一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法技术

本发明专利技术提供了一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法，根据离心泵在设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况轴轮转速n、设计工况级数a、叶片数Z和传动轴轴径db的设计要求,给出了叶轮主要参数的设计公式，包括：叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片出口安放角β2、叶片包角Φ、进口直径D1以及叶轮进口内径D0。根据本设计方法设计的低比转速多级离心泵叶轮能使泵满足全扬程无过载性能，功率备用系数K控制在1.1倍以内，同时保证高效率性能，达到国家领先水平。

A Design Method of Impeller for Low Specific Speed and High Efficiency Non-overload Multistage Centrifugal Pump

【技术实现步骤摘要】
一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法
本专利技术涉及离心泵领域，特别涉及一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法。
技术介绍
煤炭资源是我国的主体能源，并且在很长一段时间内其在一次性能源结构中的主导地位不会改变。大当量的煤炭地下开采过程中会面临各式各样的挑战，突水就是其中典型的现象，矿用抢险泵作为矿山水灾事故抢险救灾的唯一可选装备，其重要性不言而喻。目前，我国矿用泵的质量和水平满足不了煤炭生产和发展的需求，高性能矿用抢险泵的开发经验比较匮乏，主要体现在：1、无过载性能较差，大流量工况下泵轴功率较设计工况下轴功率的比值较大，困扰电机的选型，小功率电机则存在过载风险，选择大功率电机则造成浪费；2、效率较国外优秀泵相比偏低，会导致更多的能源消耗。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法，具备真正理想的高效、全扬程无过载特性，配套功率较低、泵稳定性较高，综合性能达到国内领先水平。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法，已知离心泵在设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况叶轮转速n、设计工况级数a、叶轮叶片数Z和传动轴轴径db参数，由下面公式计算叶轮出口直径D2：其中：ns-叶轮比转速，Q-设计工况流量，m3/s。n-设计工况叶轮转速，r/min；H-设计工况扬程，m；D2-叶轮出口直径，m；K1-叶轮出口直径系数，K1取值范围为1.1～1.4；g-重力加速度，m/s2。进一步，叶轮出口宽度b2满足以下关系式：其中：ns-叶轮比转速；D2-叶轮出口直径，m；b2-叶轮出口宽度，m；K2-叶轮出口宽度系数，K2取值范围为0.6～1。进一步，叶轮叶片出口安放角β2满足以下关系式：其中：ns-叶轮比转速；a-设计工况级数；h0-滑移系数；h0＝0.6+0.02Z(30-β2)1/3K3-叶轮叶片出口安放角系数，K3取值范围为1.4～1.7；β2-叶轮叶片出口安放角，度；Z-叶轮叶片数。进一步，叶轮叶片包角φ满足以下关系式：其中：φ-叶轮叶片包角，度；K4-叶轮叶片包角系数，K4取值范围为1.4～1.8；β2-叶轮叶片出口安放角，度；Z-叶轮叶片数。进一步，叶轮进口外径D1满足以下关系式：其中：K5-叶轮进口外径系数，K5取值范围为1.5～2；D1-叶轮进口外径，m；Q-设计工况流量，m3/s。n-设计工况叶轮转速，r/min。进一步，叶轮进口内径D0满足以下关系式：D0＝K6db其中：K6-叶轮进口内径系数，K6取值范围为1.6～2；db-传动轴轴径，mD0-叶轮进口内径，m。本专利技术的有益效果在于：采用本专利技术提供的设计方法得到的离心泵叶轮可以获得更为平坦的轴功率曲线，并且在大流量下存在功率曲线拐点，在这一流量点以后，功率随着流量的增大而减小，使得该设计方法设计的叶轮的离心泵在零流量点到极限流量点全程功率在某一个极限功率以下，保证全程无过载。避免在零流量时，大马拉小车，出现空化，效率低下的情况发生；在极限流量时，小马拉大车，出现烧电机的情况发生。避免装配小功率电机则存在过载风险、装配大功率电机则造成浪费。充分保证配套电机的选择更加合理。附图说明图1为本专利技术所述离心泵的叶轮轴面剖视图。图2为图1的A-A剖面视图。图3为本专利技术设计叶轮和现有技术设计叶轮的扬程试验曲线对比图。图4为本专利技术设计叶轮和现有技术设计叶轮的效率试验曲线对比图。图5为本专利技术设计叶轮和现有技术设计叶轮的轴功率试验曲线对比图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。如图1和图2所示，根据离心泵在所对应的设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况叶轮转速n、设计工况级数a和传动轴轴径db的设计要求，对叶轮的关键几何参数进行设计。其相关参数如下：设计工况流量Q为100m3/h(0.0278m3/s)、设计工况扬程H为26m、设计工况叶轮转速n为1450r/min、设计工况级数a为4级、传动轴轴径db为0.38m、叶片数Z为4。由下面公式计算叶轮出口直径D2：其中：ns-叶轮比转速，Q-设计工况流量，m3/s。n-设计工况叶轮转速，r/min；H-设计工况扬程，m；D2-叶轮出口直径，m；K1-叶轮出口直径系数，K1取值范围为1.1～1.4；g-重力加速度，m/s2。计算出叶轮比转速ns为76.6，叶轮出口直径系数K1取值1.25，则出口直径D2为0.298m，圆整后得到出口直径D2为0.3m。叶轮出口宽度b2满足以下关系式：其中：ns-叶轮比转速；D2-叶轮出口直径，m；b2-叶轮出口宽度，m；K2-叶轮出口宽度系数，K2取值范围为0.6～1。叶轮出口宽度系数K2取值0.8，则出口宽度b2为0.0131m，圆整后得到出口宽度b2为0.013m。叶轮叶片出口安放角β2满足以下关系式：其中：ns-叶轮比转速；a-设计工况级数；h0-滑移系数；h0＝0.6+0.02Z(30-β2)1/3K3-叶轮叶片出口安放角系数，K3取值范围为1.4～1.7；β2-叶轮叶片出口安放角，度；Z-叶轮叶片数。叶轮叶片出口安放角系数K3取值1.55，通过迭代计算得到滑移系数h0为0.745，叶轮叶片出口安放角β2为24°。叶轮叶片包角φ满足以下关系式：其中：φ-叶轮叶片包角，度；K4-叶轮叶片包角系数，K4取值范围为1.4～1.8；β2-叶轮叶片出口安放角，度；Z-叶轮叶片数。叶轮叶片包角系数K4取值1.65，通过计算得到叶轮叶片包角φ为159.97°，圆整后得到叶轮叶片包角φ为160°。叶轮进口外径D1满足以下关系式：其中：K5-叶轮进口外径系数，K5取值范围为1.5～2；D1-叶轮进口外径，m；Q-设计工况流量，m3/s。n-设计工况叶轮转速，r/min。叶轮进口内径D0满足以下关系式：D0＝K6db其中：K6-叶轮进口内径系数，K6取值范围为1.6～2；db-传动轴轴径，mD0-叶轮进口内径，m。轮进口外径系数K5取值1.8，通过计算得到叶轮进口外径D1为0.124m，圆整后得到叶轮进口外径D1为0.125m；叶轮进口内径系数K5取值1.8，通过计算得到叶轮进口内径D0为0.0684m，圆整后得到叶轮进口内径D0为0.068m。如表1所示，在设计工况流量Q为100m3/h(0.0278m3/s)、设计工况扬程H为26m、设计工况叶轮转速n为1450r/min、设计工况级数a为4级、传动轴轴径db为0.38m、叶片数Z为4，通过实验对比本专利技术设计叶轮和现有技术设计叶轮的数据。表1本专利技术与现有技术设计的实验数据如图3所示，本专利技术设计叶轮和现有技术设计叶轮均满足设计流量Q为100m3/h(0.0278m3/s)时，扬程H达到26m，并且本专利技术设计和普通设计在各个流量点处扬程差别不大，完全保证满足工作要求。如图4所示，本专利技术设计叶轮和现有技术设计叶轮在各个流量点处效率差别不大，并且在设计工况流量Q为100m3/h(0.0278m3/s)附近，此专利设计的效率比普通设计效率明显高。如图5所示，现有技术设计叶轮的大流量工况下的泵轴功率比设计工况下的轴功率的大很多并随流量增加持续增加，装配小功率电机则存在过载风险，装配大功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法，其特征在于，已知离心泵在设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况叶轮转速n、设计工况级数a、叶轮叶片数Z和传动轴轴径db参数，由下面公式计算叶轮出口直径D2：

【技术特征摘要】
1.一种低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法，其特征在于，已知离心泵在设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况叶轮转速n、设计工况级数a、叶轮叶片数Z和传动轴轴径db参数，由下面公式计算叶轮出口直径D2：其中：ns—叶轮比转速，Q—设计工况流量，m3/s。n—设计工况叶轮转速，r/min；H—设计工况扬程，m；D2—叶轮出口直径，m；K1—叶轮出口直径系数，K1取值范围为1.1～1.4；g—重力加速度，m/s2。2.根据权利要求1所述的低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法，其特征在于，叶轮出口宽度b2满足以下关系式：其中：ns—叶轮比转速；D2—叶轮出口直径，m；b2—叶轮出口宽度，m；K2—叶轮出口宽度系数，K2取值范围为0.6～1。3.根据权利要求1所述的低比转速高效无过载多级离心泵叶轮设计方法，其特征在于，叶轮叶片出口安放角β2满足以下关系式：其中：ns—叶轮比转速；a—设计工况级数；h0—滑移系数；h0＝0.6+0....

【专利技术属性】
技术研发人员：王成斌，王勇，张子龙，刘厚林，李刚祥，张国翔，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32