一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法。对初始叶轮进行计算获得欧拉扬程梯度系数，并判断叶轮是否要将长叶片替换为短叶片，在保证长、短叶片总加载载荷一致情况下，对长叶片进行后加载设计，对短叶片进行前加载设计，使得复合叶轮能够明显改善叶轮内部的流动状况。本发明专利技术能够改善叶轮出口处的射流‑尾迹现象，提高离心泵的抗汽蚀性能，降低压力脉动对泵的影响，使流动更加稳定。

A design method of composite impeller of centrifugal pump based on blade load distribution

【技术实现步骤摘要】
一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法
本专利技术涉及了一种泵体叶轮结构及其设计方法，尤其是涉及一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，属于流体机械工程和动力工程领域。
技术介绍
作为通用机械，泵已经广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是在国防、水利、航天、石油化工等领域发挥着非常重要的作用。然而离心泵的运行过程中也存在着突出的问题，主要表现为汽蚀的危害和突出的压力脉动。汽蚀现象是由于在叶片入口附近流体流速较大，导致存在局部低压区造成的。可以通过采用短叶片的方式减小叶片进口排挤，从而减小入口流速来解决。突出的压力脉动是由于流道内部产生了流动分离、二次流等非均匀流动结构造成的，可以通过增加叶片数的方式来解决。在当今大化工、大石化等产业当中，离心泵的正常运行有力的保证了整个生产工艺的正常运行。一旦离心泵不能正常运转，后果将不堪设想。因此，研究如何同时避免汽蚀和压力脉动所带来的危害，对离心泵而言显得尤为重要。国内外众多研究表明，分流短叶片可以提高离心泵的效率和抗汽蚀性能，防止流动失速的产生。这对离心泵的正常运转具有重要的意义。目前常用扩压因子DF作为判断流动失速的依据。DF的表达式为：但是，该式判断叶轮流动失速比较繁琐，难度较大。因此需要简单有效的新判定准则来判断是否产生流动失速，以此来判定是否需要安装短叶片使流动更加稳定。其次，当判定叶轮需要安装短叶片后，需要对复合叶轮进行设计。目前，复合叶轮常用的设计方法是基于欧拉方程的扬程系数设计法，如2011年浙江大学许斌杰发表的论文——半开式复合叶轮多级离心泵设计与性能预测方法的研究。该论文采用扬程系数设计法对复合叶轮进行设计，结果表明复合叶轮可以有效阻止叶轮中回流和脱流现象的产生，并能够明显提高扬程系数。但是，该方法设计的复合叶轮对离心泵汽蚀性能和压力脉动的改善并不明显。因此，现有技术中缺少了一种方式能够判断是否产生流动失速，并同时避免离心泵汽蚀和压力脉动所带来的不利影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述
技术介绍
的不足，提出了一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮及其设计方法，根据欧拉扬程梯度系数判断是否要将长叶片替换为短叶片。本专利技术能够判断是否产生流动失速，并同时避免离心泵汽蚀和压力脉动所带来的不利影响。如图1所示，本专利技术通过以下步骤实现：所述的离心泵包括已知参数的初始叶轮，初始叶轮设有多个相同的沿圆周间隔均布的叶片，每个叶片呈圆弧形态从叶轮边缘延伸到靠近叶轮中心位置，即叶片的一端延伸到叶轮边缘，另一端向叶轮中心附近处，方法包括：1)计算初始叶轮的叶片上各采样点的欧拉扬程梯度系数；2)根据欧拉扬程梯度系数范围采用以下方式来判断是否流动失速，即将叶片型线分为多段，通过以下三段的欧拉扬程梯度系数进行判断：当0<L<0.1，ki>37/ω，且0.6<L<0.7，kimax>87/ω，且0.9<L<1.0，ki<-10/ω。其中，L为无量纲化的叶片型线长度，即流线节点至流线起点的长度与总流线长度的比值，相对流线即为叶片型线，kimax为欧拉扬程梯度系数的最大值，ω为叶轮的角速度；ki表示欧拉扬程梯度系数，i表示采样点的序数；若满足上述，则叶轮流动失速，进行下一步对初始叶轮进行调整，形成复合叶轮；若不满足上述，则叶轮流动未失速，不对初始叶轮进行调整；3)当叶轮中的一半间隔的叶片的总型线长度进行缩短形成短叶片，原有叶片作为长叶片，且使得长叶片和短叶片沿周向交替布置，对长叶片进行后加载处理得到长叶片载荷曲线，在短叶片的总加载载荷和长叶片的总加载载荷一致的情况下对短叶片进行前加载处理得到短叶片载荷曲线；通过调整短叶片的进口液流角和出口液流角，使得短叶片的总加载载荷和长叶片的总加载载荷一致，即短叶片的载荷分布曲线的总面积和长叶片的载荷分布曲线的总面积一致，载荷分布曲线横坐标为相对流线长度，纵坐标为载荷。这样情况下将含有偶数叶片数的叶轮设计为长短叶片间隔分布，形成对复合叶轮的优化设计。将后加载的长叶片载荷曲线和前加载的短叶片载荷曲线作为输入条件，依据叶片型线微分方程，将含有偶数叶片数的叶轮设计为长短叶片间隔分布，形成对复合叶轮的优化设计。所述的进口液流角和出口液流角具体分别为叶片处于叶轮中心一端和处于叶轮边缘一端的圆周速度和相对速度夹角。由此，本专利技术完成对离心泵复合叶轮进行重新设计和制作。所述步骤1)的具体步骤为：1.1)对已知参数的初始叶轮，将叶片沿型线分为若干等份段，每个等份段处建立一个采样点，并且所有采样点的序号从初始叶轮中心到外增大排序；1.2)通过计算流线速度变化查表得到每个采样点绝对速度的圆周分量；1.3)再采用以下公式得到每个采样点的欧拉扬程；Hi＝υursω/g其中，υu表示采样点的绝对速度的圆周分量，rs表示采样点到叶轮轴心的距离，g表示重力加速度，ω为叶轮角速度；1.4)根据以下公式得到初始叶轮各个采样点的欧拉扬程梯度系数，进而得到初始叶轮的欧拉扬程梯度范围分布：ki＝(Hi+1-Hi)/ωΔx其中，ki表示第i个采样点的欧拉扬程梯度系数，Hi表示第i个采样点的欧拉扬程，Δx表示表示相邻两采样点之间的距离。本专利技术完成的离心泵复合叶轮采用提到的欧拉扬程梯度为沿叶片型线的逆向梯度分布，基于此梯度求得欧拉扬程梯度系数范围，进而优化叶片结构。所述步骤3)中，叶片的总型线长度进行缩短形成短叶片，具体为：将叶片靠近叶轮边缘的一端保持不变，将叶片靠近叶轮中心的一端减短总型线长度的30％，使得短叶片的总型线长度变为长叶片的总型线长度的70％。基于初始叶轮叶片载荷分布曲线，对长叶片采取后加载方式处理拟合得到载荷分布曲线，进而计算载荷曲线与横坐标围成的面积；对短叶片，在长短叶片载荷曲线与横坐标围成的面积相等情况下，采取前加载方式处理得到载荷分布曲线，这样能改善叶轮的汽蚀性能，保证叶轮压力脉动的稳定性。具体实施中，对于长短叶片，依据载荷计算公式获得载荷分布曲线。载荷分布曲线横坐标为相对流线长度，纵坐标为载荷，载荷依据公式：式中p+和p-分别为叶片压力面和吸力面的压力，B为叶片数，wm为叶片表面的相对速度，ρ为水的密度，rVθ为速度环量，m为相对轴面流线长度。所述的初始叶轮上的叶片总数量为偶数个。在复合叶轮的设计中有一种基于逆压梯度的设计方法，由于叶轮流道里的液流受到叶片做功能力不均匀，靠近叶片压力面做功能力强而靠近吸力面做功能力弱，在逆向压力梯度下叶轮出口处容易产生回流和脱流。因此需要安装短叶片来改善叶轮内部的流动情况。而本专利技术采用的欧拉扬程梯度为沿叶片型线的梯度分布，基于此梯度求得欧拉扬程梯度系数范围，进而判定是否要将长叶片替换为短叶片。本专利技术具体实施中还进行测试验证，按照以下处理：首先，处理获得长、短叶片的载荷分布曲线：然后，将长、短叶片载荷分布曲线作为输入条件由叶片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，离心泵包括初始叶轮，初始叶轮设有多个相同的沿圆周间隔均布的叶片，每个叶片呈圆弧形态从叶轮边缘延伸到靠近叶轮中心位置，其特征在于方法包括：/n1)计算初始叶轮的叶片上各采样点的欧拉扬程梯度系数；/n2)根据欧拉扬程梯度系数范围采用以下方式来判断是否流动失速：/n当0<L<0.1，k

【技术特征摘要】
1.一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，离心泵包括初始叶轮，初始叶轮设有多个相同的沿圆周间隔均布的叶片，每个叶片呈圆弧形态从叶轮边缘延伸到靠近叶轮中心位置，其特征在于方法包括：
1)计算初始叶轮的叶片上各采样点的欧拉扬程梯度系数；
2)根据欧拉扬程梯度系数范围采用以下方式来判断是否流动失速：
当0<L<0.1，ki>37/ω，且0.6<L<0.7，kimax>87/ω，且0.9<L<1.0，ki<-10/ω。其中，L为无量纲化的叶片型线长度，kimax为欧拉扬程梯度系数的最大值，ω为叶轮的角速度；ki表示欧拉扬程梯度系数，i表示采样点的序数；
若满足上述，则叶轮流动失速，进行下一步对初始叶轮进行调整，形成复合叶轮；
若不满足上述，则叶轮流动未失速，不对初始叶轮进行调整；
3)当叶轮中的一半叶片的总型线长度进行缩短形成短叶片，原有叶片作为长叶片，且使得长叶片和短叶片沿周向交替布置，对长叶片进行后加载处理得到长叶片载荷曲线，在短叶片的总加载载荷和长叶片的总加载载荷一致的情况下对短叶片进行前加载处理得到短叶片载荷曲线；通过调整短叶片的进口液流角和出口液流角，使得短叶片的总加载载荷和长叶片的总加载载荷一致。


2.根据权利要求1所述的一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤为：
1.1)对已知参数的初始叶轮，将叶片沿型线分为若干等份段，每个等份段处建立一个采样点，并且所有采样点的序号从初始叶轮中心到外...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，宋宝林，李晓俊，朱祖超，陈晓武，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33