一种中小型水泵高精度叶片全调节装置及其设计方法

摘要

中小型立式轴流泵叶片全调节装置，属于能源动力技术领域，主要包括叶片转动机构、操作机构和显示机构三部分；叶片转动机构由叶片、转臂、连杆、耳柄和操作架构成；操作机构由上操作杆、轮毂底盖及密封装置、分离轴承、下操作杆、铰A、滑块A、杠杆、铰B、滑块C、铰C、外操作杆、外操作杆限位导向装置、蜗轮蜗杆机构、手轮构成；显示机构由角度指针及刻度盘构成；观察显示机构指示的叶片角度值，顺时针转动手轮，通过操作机构和叶片转动机构的传动，使叶片向大角度方向调节；反之，逆时针转动手轮，使叶片向小角度方向调节；结构新颖，易于操作，增加费用少，可在停机时和运行过程中随时调节叶片角度，满足泵站变角经济运行和调节流量的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水泵叶片调节装置，具体涉及一种中小型水泵高精度机械式叶片全调节装置及其设计方法，适用于中小型立式轴流泵和导叶式混流泵。

背景技术

中小型立式轴流泵和导叶式混流泵在我国平原圩区的抗旱、排涝中应用广泛。在轴流泵和导叶式混流泵运行过程中，泵装置扬程经常随上下游水位变化，在一定的泵装置扬程下，对应一定的叶片角度，使泵装置效率最高，实现泵站变角经济运行，这就需要能够及时调节水泵叶片角度；通过调节叶片角度，还可以调节水泵流量，特别是加大排涝流量。目前，中小型水泵由于泵轴直径较小，无法像大型水泵那样做成空心泵轴设置叶片全调节装置，因此，中小型轴流泵和导叶式混流泵都是半调节形式，需要将水泵拆开，才能调节叶片角度，而拆泵需要在泵站前池前筑围堰，抽干前池和进水池内的水，工作人员才能下去拆泵，周期长、费用大，使得实际泵站在使用过程中不能调节叶片角度，增加了运行成本。所以需要一种新型的适用于面广量大的中小型水泵的叶片全调节装置。

发明内容

本发明针对上述中小型立式轴流泵和导叶式混流泵叶片角度半调节、实际不调节，造成运行能耗大、无法改变流量的不足，提出一种结构简单、便于实施的中小型立式水泵机械式叶片全调节装置及其设计方法，能够在水泵运行和停机时随时调节叶片角度，调节精度高，达到提高泵装置效率、降低运行能耗和调节流量的目的。

为实现以上目的，本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现，一种中小型水泵高精度叶片全调节装置，包括叶片转动机构、操作机构和显示机构三个部分。

所述叶片转动机构安装在水泵叶轮轮毂内部，由叶片、转臂、连杆、耳柄和操作架构成；操作架与泵轴垂直设置，操作架上设有若干径向设置的凸头，凸头数与叶片数同，操作架的每个凸头通过耳柄、连杆和转臂与一只叶片根部的转轴连接；所述耳柄垂直插入操作架凸头的孔内，与操作架刚性连接；耳柄与连杆、连杆与转臂之间均采用铰连接，所述转臂与叶片轴为刚性连接；叶片相对于轮毂可转动到不同角度；

所述操作机构由上操作杆、轮毂底盖及密封装置、分离轴承、下操作杆、支撑架及导向装置、铰A、滑块A、杠杆、铰B、滑块C、铰C、外操作杆、外操作杆限位导向装置、蜗轮蜗杆机构和手轮构成；所述上操作杆上端与操作架刚性连接，上操作杆与操作架随泵轴转动，上操作杆下端穿出轮毂底盖；所述下操作杆上端通过分离轴承与上操作杆下端连接，下操作杆只能上下移动，不能转动；所述杠杆出水侧端滑块与下操作杆下端铰连接，杠杆中部与轴流泵喇叭管进水侧边缘铰连接，杠杆进水侧端滑块与外操作杆下端铰连接，所述杠杆两端设置滑块处为空心，保证滑块A和滑块C能在左右一定范围内滑动；外操作杆上部与手轮轴通过蜗轮蜗杆机构配合连接；

所述显示机构由90°丝扣接头A’、水平连接杆、90°丝扣接头B’、垂直连接杆、限位导向装置、指针和刻度盘构成。下操作杆下端与水平连接杆用90°丝扣接头A’刚性连接，水平连接杆与垂直连接杆用90°丝扣接头B’刚性连接，垂直连接杆上端与指针连接。

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现，中小型水泵高精度叶片全调节装置的设计方法，包括操作机构最大叶片调节力计算方法、操作机构部件设计计算校核方法和显示机构叶片角度调节误差计算校核方法；

所述操作机构最大叶片调节力计算方法：

水泵运行时，叶片受到水压力、离心力及机械摩擦力三部分力的作用。计算表明，离心力和机械摩擦力很小，可以忽略不计，所以只需要计算叶片相对于叶片轴的水力矩。

计算水力矩，采用专门的旋转流体机械ANSYS软件对轴流泵进行建模、网格划分、数值模拟。流体控制方程为

连续方程为：

动量方程为：

式中：ρ—密度；t—时间；U—速度矢量；B—体积力总和；μ_eff—有效粘度；p'—修正压力；—散度；·—矢量积；—叉乘；T—转置。其中：

μ_eff＝μ+μ_t(3)

式中：μ_t—湍流粘度；k—湍动能；p—压强；μ—分子粘度；k-ε模型假设湍流粘度与湍动能和湍动能耗散有关，即

式中：ε—湍动能耗散率；C_μ—k-ε湍流模型常数。

采用k-ε紊流模型：

式中；σ_k、σ_ε—常数；μ—粘度；P_k—湍流剪切产出项。

用CFD软件计算出轴流泵所有叶片相对于叶片轴的水力转矩，所有叶片水力转矩相加得到水泵叶片调节水力转矩。计算在水泵运行范围内的不同扬程、不同叶片角度工况的叶片调节转矩，取其中最大调节转矩，通过叶片转动机构，计算出叶片转动机构操作架及上、下操作杆所需的最大调节力，用于设计计算和校核机械式叶片全调节装置的操作机构和显示机构。

所述操作机构部件设计计算校核方法：

设计操作机构的上操作杆、下操作杆、杠杆和外操作杆，要求其强度和刚度满足要求。调节叶片角度时，操作杆受拉或受压，要求其正应力小于等于操作杆材料的许用正应力，即：

式中：σ—正应力；F—操作杆最大调节力；A_min—操作杆最小横截面面积；[σ]—操作杆材料许用正应力。

上、下操作杆的伸长量或压缩量应小于等于允许伸长或压缩量，设计操作杆断面要求操作杆伸长或缩短量小于允许值：

式中：E—操作杆材料弹性模量；A—操作杆横截面面积；L_c—操作杆长度；[ΔL_c]—操作杆允许伸长量或压缩量，按叶片角度调节精度控制。

杠杆两端分别与下操作杆和外操作杆铰连接，铰连接的销轴受剪切力作用，要求实际最大剪应力小于销轴材料许用剪切力，按下式进行销轴直径设计选择：

式中：d—销轴直径；i—销轴受剪面数量；[τ]—销轴材料许用剪应力。

调节叶片角度时，杠杆会产生倾斜，与水平面有一小的角度，但杠杆主要受弯曲作用，外力基本垂直于杠杆轴线，最大弯矩在铰B处的断面，最大弯矩为

M＝FL_g1(11)

式中：M—杠杆最大弯矩；L_g1—杠杆B点到A点的长度。设计杠杆，要求杠杆最大弯矩断面最大应力小于材料许用应力，即

式中：W—杠杆抗弯截面系数，对矩形截面其中b、h—矩形截面的宽、高。

设计时，叶片角度为0°时，操作机构不受力时，杠杆处于水平位置。操作机构各部件无变形时，当叶片调到任一角度，杠杆左端A的垂直位移即为操作架的行程s，设其向上位移为正，显示机构指针通过水平连接杆、垂直连接杆指示的角度没有误差。杠杆右端C点和外操作杆的垂直位移为A点的垂直位移通过杠杆放大的位移，C点位移方向与A点位移方向相反，设其向下位移为正，其值为

Δs_外＝s>g2/L_g1>

式中：s—操作架行程，即垂直位移(m)；L_g2—杠杆B点至C点的距离，杠杆A点至C点总长度为L_g＝L_g1+L_g2。考虑操作机构各部件变形，对相同的叶片调节角度和调节方向，操作杆调节力不变，操作架高低位置不变，则杠杆左端A点的位移为操作架的行程s与上操作杆和下操作杆变形之和，上、下操作杆变形以引起A点向上位移即压缩为正，则A点总垂直位移为

ΔH_A＝s+ΔL_上+下(14)

式中：ΔL_上+下—上操作杆和下操作杆压缩量之和，用式(9)计算。此时杠杆右端C点的向下位移为

ΔH_C＝(s+ΔL_上+下)L_g2/L_g1+f_C(15)

式中：(s+ΔL_上+下)L_g2/L_g1—A点位移由于杠杆放大作用引起的C点位移；f_C—杠杆C点产生的相对于A、B两点连线的挠度，向下为正，根据材料力学，其值为：

式中：I_y—杠杆横截面轴惯性矩，对于矩形断面外操作杆上端向下位移量为

ΔH_外上＝(s+ΔL_上+下)L_g2/L_g1+f_C+ΔL_外(17)

式中：ΔL_外—外操作杆的压缩量，用(17)式减去(13)式，得到因操作机构部件变形引起的外操作杆上端垂直位移增加量ΔH_外上增，即

ΔH_外上增＝ΔL_上+下L_g2/L_g1+f_C+ΔL_外(18)

要求ΔH_外上增≤5mm。

所述显示机构叶片角度调节误差计算校核方法：

叶片转动机构设计，在叶片角0°时，转臂处于水平位置，连杆处于垂直位置。当叶片角在正角度范围内调节时，叶片角α与操作架行程s关系为：

式中：l₁—转臂长度(m)；l₂—连杆长度(m)；α—叶片相对于0°角的调节角度。

当叶片角在负角度范围内调节时，叶片角α与操作架行程s关系为：

式中：α—叶片相对于0°角的调节角度，用正值代入。

设调节叶片角度变化1°的操作架最小行程为Δs，则调节叶片角度的显示误差度数为

δα＝ΔL_上+下/Δs(21)

式中：上、下操作杆最大变形ΔL_上+下用式(9)计算；叶片角度在各种位置时变化1°的操作架行程用式(19)和(20)计算，取其最小值，即为Δs。要求角度调节误差δα小于0.1°。

优选的，所述叶片的轴插入轮毂，叶片根部与轮毂之间设有密封装置。

优选的，所述操作架四周的凸头数量等于水泵叶轮叶片数量，在操作架其中相对面两只凸头外侧设有凸止口；所述轮毂内壁相应位置相对面设有上下方向的导向槽，操作架凸止口与导向槽相配合，使得操作架相对于轮毂只能上下相对移动，不能相对转动。

优选的，所述上操作杆穿出轮毂底盖处与轮毂底盖之间设有密封装置。

优选的，所述外操作杆的中部设有限位导向装置。

优选的，所述显示机构水平连接杆上部与喇叭管进口之间有足够的间距，保证叶片调至最大角度时水平连接杆与喇叭管进口不相碰。

优选的，垂直连接杆的中部设有限位导向装置。

优选的，所述手轮与刻度盘位于站房的电机层上的轴流泵配套电动机附近，手轮距地面高度为1.0～1.4m，刻度盘距地面高度为1.4～1.6m，便于管理人员操作和观测。

调节叶片角度时，指针通过水平连接杆和垂直连接杆随着下操作杆的上下移动指在刻度盘的对应刻度上，由于水平连接杆和垂直连接杆不受叶片调节力的作用，不产生变形，仅有上操作杆和下操作杆的微小变形，所以指针能较准确地指示叶片的角度。

本发明的有益效果是：提出一种适用于中小型立式轴流泵和导叶式混流泵的机械式叶片全调节装置，该装置结构新颖，调节精度高，易于操作，只需增加很少费用，可在停机时和运行过程中任意时刻进行叶片角度调节，以满足泵站变角经济运行和调节流量的要求。

附图说明

图1为本发明叶片全调节装置系统图；

图2为本发明叶片全调节装置叶片转动机构原理图；

图3为本发明叶片全调节装置支撑架截面形状图；

图4为本发明叶片全调节装置D向视图；

图5为本发明叶片全调节装置E-E视图；

图6为本发明叶片全调节装置F-F视图；

图7为本发明叶片全调节装置叶片转矩计算叶片表面压力分布图。

图中：叶片1、转臂2、连杆3、耳柄4、操作架5、操作架凸止口5-1、操作架导向槽6、上操作杆7、轮毂底盖8、静密封装置9、分离轴承10、下操作杆限位导向装置11、支撑架12、下操作杆13、铰A14、销轴14-1、第一垫片14-2、第二垫片14-3、第三垫片14-4、螺母14-5、滑块A15、杠杆16、滑块槽16-1、销轴导向槽16-2、铰B17、喇叭管18、滑块C19、铰C20、外操作杆21、外操作杆限位导向装置22、蜗轮蜗杆机构23、手轮24、90°丝扣接头A’25、水平连接杆26、90°丝扣接头B’27、垂直连接杆28、垂直连接杆限位导向装置29、指针30、刻度盘31。

具体实施方式

下面结合附图对实施例作进一步说明：

如图1～图6所示，一种中小型立式轴流泵高精度机械式叶片全调节装置，包括叶片转动机构、操作机构和显示机构三大部分。

叶片转动机构设置在叶轮轮毂内，由叶片1、转臂2、连杆3、耳柄4和操作架5构成；所述叶片1枢轴插入轮毂，相对于轮毂可以转动到不同角度，叶片根部与轮毂之间设有密封装置；所述操作架5四周设有数个凸头，凸头数等于水泵叶轮叶片数，在其中两只相对面凸头外侧设有凸止口5-1，与之对应的轮毂内壁设有上下方向的导向槽6，凸头凸止口5-1与导向槽6配合，使操作架相对于轮毂只能上下相对移动，不能相对转动；所述操作架5凸头与耳柄4为刚性连接，耳柄4与连杆3、连杆3与转臂2之间均采用铰连接；所述转臂2与叶片1枢轴为刚性连接；设计时，使叶片角为0°时拐壁处于水平位置，连杆处于垂直位置。

所述操作机构由上操作杆7、轮毂底盖8及密封装置9、分离轴承10、下操作杆限位导向装置11、支撑架12、下操作杆13、铰连接A14、滑块A15、杠杆16、铰连接B17、喇叭管18、滑块C19、铰连接C20、外操作杆21、外操作杆限位导向装置22、蜗轮蜗杆机构23和手轮24构成；

所述上操作杆7上端与操作架5刚性连接，随泵轴转动，中部穿出轮毂底盖8处设有静密封装置9，以防轮毂内部润滑油泄漏出或外部水漏进轮毂；所述下操作杆13上端通过分离轴承10与上操作杆7下端连接，以隔离上操作杆7随泵轴的旋转运动；所述下操作杆限位导向装置11用来限制下操作杆13的径向位移；所述杠杆16中部某点B与喇叭管18进水侧边缘用铰连接B17；

所述杠杆16出水侧和进水侧两端内部设有滑块槽和铰连接销轴导向槽，滑块A15和滑块C19可以分别在杠杆16出水侧和进水侧两端滑块槽内沿杠杆长度方向滑动，杠杆16出水侧滑块A15与下操作杆13下端采用铰连接A14，杠杆16进水侧滑块C19与外操作杆21下端采用铰连接C20；所述铰连接A14包括销轴14-1、第一垫片14-2、第二垫片14-3、第三垫片14-4和螺母14-5，第一垫片14-2、第二垫片14-3、第三垫片14-4分别设于销轴14-1的螺帽与下操作杆13之间、下操作杆13与杠杆16之间、杠杆16与螺帽14-5之间；销轴14-1尾部设有台阶，台阶至螺帽之间直径较大的销轴长度较第一垫片14-2、下操作杆13、第二垫片14-3和杠杆16的组合厚度大1～3mm，第三垫片14-4孔径小于销轴直径，安装于台阶外侧直径较小的销轴处，以保证组装后滑块A15能够在杠杆16的滑块槽16-1中滑动；所述铰连接C20结构与铰连接A14结构相同。

在进水池常年水位以上，所述外操作杆21的中部设有外操作杆限位导向装置22，外操作杆21上端与手轮24的轴通过蜗轮蜗杆机构23配合连接，该装置可以使手轮24的转动依次转变为外操作杆21的上下移动、杠杆16绕铰17的转动、下操作杆13、上操作杆7和操作架5的下上移动，最后转变为叶片轴的转动，达到调节叶片角度的目的。

显示机构由90°丝扣接头A’25、水平连接杆26、90°丝扣接头B’27、垂直连接杆28、垂直连接杆限位导向装置29、指针30、刻度盘31构成。下操作杆13与水平连接杆26通过90°丝扣接头A’25连接，水平连接杆26与垂直连接杆28采用90°丝扣接头B’27连接，垂直连接杆28中部设有限位导向装置29。垂直连接杆28上端连接指针30，指针30随着垂直连接杆28的上下移动在刻度盘31上精确指示叶片角度大小。

手轮24与刻度盘31位于站房的电机层上，手轮距地面高度为1.2m左右，刻度盘距地面高度1.5m左右，以便于操作和观测。

中小型立式轴流泵叶片全调节装置调节叶片角度的具体操作步骤如下：当顺时针转动手轮24时，通过蜗轮蜗杆机构23的传动，转变为外操作杆21的向下移动，通过铰连接C20和滑块C19将外操作杆21的向下移动转变为杠杆16绕喇叭管18进水侧边缘铰连接B17的转动，通过杠杆16左端滑块A15和铰连接A14转变为下操作杆13、上操作杆7、操作架5和耳柄4的向上移动，再通过连杆3使转臂2和叶片1顺时针转动，叶片角度调大，此时，下操作杆13通过水平连接杆26和垂直连接杆28带动指针30上移，观测指针在刻度盘31上指示的读数，直至调整到所需要的叶片角度为止；当逆时针转动手轮24时，将叶片角度调小；所述外操作杆限位导向装置22的作用是对外操作杆21进行限位导向和提高稳定性；所述分离轴承10的作用是将上操作杆7的旋转运动与下操作杆13隔离开，并能将下操作杆的轴向移动传递给上操作杆和操作架；根据叶片角度调节范围和精度要求，计算确定调节装置各部分的尺寸。

实施例轴流泵叶轮直径0.8m，连杆长度0.1m，拐臂长度0.17m，耳柄长度0.04m；所述上、下操作杆均采用不锈钢钢管，长度分别为0.35m、0.25m，外径为50mm、内径为28mm；所述杠杆采用矩形截面的不锈钢杆，杠杆长1.5m，其中AB长度为0.545m，BC长度为0.778m，矩形截面宽b＝0.07m，高h＝0.1m；下操作杆、外操作杆与杠杆及滑块铰连接的销轴直径为20mm。当叶片角为0°且操作机构未受力时，杠杆和转臂处于水平位置；外操作杆长度为6.5m采用外径50mm、内径28mm的无缝钢管。

计算叶片调节水力矩，采用ANSYS软件进行建模、网格划分、数值模拟，本实施例水泵及延伸部分流体域流场数值模拟采用的网格节点数是140000、网格数为120997，检查网格质量满足要求。

经过CFX软件模拟计算得出叶片正反表面的压力分布，计算叶片水力矩和水泵调节力。经计算比较，在水泵扬程8.5m、叶片角度-2°工况，其翼展中部计算截面的压力分布如图7所示，此时叶片调节力最大，操作架的最大调节力F＝25454.37N。

经计算，叶片转动机构各部件强度足够，变形可忽略不计，刚度满足要求，重点需要计算校核操作机构的强度和刚度及角度显示精度。上操作杆和下操作杆采用不锈钢，许用应力[σ]＝137MPa。调节叶片角度时，上、下操作杆受拉或受压，其正应力

正应力小于许用正应力，满足强度要求。

利用式(19)和(20)计算，水泵叶片角度在+6°～-6°可调范围内每变化1°，操作架向上或向下的最小行程或位移为Δs＝2.9mm。

上操作杆和下操作杆的最大总伸长量或总压缩量为：

式中：L_上、L_下分别为上操作杆和下操作杆的原始长度。

调节叶片角度显示误差：

δα＝ΔL_上+下/Δs＝0.0584/2.9＝0.0201°<0.1°

叶片角度调节精度满足要求。

杠杆两端与下操作杆和外操作杆分别采用铰连接，铰连接的销轴受剪切力作用，要求实际最大剪应力小于销轴材料许用剪切力，销轴材料许用剪切力[τ]＝211MPa，杠杆左端下操作杆调节力较大，铰连接14的销轴的实际剪应力较大，设计选择销轴直径为20mm，剪应力为：

式中i＝1，满足剪切强度要求。下操作杆销轴孔处截面最小，为最危险截面，拉或压正应力为

满足正应力强度要求。

调节叶片角度时，杠杆最大弯矩在铰B处的断面，最大弯矩为：

M＝FL_g1＝25454.37×0.545＝13872.32N·m

设计杠杆，要求杠杆最大弯矩断面最大应力小于材料许用应力，即

杠杆弯曲强度满足要求。杠杆进水侧C点产生的相对于A、B两点连线的挠度为：

外操作杆压缩变形量为

操作机构部件变形引起的外操作杆上端位移增加量为

ΔH_外上增＝ΔL_上+下L_g2/L_g1+f_C+ΔL_外＝4.378mm<5mm

满足要求。

本发明中小型水泵高精度叶片全调节装置及其设计方法，适用于中小型立式轴流泵和导叶式混流泵，整个装置为机械式传动，调节力自电机层泵体外部向下传递到水泵下部，再从叶轮下部传递到叶轮轮毂内部，从而不需要将泵轴做成空心和复杂的传动机构；顺时针转动手轮，叶片向大角度方向调节；逆时针转动手轮，叶片向小角度方向调节；该装置结构新颖，设备成本低，可在停机时和运行过程中随时调节叶片角度，易于实施操作，调节精度高，能够满足泵站变角经济运行和调节流量的要求，具有广阔的推广应用前景。