一种叶轮偏心放置离心泵多工况水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种叶轮偏心放置离心泵设计方法，特别涉及一种叶轮偏心放置离心泵多工况水力设计方法。 

背景技术

泵是一种应用非常广泛的通用机械，种类甚多、国内要求非常巨大，而且据有关部门统计泵类产品耗能约占全社会总能耗的21％。离心泵是其中应用最多的产品，约占总数70％。目前大多数离心泵仅能在设计工况点高效运转，在非设计工况点效率低下，而实际情况中离心泵大多运行在非设计工况下。在全社会倡导节约能源的今天必须改变这种状况，因而基于多工况水力设计和优化方法的离心泵水力设计方法尤为重要。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种叶轮偏心放置离心泵多工况水力设计方法。通过采用本发明设计的叶轮偏心放置离心泵多工况水力设计方法，可以很好地抵消一部分径向力，使离心泵在非工况点能高效工作。 

实现上述目的所采用的技术方案是: 

叶轮偏心放置离心泵主要结构参数与不同工况点性能参数之间适合以下几个等式的关系： 

$\left(1\right),F_i^{\prime }=F_{\mathrm{BEP}}[0.179n_{\mathrm{sBEP}}^{0.463}-(0.0075n_{\mathrm{sBEP}}+1.045)\left(\frac{F_i}{F_{\mathrm{BEP}}}\right)-\left(1.49n_{\mathrm{sBEP}}^{-0.162}\right){\left(\frac{F_i}{F_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2]$

ΔF_i＝F-F′_i

ΔF＝max(ΔF₁，ΔF₂，…，ΔF_i…，ΔF_n) 

F_i＝ρgkKHD₂B₂

$D_2={5.971n}^{-0.659}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.671}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.591}{b}_2^{-1}{\left(\tan {\beta }_2\right)}^{-0.252}{(1+\frac{\mathrm{\Delta F}}{F_{\mathrm{BEP}}})}^{0.45}$

$b_2={0.0809n}^{0.321}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.661}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.491}{\left(\frac{D_2}{D_{2\mathrm{BEP}}}\right)}^{-4.96}$

式中：F_BEP—最优效率工况点径向力，N； 

n_sBEP—最优效率工况点比转速； 

Q_BEP—最优效率工况点流量，m³/S； 

H_BEP—最优效率工况点扬程，m； 

D_2BEP—按速度系数法设计的最优效率工况点叶轮外径，mm； 

F′_i—传统设计方法的第i个工况点径向力，N； 

ΔF_i—第i个工况点要求的径向力和传统设计的差值，N； 

n—离心泵转速，r/min； 

D₂—叶轮外径，mm； 

b₂—叶轮出口宽度，mm； 

ρ—工作介质密度，kg/m³； 

g—重力加速度，m/s²； 

k—偏心修正系数，取k＝0.8～0.9； 

K—离心泵径向力多工况修正系数，取

H—离心泵扬程，m； 

D₂—离心泵叶轮外径，mm； 

B₂—包括盖板的叶轮出口宽度，mm； 

(2)压水室基圆直径D₃

D₃＝(1.60～1.85)D₂

式中：D₃—压水室基圆直径，mm； 

D₂—叶轮外径，mm； 

(3)压水室进口宽度b₃

b₃＝(1.35～1.85)b₂

式中：b₃—压水室进口宽度，mm； 

b₂—叶轮出口宽度，mm； 

(4)压水室截面形状 

$F=\frac{Q}{v_3}$

F＝(h×b₃+0.5πr²)×10^-6

h/r＝0.28～0.34 

式中：F—压水室截面面积，m²； 

Q—离心泵流量，m³/S； 

v₃—压水室断面平均流速，m/s； 

k₃—速度系数，取k₃＝0.31～0.33，比转速较大者取小值； 

g—重力加速度，m/s²； 

H—离心泵扬程，m； 

h—压水室直线段高度，mm； 

r—压水室截面圆弧段半径，mm； 

(5)扩散管对应角θ 

θ＝30°～80° 

式中：θ—扩散管对应角，°； 

(6)偏心角

式中：—偏心角，°； 

θ—扩散管对应角，°； 

(7)偏心距e的确定： 

e＝(0.1～0.4)(D₃-D₂) 

式中： 

e—叶轮偏心距，mm； 

D₃—压水室基圆直径，mm； 

D₂—叶轮外径，mm； 

(8)轴向力T 

轴向力可由实验测量得到，其满足以下公式： 

T₁＝K′k′ρgHπ(R_m²-R_h²) 

T₂＝F₁+F₂

T＝T₁+T₂

式中: 

T—轴向力，N； 

T₁—工质流动产生的轴向力，N； 

K′—离心泵轴向力多工况修正参数，取

k′—系数，当比转速在220～440之间，取k′＝0.8～0.9； 

ρ—工作介质密度，kg/m³； 

g—重力加速度，m/s²； 

H—离心泵扬程，m； 

R_m—叶轮密封环半径，mm； 

R_h—叶轮轮毂半径，mm； 

T₂—叶轮立式布置产生的轴向力，N； 

F₁—叶轮重力，N； 

F₂—叶轮流道内工质重力，N； 

根据以上步骤，我们可以得到一种叶轮偏心放置离心泵多工况水力设计方法。 

本发明的有益效果是：通过采用本发明设计的叶轮偏心放置的方法而制造的离心泵，可以很好地抵消一部分径向力，使离心泵在非工况点能高效工作。 

附图说明

图1是本发明一个实施例的叶轮压水室简图。 

图2是本发明一个实施例的压水室水力图。 

图3是本发明一个实施例的叶轮轴面投影图。 

图4是本发明一个实施例的压水室截面图。 

图中：1.压水室基圆直径D₃，2.叶轮外径D₂，3.包括盖板的叶轮出口宽度B₂，4.叶轮密封环半径R_m，5.叶轮轮毂半径R_h，6.叶轮偏心距e，7.扩散管对应角θ，8.偏心角 9.压水室进口宽度b₃，10.压水室截面圆弧段半径r，11.压水室截面直线段高度h。 

具体实施方式

图1、图2和图3共同确定了这个实施例的叶轮压水室形状，叶轮相对于基圆中心偏心放置。本实施例在实践中可以很好地抵消一部分径向力，使离心泵在非工况点能高效工作，满足用户对安全性的需求。本发明利用以下几个关系式来确定叶轮压水室的主要几何参数和径向力轴向力的计算公式，主要包括：压水室基圆直径D₃、压水室进口宽度b₃、压水室截面圆弧段半径r、压水室截面直线段高度h、扩散管对应角θ、偏心角叶轮偏心距e、径向力F、轴向力T等。此处以某型泵为例说明：主要参数流量Q：17886m³/h、扬程H：111.3m、转速1750r/min。 

关系式如下： 

$F_i^{\prime }=F_{\mathrm{BEP}}[0.179n_{\mathrm{sBEP}}^{0.463}-(0.0075n_{\mathrm{sBEP}}+1.045)\left(\frac{F_i}{F_{\mathrm{BEP}}}\right)-\left(1.49n_{\mathrm{sBEP}}^{-0.162}\right){\left(\frac{F_i}{F_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2]$

ΔF_i＝F-F′_i

ΔF＝max(ΔF₁，ΔF₂，…，ΔF_i，…，ΔF_n) 

F_i＝ρgkKHD₂B₂

$D_2={5.971n}^{-0.659}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.671}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.591}{b}_2^{-1}{\left(\tan {\beta }_2\right)}^{-0.252}{(1+\frac{\mathrm{\Delta F}}{F_{\mathrm{BEP}}})}^{0.45}=750\mathrm{mm}$

$b_2={0.0809n}^{0.321}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.661}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.491}{\left(\frac{D_2}{D_{2\mathrm{BEP}}}\right)}^{-4.96}=132\mathrm{mm}$

D₃＝1.7D₂＝1275mm 

b₃＝1.4b₂＝184mm 

$F=\frac{Q}{v_3}=0.261m^2$

Q＝16.4m/s 

θ＝60° 

e＝0.1(D₃-D₂)＝52.5mm 

通过采用本发明设计的叶轮偏心放置的方法而制造的离心泵，可以很好地抵消一部分径向力， 约为30％左右，使离心泵在非工况点能高效工作，满足用户对安全性的需求。 

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。