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离心/混流泵水力设计
发布时间: 2018-03-29    点击量: 148

离心/混流泵是水泵的常见形式,广泛应用于工业、农业等各个领域。本文以一个离心式水泵为例,简要介绍相关过流部件的水力设计过程。


叶轮是泵的最核心过流部件,泵的流量、扬程、效率、抗汽蚀性能和特性曲线的形状与叶轮的水力设计密切相关,叶轮设计需要经过三方面的主要步骤。



 主要参数和结构方案确定 


首先根据设计要求,如流量、扬程、转速、汽蚀余量等参数,对泵的主要参数和结构方案进行确定。


泵进口直径Ds指的是泵吸入法兰处管的直径。泵出口直径Dd是泵排出法兰处管的内径。按照经验公式进行计算。

其中,


转速的确定需要考虑几个因素:

? 转速越高,体积越小、重量越轻 à高转速

? 转速和比转速有关,比转速和效率有关 à转速和比转速协同确定

? 转速考虑原动机的类型和传动装置 à同步转速3000、1500、1000、750、600、500(rpm),滑差

? 转速提高,过流部件的磨损加块,机组的振动、噪声变大 à转速有上限

? 转速提高,更容易发生空化 à转速有上限


之后根据公式计算比转速:

比转速应当兼顾一下几个因素: 

? 120~210之间效率高,小于60,效率显著下降

? 单吸式、双吸式相互转换,调整ns

? 特性曲线形状与ns大小有关

? 多级泵的比转速按照单级叶轮计算


至此,泵进出口直径、转速、比转速等参数就已经确定了。结构形式是单级/多级、单吸/双吸也已经确定了。


值得注意的是,各个参数之间具有一定的关联性,也会受到实际因素,如尺寸标准化、同步异步转速等的制约。因此,主要参数和结构方案的确定过程有可能是一个反复尝试的过程。


最终确定后,可参照同类产品或经验公式近似估算效率、轴功率等参数,具体计算此处不再赘述。


 叶轮主要尺寸初步计算 



叶轮的尺寸较多,按照位置,大致上可以分为进口尺寸和出口尺寸两类。其中叶轮进口尺寸影响汽蚀性能;出口尺寸影响扬程、流量;进出口尺寸共同影响效率。



初始设计时,最小轴径(通常是联轴器处的轴径),按扭矩确定。考虑影响刚度和临界转速的因素,适当放大,对接到标准直径。叶轮设计完成后,须进行详细校核(强度、刚度、临界转速)。



叶轮进口直径Dj的计算方法如下:


其中Q为流量,双吸泵取Q/2;K0根据统计资料选取,主要考虑效率3.5~4.0,主要考虑汽蚀4.5~5.5,两者兼顾4.0~4.5。


叶轮出口直径D2:


KD2为修正系数,根据统计资料选取。


叶轮出口宽度b2:


Kb2为修正系数,根据统计资料选取。


一般根据统计资料,在18~40°之间选择,当然对于特殊要求,也可以在推荐范围之外。


叶片数Z:


 精算叶轮外径 


系数来源于大量的工程实例,在一般情况下是比较可靠的,但还需要按照理论方法进行校核。一般采用选定叶片出口角β2后精算出口直径D2的方式。


理论扬程:


修正系数:


有限叶片数修正系数:


无穷叶片数理论扬程:


叶片出口排挤系数:


出口轴面速度:


出口圆周速度:


出口直径:


上述计算过程中,要先采用假设的D2值才能够进行D2的理论计算,因此当D2(理论)与D2(假设)的数值有差异时,应当进行第二次精算。


 绘制轴面投影图 


确定叶轮的主要尺寸后,可开始绘制叶轮轴面投影图。其形状十分关键,可参照比转速相近、性能较优的叶轮图作为参考。完成后需要检查流道过水断面的变化情况。



 叶片设计 


设计叶片主要目的在于求出符合流动规律的叶片形状,本质就是求出流体相对运动流线。

叶片设计的主要步骤如下:

1)绘制轴面流线

2)在各个流面上绘制空间流线,包括方格网保角变换法、扭曲三角形法、逐点计算法等。

3)叶片加厚

完成后,还应当按照一定的标准对叶片绘型的质量进行检查。



 小结 


叶轮的设计过程主要分为三个大步骤和若干小步骤,参数较多,步骤繁琐,在涉及到相互关联的参数计算时,往往需要重复多次进行试算。而当设计方案需要进行更改时,更牵涉到大量的重复性工作,导致人力成本、时间成本增加。因此泵的CAD技术越来越受到工业界的重视。


目前,已经有多款泵设计软件问世,比如CFturbo、PCAD、AIPump等。CFturbo具有从轴流泵到离心泵机组的整机设计能力,能够同步建立三维模型,具有主流CAD、CAE软件的接口。


PCAD由著名水泵设计专家关醒凡老师开发,使用方便易上手,能够输出AutoCAD格式的木模图,能够为加工提供图纸,但对CAE软件的支持稍显不足。


AIPump是由南京天洑软件公司与清华大学水力机械研究所共同研发。除了具有完备的水泵设计功能外,还特别开发了两大特色功能。


第一个功能是针对已有叶轮的逆向功能,可以将用户现有的叶轮资料逆向导入软件,并进行几何的修改调整。或是将现有的叶轮逆向成为数字化资料,方便设计档案的管理和调用。


第二个功能是基于S2流面开发的性能预估和优化功能。能够快速地分析并提供水泵的性能曲线,方便设计人员对初步设计的结果进行反馈调整。


同时,结合优秀的人工智能寻优算法——遗传算法,AIPump开发了叶轮优化功能。以提升效率为目标进行寻优计算,智能实现叶轮的优化设计,达到更高的水力效率。