一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法，其特征在于：包括以下步骤：确定蜗壳八个轴面断面共同的进口宽度b3及断面下部对称梯形两腰与铅垂方向夹角θ；根据泵在设计工况点给定的设计流量和比转速，确定螺旋管中平均流速，同时根据八个断面的分布位置确定八个断面应通过的流量，最后以八个断面应通过的流量除以平均流速得到八个计算断面的应有面积；计算面积的最小值Fmin；分别计算八个断面的几何尺寸，并根据计算结果绘形断面；绘形螺旋管部分的八个轴面断面后，螺旋管部分的设计即完成。本发明专利技术的优点是为离心泵设计人员提供一能改善离心泵节能指标的设计新工具。

【技术实现步骤摘要】
一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法
本专利技术涉及蜗壳设计领域，特别是一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法。
技术介绍
螺旋形蜗壳是离心泵最为常见的压水室形式。泵的形式实验表明，水流在蜗壳中产生的水力损失可达全泵水力损失的一半。在保证蜗壳实现其基本功能的条件下，尽量降低蜗壳中的流动水力损失，是提高离心泵效率指标的重要措施。蜗壳中的水力损失主要发生在几何形态和流动状态都较复杂的蜗旋管部分。蜗壳设计的核心工作，实际是合理确定蜗旋管中8个夹角为给定值的蜗壳轴面断面的几何尺寸，这8个断面不仅决定了蜗壳的几何形态，也基本决定了蜗壳的水力性能和能量指标。提高蜗壳水力性能的重要工作，应集中于创新蜗壳断面的设计原理与方法。为确定蜗壳8个轴面断面的几何形态和尺寸，长期以来，国内外技术人员均使用两种基本方法：基于速度矩守恒假定的数值积分法和基于统计资料的速度系数法。这是两种具有不同的流动理论和计算过程的互相独立的方法。现有产品的蜗壳大都是以这两种方法设计绘形的，但是，在过去应用这两种方法的设计规则中，设计人员保证了蜗壳各个断面的过流能力，但并未将降低蜗壳流动的主要损失形式即摩擦损失作为设计目标，设计原则不含有尽量减小这一损失形式的主观意图。这一设计理念的不足最终体现在于设计结果：数十年里，蜗壳断面的几何形态没有根本的变化，根据泵比转速的不同，蜗壳断面基本形状始终保持为矩形或修圆梯形。不少文献详尽介绍了基于速度矩守恒假设的蜗壳断面设计原理与数值求解过程。以这一原则产生的蜗壳具有一共同的普遍缺陷：在包括设计流量的大流量区域，泵的扬程和效率都下降较快，产品节能效果不够明显；蜗壳各断面的面积也无例外地小于对比资料中的对应断面面积。产品的这一缺陷来源于速度矩守恒假定本身的不足。只有无粘性的理想流体才能实现速度矩守恒的流动状态。速度矩守恒原则假设蜗壳中水质点的速度矢量的圆周分量与质点所在位置半径成反比，在蜗壳断面的同一半径的各点处水流质点的速度矢量的圆周分量为一常数，显然，这一原则假定的蜗壳断面速度分布是将实际流体简化为理想流体的结果，完全忽略了蜗壳固态内壁上边界层。事实上，在蜗壳固壁上的边界层区域中，粘性水流的速度将从边壁上0值沿法线方向按一定规律上升到主流速度值，边界层区域中各点水流速度的圆周分量都小于由速度矩守恒原则确定的计算值，由于速度的圆周分速度与蜗壳断面正交，边界层区域的过流能力因此小于理想水流在此的过流能力。速度矩守恒原则实际上“夸大”了蜗壳固态壁面附近的导流作用。实验证明，离心泵包括蜗壳在内的各过流部件中的流动均在大雷诺数的紊流水力粗糙区。在紊流流动中，水质点将各向互相混杂和撞击，由此形成的质点动量交换使水流质点速度有均衡化的趋势。比如，在圆管流动中，紊流流动在圆管断面上的速度分布曲线为饱满的对数曲线，其最大值与平均值的比值远小于层流流动的抛物线速度分布对应值。这一速度特征也应在蜗壳流动中有所反映。在以速度矩守恒原则确定蜗壳各断面时，由于未考虑蜗壳固壁边界中过流速度较小这一事实，在蜗壳断面通过流量为给定值的条件下，得到的蜗壳断面面积自然比较小，断面的平均流速也必然比较高。同时，由于蜗壳中的流动事实上是断面紊流，蜗壳中的水力损失正比于平均速度的平方，在蜗壳断面平均流速较大的条件下，按速度矩守恒原则确定的蜗壳在包括设计点在内的较大流量区域水力损失较大，这就是形成蜗壳在大流量区域扬程，效率下降较多的内在原因。蜗壳的速度系数设计法则不含有上述原理缺陷。企业在创新设计中更广泛使用速度系数法还有另一个重要原因：在使用速度矩守恒原理确定蜗壳断面时，必须使用图解积分或编写大型程序实现积分计算，这就显著增大了设计难度，延长了设计周期。事实上，不少优秀产品都是以速度系数法产生的，这一方法对泵的扬程与效率更有保证。文献“CentrifugalPump—DesignandApplication”(美，LobanoffVal.S.)是一在西方有重要影响的水泵设计专著，文献作者在发布最新蜗壳设计资料的同时，还结论性地指出：“Thebestvolutesaretheconstant-velocitydesign”。这里提出的“constant-velocity”正是速度系数法的核心概念。可以看到两种蜗壳断面设计方法的理论基础的重大差别：速度矩守恒原则实际上假设了水是理想流体，蜗壳中的流动具有层流特性；速度系数法则更客观地将蜗壳流动视为大雷诺数的紊流。两种方法依赖的基本理论的差异导致了设计过程和结果的差异：在确定一给定蜗壳断面几何尺寸时，速度矩守恒方法在计算前并不知道这一断面的面积，而速度系数法一开始就必须确定这一值。速度矩守恒方法的运算工具为数值积分，速度系数法则为几何分析。速度系数法得到的断面面积都大于速度矩守恒原则确定的对应断面面积。在包括设计流量的较大流量区域，基于速度系数法设计的产品一般有更理想的扬程、效率分布。在应用速度系数法时，为获得预期的最佳效果的核心条件，是能利用反映最新技术水平的统计资料确定蜗壳中的平均速度。设计实践表明，前面提到的较新的文献CentrifugalPump—DesignandApplication”(美，LobanoffVal.S.)发表的资料有较高的技术水平，这里推荐使用这一文献或介绍这一资料的国内论文“对国外一种最新离心泵蜗壳设计资料的分析”(严敬，水泵技术，2005，5期，P.12-13)作为计算蜗壳中平均流速的依据。现有的蜗壳断面设计规范及后续的研究成果中，尽管给出了断面面积一定条件下对称曲边梯形的不同计算和绘形方法，但都忽略了断面湿周长度对蜗壳性能的影响，也未将减小断面湿周作为一追求的设计目标。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种以速度系数资料为依据，追求蜗壳断面在保证过流能力的条件下具有最小湿周这一目标以实现蜗壳摩擦损失最小化，提出一种与传统的梯形或矩形蜗壳断面有重大几何差异的断面形态的计算方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法，包括以下步骤：确定蜗壳八个轴面断面共同的进口宽度b3及断面下部对称梯形两腰与铅垂方向夹角θ；根据泵在设计工况点给定的设计流量和比转速，确定螺旋管中平均流速，同时根据八个断面的分布位置确定八个断面应通过的流量，最后以八个断面应通过的流量除以平均流速得到八个计算断面的应有面积；计算面积的最小值Fmin，其值仅由b3和θ确定；分别计算八个断面的几何尺寸，并根据计算结果绘形断面；绘形螺旋管部分的八个轴面断面后，螺旋管部分的设计即基本完成，按一般方法计算绘形扩散管部分，完成压水室的全部水力设计。具体地，所述的如果计算断面已确定的面积大于Fmin，则该断面应为单圆弧加梯形结构；如果计算断面已确定的面积小于Fmin，则该断面应有腰为圆弧的对称曲边四边形的结构。具体地，面积的最小值计算公式为：具体地，当计算断面已确定的面积大于Fmin时，断面形状仅由一个参数m决定，m为圆心到断面入口边距离，其计算公式为：其中，F为断面的给定面积。具体地，当计算断面已确定的面积小于Fmin时，断面形状仅由一个参数圆弧半径R决定，R，其计算公式为：其中，F为断面的给定面积。本专利技术具有以下优点：本专利技术提出的蜗壳断面设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法，其特征在于：包括以下步骤：确定蜗壳八个轴面断面共同的进口宽度b3及断面下部对称梯形两腰与铅垂方向夹角θ；根据泵在设计工况点给定的设计流量和比转速，确定螺旋管中平均流速，同时根据八个断面的分布位置确定八个断面应通过的流量，最后以八个断面应通过的流量除以平均流速得到八个计算断面的应有面积；计算面积的最小值Fmin，其值仅由b3和θ确定；分别计算八个断面的几何尺寸，并根据计算结果绘形断面；绘形螺旋管部分的八个轴面断面后，螺旋管部分的设计即基本完成，按一般方法计算绘形扩散管部分，完成压水室的全部水力设计。

【技术特征摘要】
1.一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法，其特征在于：包括以下步骤：确定蜗壳八个轴面断面共同的进口宽度b3及断面下部对称梯形两腰与铅垂方向夹角θ；根据泵在设计工况点给定的设计流量和比转速，确定螺旋管中平均流速，同时根据八个断面的分布位置确定八个断面应通过的流量，最后以八个断面应通过的流量除以平均流速得到八个计算断面的应有面积；计算面积的最小值Fmin，其值仅由b3和θ确定；分别计算八个断面的几何尺寸，并根据计算结果绘形断面；绘形螺旋管部分的八个轴面断面后，螺旋管部分的设计即基本完成，按一般方法计算绘形扩散管部分，完成压水室的全部水力设计。2.根据权利要求1所述的一种基于速度系数法的节能型离心泵蜗壳设计方法，其特征在于：所述的如果计算断面已...

【专利技术属性】
技术研发人员：严敬，杨小林，符杰，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：四川,51