积F₄等，不同于普通泵的径向导叶水力设计法，改 善流动情况，达到提高导流和能量转换的目的，提高斜流泵稳定性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是斜流泵径向导叶的轴面图。

图2是斜流泵径向导叶的平面图。

具体实施方式

本发明通过以下几个公式来确定包括斜流泵导叶基圆直径D₃、导叶进口宽度(轴 向宽度)b₃、导叶进口轴面速度v_m3、排挤系数ψ₃、导叶进口圆周分速度υ_u3、导叶进口叶片宽度 系数K_DBY、导叶进口叶片宽度b₃′、叶前盖板圆角半径系数M_DBY、导叶前盖板圆角半径R_DBY、导 叶前盖板圆角半径系数K_TSY、导叶后盖板圆角半径R_TSY、导叶进口液流角α₃′、导叶进口安放 角α₃、导叶叶片厚度δ₃、导叶的喉部系数a₃、导叶叶片数z、喉部速度v₃、扩散段出口速度v₄、导 叶出口直径D₄、扩散角扩散段进口修正系数扩散段出口修正系数扩散段进口面 积F₃、扩散段出口面积F₄等，此实施例是在给定设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况转 速n，计算叶轮水力参数：

$D_3=D_2+8.44e^{[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2]}---\left(1\right)$

b₃＝b₂+4.539e×10^-5H²-0.00156H+0.01629mm(2)

${\upsilon }_{m3}=\frac{Q}{2\pi ·(-8335+2.591e\times {10}^{4}Q+418.7H-1.893e\times {10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)b_3{\psi }_3}---\left(3\right)$

${\psi }_3=\frac{(D_2+8.44e^{[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2]}){\mathrm{\pi sin\alpha }}_3-{\delta }_{3}z}{(D_2+8.44e^{[-{\left(\frac{n_s-753.8}{771.8}\right)}^2]}){\mathrm{\pi sin\alpha }}_3}---\left(4\right)$

${\upsilon }_{u3}=\frac{{\upsilon }_{u2}·(-6850+2.129e\times {10}^{4}Q+370.5H-1.603e\times {10}^4{Q}^2-568.2QH-4.834H^2)}{-8335+2.591e\times {10}^{4}Q+418.7H-1.893e\times {10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2}---\left(5\right)$

K_DBY＝11.41-26.36Q-0.6622H+13.99Q²+0.9491QH+0.0089H²(6)

b′₃＝K_DBYb₃(7)

$M_{DBY}=1.19e\times {10}^{-7}{n}_s^3-0.0001795n_s^2+0.0875n_s-13.19---\left(8\right)$

R_DBY＝M_DBYb′₃39)

$K_{TSY}=0.8561e^{[-{\left(\frac{n_s-528.8}{506}\right)}^2]}---\left(10\right)$

R_TSY＝R_DBY+K_TSYb₃(11)

${\mathrm{tan\alpha }}_3^{\prime }=\frac{1.817e^{[-{\left(\frac{n_s-71.75}{634.2}\right)}^2]}{\upsilon }_{m3}}{1.598e^{[-{\left(\frac{n_s-245.3}{445.1}\right)}^2]}{\upsilon }_{u3}}---\left(12\right)$

${\alpha }_3=\arctan \left[59.26e^{[-{\left(\frac{H+412.3}{216.9}\right)}^2]}{\mathrm{tan\alpha }}_3^{\prime }\right]---\left(13\right)$

${\delta }_3=(3.898e\times {10}^{-9})n_s^3-5.737e\times {10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.4271---\left(14\right)$

$a_3=42.57e^{[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2]}---\left(15\right)$

$z=\pi \sin 2{\alpha }_3/\ln [\frac{(a_3+{\delta }_3){\mathrm{cos\alpha }}_3}{(-8335+2.591e\times {10}^{4}Q+418.7H-1.893e\times {10}^4{Q}^2-681QH-4.597H^2)}+1]---\left(16\right)$

$v_3=(3.898e\times {10}^{-9}{n}_s^3-5.737e\times {10}^{-6}{n}_s^2+0.002761n_s-0.427)\sqrt{2gH}---\left(17\right)$

$v_4=2.832e^{[-{\left(\frac{H-25.24}{16.63}\right)}^2]}---\left(18\right)$

$D_4=465.7e^{[-{\left(\frac{n_s-510.4}{579}\right)}^2]}---\left(19\right)$

$F_3=42.57(b_2+4.539e\times {10}^{-5}{H}^2-0.00156H+0.01629)e^{[-{\left(\frac{n_s-3621}{1232}\right)}^2]}---\left(23\right)$

本发明采用精确公式设计法进行斜流泵径向导叶的水力设计，使斜流泵的稳定性 得到很大提高，具有良好的经济效益，更有利于计算机的编程应用。由于本发明的斜流泵径 向导叶的水力设计方法不同于普通泵的径向导叶水力设计方法，更能确保斜流泵水力部件 的尺寸的相互匹配。而且计算更精确，使理论设计与实际模型更符合。

以上，为本发明专利参照实施例做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施 例，也包含本发明构思范围内的其他实施例或变形例。