一种矿用离心泵导叶的水力设计方法与流程

本发明涉及一种离心泵主要过流部件的设计方法,特别涉及一种矿用离心泵导叶的水力设计方法。

背景技术：

离心式水泵由于其结构简单，维修方便，使用范围广，因此被广泛运用在煤矿排水系统中。矿用离心泵一般用来输送固体颗粒含量不大于1.5％的中性矿水，粒度小于0.5毫米及类似的其他污水中，被输送介质的温度一般不大于80℃，通常适用于钢铁厂、矿山排水和污水输送等场合。

为了防止发生事故的发生，矿场场面和井下必须要布置良好的排水设备，为了及时高效的排除矿井中的积水，必须安装性能较好的多套排水泵，此时对排水泵的工作能力要求很高，必须要求安装的排水泵能够在尽可能短的时间内排出矿井中的积水。

目前的矿山用泵多为离心泵，离心泵的主要过流部件是叶轮和导叶，叶轮的主要作用是使流体有足够的能量达到用户要求的扬程，而导叶则是将液体动能转换成压能的过流部件，同时可以降低液流速度，消除液流从叶轮流出的旋转运动，由此降低液流的水力损失，进而相应的提高泵的效率，因此导叶的作用是十分重要的。但是目前使用的矿用离心泵就导叶的水力设计而言，仍有许多可以改进的地方。由于工作环境的特殊性，输送的液体中通常含有较多的泥沙和矿石颗粒等较大颗粒的物质，尽管有设备在液体流入水泵之前将颗粒物质过滤掉，但是难免会有无法过滤的混合物进入水泵中，造成泵内流道的磨损，同时影响泵的性能，造成效率降低，噪声增大，运行不稳定等，进而缩短泵的使用寿命，造成一定的经济损失。

现有专利号201410797350.5，名称为“一种带槽结构的径向导叶及其设计方法”的专利提出：采用计算流体力学软件ansyscfx14.5对径向导叶进行定常数值模拟，得到导叶内全部流道的速度流线分布图，以此来设计带槽的径向导叶；同时对带槽的径向导叶进行数值模拟，得到相应的速度流线分布图，减小导叶工作面的漩涡区域，改善导叶内部流场分布，进而提高其过流能力。

现有专利号201510382897.3，名称为“一种流道式导叶设计方法”的专利提出：在传统流道式导叶设计的基础上，应用安德森的面积比原理，以确定导叶进口宽度b3、导叶喉部宽度a3和导叶数z的方法，考虑了叶轮和导叶的匹配性，但是并没有给出多级离心泵导叶基本参数的系统的、精确的设计方法。

针对上述存在的缺陷，本发明人发明了“一种矿用离心泵导叶的水力设计方法”，不仅给出了矿用离心泵导叶参数的精确的、系统的设计方法，还增强了矿用离心泵运行的稳定性和可靠性，提高了水力效率，延长了使用寿命和维修周期。

发明目的

目前，在煤矿采掘工作面使用的排水泵中，普遍使用的是多级清水离心泵，而输送的液体中通常含有较多的泥沙和固体颗粒，过流部件的磨损严重，维修周期短，水泵过早报废，不但增加了成本，还常常直接影响生产进度。因此过流部件的水力设计显得尤其重要，而泵主要的过流部件是叶轮和导叶，现有的导叶的设计方法，理论设计与实际模型出入大，泵的水力损失较大，很难达到预想效果。本发明的目的在于提高矿用离心泵导叶运行的稳定性和可靠性，提高过流部件的过流能力和水力效率，增长泵的寿命和维修周期，减少检修人员的工作量，在一定程度上提高经济效益。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种矿用离心泵导叶的水力设计方法。通过改善泵导叶的几个重要参数的设计方法，提高了泵水力效率，增强了矿用离心泵运行的稳定性和可靠性，延长了使用寿命和维修周期。实现上述目的所采用的技术方案是：

(1)导叶基圆直径d3，其计算公式如下：

式中：

d3——导叶基圆直径，mm；

d2——叶轮出口直径，mm；

ns——比转速；

(2)导叶进口轴向宽度b3，其计算公式如下：

式中：

b3——导叶进口轴向宽度，mm；

b2——叶轮出口轴向宽度，mm；

ns——比转速；

(3)导叶进口安放角α3，其计算公式如下：

α3＝arctan{[1.24+0.1995·cos(0.002719·ns)-0.3105·sin(0.002719·ns)]·tanα2′}(3)

式中：

α3——导叶进口安放角，弧度；

ns——比转速；

α2’——叶轮出口绝对液流角，弧度；

(4)导叶喉部平面宽度a3，其计算公式如下：

式中：

a3’——导叶喉部平面宽度,mm；

ns——比转速；

b3——导叶进口轴向宽度，mm；

z——导叶叶片数，个；

(5)导叶叶片数z根据经验和工程实际，通常取6～8中的某一个值；

(6)导叶扩散段长度l，其计算公式如下：

式中：

l——导叶扩散段长度，mm；

ns——比转速；

a3’——导叶喉部平面宽度，mm；

(7)导叶扩散段出口面积f4，其计算公式如下：

式中：

f4——导叶扩散段出口面积，mm²；

——导叶扩散角，弧度；

ns——比转速；

b3——导叶进口轴向宽度，mm；

a3’——导叶喉部平面宽度，mm；

(8)导叶扩散角通常选取6°到10°之间的某一个值；

(9)导叶叶片入口厚度δ3，其计算公式如下：

式中：

δ3——导叶叶片入口厚度，mm；

ns——比转速；

d3——导叶基圆直径，mm；

(10)导叶出口直径d4，其计算公式如下：

式中：

d3——导叶基圆直径，mm；

d4——导叶出口直径，mm；

ns——比转速；

根据上述步骤，可以得到一种相对系统的、精确的矿用离心泵导叶的主要参数的设计方法。

通过上述计算方法确定矿用离心泵导叶的基圆直径、导叶进口轴向宽度、导叶进口安放角、导叶叶片入口厚度、导叶喉部平面宽度、导叶叶片数、导叶扩散段长度和导叶扩散角等。该设计方法不同于传统相似法与速度系数法，能降低水力损失，提高泵的水力效率，增强矿用离心泵运行的稳定性和可靠性，延长了使用寿命和维修周期。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是矿用离心泵导叶的平面图。

图2是矿用离心泵导叶的轴面图。

图1中：3.d3；4.d4；5.a3；6.l。

图2中：1.b4；2.b3。

具体实施方法

本发明通过以下几个公式来确定矿用离心泵导叶的基圆直径d3、导叶进口轴向宽度b3、导叶进口安放角α3、导叶叶片入口厚度δ3、导叶喉部平面宽度a3、导叶叶片数z、导叶扩散段长度l，导叶扩散角等的几个参数。

此实施例是在给定设计工况流量q为243m³/h、设计工况扬程h为19m、比转速ns为151，叶轮外径d2为262mm、叶轮出口宽度b2为34mm，叶轮出口绝对液流角α2′为22°，导叶扩散角为8°，导叶叶片数为7，计算导叶水力参数：

α3＝arctan{[1.24+0.1995·cos(0.002719·ns)-0.3105·sin(0.002719·ns)]·tanα2′}≈30°

本发明采用精确公式进行导叶水力设计，提高泵运行的可靠性和稳定性，提高水力效率，同时延长了使用寿命和维修周期。由于本发明的设计方法不同于传统的相似法和速度系数法，公式充分考虑了泵运行的实际的工作环境，因此可以带来一定的经济效益。

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。