一种离心式液力透平叶轮的制作方法

本实用新型涉及能量转换叶轮，特别是一种离心式液力透平叶轮。

背景技术：

在钢铁、石油、化工等高耗能行业生产中，有大量高压液体直接通过孔板、减压阀等装置排出，能量被浪费掉。能量回收液力透平可以利用液体压力能驱动发电机发电或带动其他旋转机械做功，实现对液体余压能量的回收利用。

离心泵反转作透平因具有结构简单、成本低、安装维修方便，占地空间小，产量大、规格多，适应水头、流量变动大等经济技术优势，在化工、石油等工业余能回收系统中得到越来越广泛地应用。

此外，对于地处偏远，而又具备一定水力条件的地区，采取离心泵反转做透平的方式发电，既节省投资又可减少运行维护成本。

目前，离心泵反转作透平大多采用直接选用原型泵反转的型式，由于原型泵叶轮设计时只考虑泵运行工况，叶片形式均为后弯型，该叶轮设计时并未考虑透平运行工况，这使得原型泵反转运行时效率普遍不高于泵工况的效率，且高效区范围窄。另外，运行中噪声和振动问题也是泵反转作透平的突出问题，制约着泵反转作透平技术的推广应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种透平效率高、拓宽高效区运行范围和增加运行平稳性的离心式液力透平叶轮。

本实用新型公开了一种离心式液力透平叶轮，包括透平前盖板、后盖板和叶片，叶片位于前盖板和后盖板之间，叶片呈弧形，叶片包括叶片根部区域、叶片弧形区域和叶片端部区域，叶片根部区域在后盖板上呈顺时针放置，叶片端部区域在后盖板上呈逆时针放置。

所述的叶片端部区域与进口边的圆周线A的切线方向的夹角为叶片进口安放角β_b1，β_b1的大小为90度至135度，进口边为叶片端部区域的端部棱边。

所述的叶片根部区域与出口边的圆周线B的切线方向的夹角为叶片出口安放角β_b2，β_b2的大小为0度至90度，出口边为叶片根部区域的侧棱边。

所述的叶片与前盖板和后盖板为一个整体且通过铸造或焊接形成。

所述的叶片数量是通用水泵中原有叶片数量的1至3倍。

所述的叶片弧形区域的突出部位靠近叶片端部区域且位于整个叶片的五分之四位置。

本实用新型具有以下优点：本实用新型通过计算出最佳的叶片进口安放角β_b1和叶片出口安放角β_b2，能有效地提高透平叶片的工作效率、拓宽高效区运行范围和增加泵作透平工作时的整体运行的平稳性，通过将叶片突出部位设置在叶片的五分之四位置且靠近叶片端部区域，进一步提高了透平的效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2后盖板与叶片连接的结构示意图；

图3为叶轮进口相对液流角和出口相对液流角示意图；

图4为蜗壳常数计算示意图；

图5为叶轮进口相对液流角计算示意图；

图6为叶轮出口安放角计算示意图；

图7为两个不同叶轮透平运行时的试验外特性曲线图；

图8为本实用新型设计方法的流程图；

图中：1-前盖板，2-后盖板，3-叶片，4-叶片根部区域，5-叶片弧形区域，6-叶片端部区域，7-进口边，8-出口边，9-圆周线A，10-圆周线B，11-叶片翼型骨线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1～图3所示，本实用新型公开了一种离心式液力透平叶轮，包括透平前盖板1、后盖板2和叶片3，叶片3位于前盖板1和后盖板2之间，叶片3呈弧形，叶片3包括叶片根部区域4、叶片弧形区域5和叶片端部区域6，叶片根部区域4在后盖板2上呈顺时针放置，叶片端部区域6在后盖板2上呈逆时针放置；叶片端部区域6与后盖板2上所有进口边7形成的圆周线A9的切线方向的夹角为叶片进口安放角β_b1，β_b1的大小为90度至135度，进口边7为叶片端部区域6的端部棱边；叶片根部区域4与出口边8的圆周线B10的切线方向的夹角为叶片出口安放角β_b2，β_b2的大小为0度至90度，出口边8为叶片根部区域4的侧棱边，叶片进口安放角β_b1和叶片出口安放角β_b2的角度大小设置，使得叶片3在进行透平工作时能减少撞击和脱流损失，提高了叶片3的作透平工作的效率；叶片3与前盖板1和后盖板2为一个整体且通过铸造或焊接形成。

本实施例中，所述的叶片3数量是通用水泵中原有叶片数量的1至3倍，能够进一步提高透平效率。

本实施例中，所述的叶片弧形区域5的突出部位靠近叶片端部区域6且位于整个叶片3的五分之四位置，增加了叶片3作透平工作时有效的工作区域，即有效地拓宽高效区运行范围，并且增加了泵作透平工作时的整体运行的平稳性。

一种离心式液力透平叶轮设计方法的具体步骤如下：

(1)选用通用水泵作为设计水泵的原型泵，重新设计水泵的叶轮，原型泵除叶轮外其他参数不变，新型叶轮的设计包括叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂、叶轮进口宽度b₁和叶片3的参数，新型叶轮的叶轮轮毂直径D_h、叶轮口环直径D_L、叶轮口环长度L、叶轮轴向总体长度B、叶轮的前后盖板外形尺寸和叶轮键槽尺寸均与原型叶轮相同，叶片3的参数包括叶片进口安放角β_b1和叶片出口安放角β_b2；

(2)根据原型泵的尺寸来选取确定合适的叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂和叶轮进口宽度b₁，要求选取的叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂和叶轮进口宽度b₁以能让新型叶轮安装在原型泵中为原则，由于叶轮的其他参数未变，所以可以确定叶片3的出口边7到叶片3中心的距离R₃；

(3)根据已有原型泵中蜗壳的几何参数，通过已有的公式可计算出蜗壳常数k，蜗壳常数其中Q_r：设计计算流量，a₀：蜗壳螺旋进口断面中心距叶轮轴中心线的距离，a₀为可测量的已知参数，ρ₀：蜗壳螺旋进口圆断面半径，ρ₀为可测量的已知参数，蜗壳包角为可测量的已知参数；

(4)由于水流从蜗壳出口流到叶轮进口的能量损失较小，所以视为无能量损失，因此叶轮进口的水流的速度矩k₁与蜗壳出口水流的速度矩k₂相等，而蜗壳出口水流的速度矩k₂与蜗壳常数相等，所以有k₁＝k₂＝k，从而得到叶轮进口水流的速度矩k₁；

(5)利用叶轮进口水流的速度转矩k₁和叶轮进口直径D₁，可计算出叶轮进口处水的圆周分速度ν_u1，利用叶轮旋转速度n可计算出叶轮进口处水的圆周速度u₁，利用设计计算流量Q_r、叶轮进口直径D₁和叶轮进口宽度b₁，算出叶轮进口处水的轴面分速度ν_m1，其中ψ₁：叶片进口排挤系数；从而可以计算出叶轮进口相对液流角β₁，

(6)假设在设计计算流量Q_r下，透平叶轮工作时无撞击进口，则叶轮进口相对液流角β₁与叶片进口安放角相等β_b1，即可确定叶片进口安放角β_b1；

(7)由于单位时间内进入叶轮进口的水流量和叶轮出口的水流量是相等的，所以利用叶片进口直径D₁可得出叶片出口处水的圆周速度u₂，其中D₃：表示叶片3的直径，D₃＝2R₃；设叶片3出口处液体流出方向为叶片根部区域4端头的侧棱边切线方向，则可确定叶轮出口相对液流角β₂，设叶片3出口处水的流动方向与叶片3出口处叶片骨线方向一致，则叶片出口安放角β_b2与叶轮出口相对液流角β₂相等，即β_b2＝β₂，从而得到了叶片出口安放角β_b2；

(8)确定叶片翼型骨线11，叶片翼型骨线11根据叶片进口安放角β_b1、叶片出口安放角β_b2和叶片包角来确定，叶片包角即叶片进出口边所在轴面的幅角之差，叶片进口安放角β_b1与叶片出口安放角β_b2统称叶片安放角，叶片翼型骨线11按照下列两种方式确定：第一，从叶片进口到叶片出口，叶片安放角按照线性规律变化，叶片包角自然形成，叶片翼型骨线11自然生成；第二，给定叶片包角，叶片安放角按照均匀渐变的原则逐渐生成弧形的叶片叶翼型骨线11；

(9)根据透平工作中实际强度需求，确定加厚叶片厚度；

(10)依据双边加厚原则，生成叶片翼型；

(11)根据确定的叶轮进口直径D₁、叶轮出口直径D₂、叶轮进口宽度b₁和叶轮轮毂直径D_h、叶轮口环直径D_L、叶轮口环长度L、叶轮轴向总体长度B、叶轮的前后盖板外形尺寸、叶轮键槽尺寸、叶片进口安放角β_b1、叶片出口安放角β_b2和叶片翼型，来生成新型的叶轮。

本实施例中，所述的叶片包角为15度～90度。

试验验证：

在相同试验台，对原型泵和装有本实用新型设计的液力透平叶轮的新型泵分别进行透平试验，表1是原型泵中叶轮的参数表。

试验结果：如表2和图7所示。表2是原型泵与新型泵的透平高效点对比，Q为流量，单位是m³/h；H为扬程，单位是m；P为轴功率，单位是kW；η为效率。从表2可以看出，透平专用叶轮将最高效率由原来的59.98％提高到了67.91％，最高效率绝对值提高了7.93个百分点，最高效率提高了13.22％。同时通过压力脉动试验结果对比发现，本实用新型所设计的叶轮能够明显提高泵在作透平运行时的稳定性。

表1

表2

图7为原型泵与新型泵透平运行时的试验外特性曲线对比图。带有实心圆的实线表示新型泵的透平效率，带有空心圆的实线表示原型泵反转作透平时效率，带有实心矩形的实线表示新型泵透平运行的扬程，带有空心矩形的实线表示原型泵反转作透平的扬程，带有实心三角形的实线表示新型泵透平运行的轴功率，带有空心三角形的实线表示原型泵反转作透平的轴功率。在图5中，从效率曲线的变化趋势可以看出，无论是小流量到高效点的运行区间，还是高效点到大流量的运行范围，原型泵作透平的效率曲线较陡峭，而新型泵透平的效率曲线较平坦，特别是在0.9～1.2倍最优工况范围，新型的效率变化值在1.5％以内；在相同的小流量70m³/h与大流量110m³/h运行时，新型泵的效率比原型泵的效率高20％，后者高效区范围较宽。