高效耐磨挖泥泵叶轮的制作方法

本实用新型属于泵设计技术领域。

背景技术：

泥泵是挖泥船的关键设备，它的施工效率不仅与其清水效率有关，也与输送土质特性息息相关，而泥泵的疏浚物中往往可能包含了大块的砾石、粘土球乃至岩石块，也可能存在各种废弃物。针对特殊土质时，泥泵关键部件不仅要求其水力损失小，而且流道应顺应其运行轨迹，减少磨损冲击。

一般的挖泥船泥泵叶轮前后盖板线为直线及小弧线，叶片为四叶片或是五叶片的圆弧柱形，致使泥浆在叶轮中的运动速度变化不均，流动紊乱，泥浆中的大颗粒石块对泥泵流道产生较大的冲击，加剧了泥泵过流部件的磨损，且容易堵塞流道。泥泵的通过能力小、效率低、易磨损是制约疏浚施工的重要问题。当前挖泥泵叶轮的设计方法没有充分考虑这种问题，而且经验参数多，取值随意性大，致使设计一个通过能力强、耐磨蚀、效率高的泵非常困难。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有挖泥泵叶轮易阻塞、易磨损以及效率低等问题，且经验参数多，取值随意性大，过程繁冗的缺点，提供一种简单可行的高效耐磨三叶片叶轮。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种叶轮，包括前盖、后盖和叶片组，它们相互之间的关系和各自功能已为公知，本实用新型创新在于，所述叶片组的构成叶片数为三个，每个叶片呈三维扭曲，叶片间呈周向均匀分布，叶片与叶片之间夹角为120度，叶片进口边在同一个半径线上，叶片厚度从进口到出口均匀加厚，叶片厚度取值为50～120mm，叶片包角取值100°～170°。

获得本实用新型上述结构，可通过以下方法设计获得：

包括如下步骤：

1根据设计流量Q、设计扬程H、设计转速n、泥浆泵经验系数等参数，按公式(1)-(5)初步确定进口直径D_j，出口直径D₂，叶片出口厚度b₂，叶片进口安装角β₁，出口安装角β₂等叶轮的主要参数(见图2)。

D_j按下式计算：

式中Q为流量，单位为m³/h；n为转速，单位为rpm；K为经验系数，η为参考效率，下标v表示容积。ψ为排挤系数，下标为1(进口边位置)，2(出口边位置)，下同。

D₂按下式计算：

式中n_s为比转速。

b₂按下式计算：

或

式中H为设计杨程，单位为m。

β₁按下式计算：

式中r为当地半径高度，单位为m；F为过水断面面积，单位为m²，其中

F＝2πR_cl (5)

Rc为前后盖板流线的内切圆重心半径，单位为m；l为过水断面形成线AEB的长度，单位为m，见图2。

β₂按下式计算：

2按势流理论确定沿叶高方向的中间流面，实现划分沿叶高方向的中间流面：在中轴面进出口处，采用过水断面均分法(即一元流动理论)，在确定内部等势线上的流面划分点时，根据公式(6)(即二元流动理论)多次差值矫正后得到势流理论流面。

式中s为流线方向，可近似为叶高方向；σ为相邻轴面流线件等势线长度，单位为m。

3根据速度三角形理论确定流道中的流动角度的适用范围，并按公式(7)核实步骤1中的初始叶片角是否满足设计需求，并根据以下渣浆泵公式(8)、(9)反复迭代并修正设计参数。

叶片角核实公式：

式中V为流道内泥浆的参考速度，速度为m/s，下标为u(周向)，m(法向)。

修正参数公式:

式中y为修正系数。

4根据修正后的叶片进、出口安装角，按均匀加载或后加载的原则，在各流面上绘制叶片单调骨线，并根据强度要求的叶片厚度生成叶片造型线。

式中θ为极角，单位为度；为包角，单位为度；k为随包角变化的参数，其满足关系式：

5结合多个叶高流面上的二维叶片造型线构成三维扭曲叶片。在参考的进出口排挤系数的同时，根据泥浆的物性，将曲面包角变换的流道内流动进行数值模拟，将模拟结果生成中间变量，使用二次流动最小理论(即总压力增加均匀分布，能量梯度G_E最小)为导向，以公式(13)确定叶片延叶高方向的最优安装位置。

式中P为当地静压力，压力为pa；N为流线法向方向长度，单位为m，可近似为叶高方向；V为当前速度标量大小，单位为m/s。

附图说明

图1是设计流程示意图。

图2是本实用新型叶轮轴截面视图、入口前视图及主要参数的示意图。

图3为具体实施例。

具体实施方式

本实用新型通过以下几个公式来确定1叶片进口直径D_j、2叶轮外径D₂、3叶片出口宽度b₂、4叶片进口安放角β₁、5出口安放角β₂、6包角7叶片厚度δ。

该实例如图3所示，是在给定设计流量12000m^3/h、设计扬程40m、设计转速330rpm、叶片数为3的前提下，根据经验确定叶片厚度为80mm，计算叶轮参数：

a.计算进口直径

b.计算叶轮外径

C.计算叶片出口宽度

d.计算叶片进出口安放角

e.修正叶轮外径、进出口安放角

f.已知r_1a＝428mm，r_1b＝225mm，确定叶片包角和k值，生成前后盖板的叶片型线，并均匀加厚80mm

g.优化叶片

经上述计算得到最终三维扭曲叶片，如图3所示，其中叶片数为3，叶片与叶片之间成120度，进口边位置r_1a＝428mm，r_1b＝225mm，叶片进口直径D_j为850mm、叶轮外径D₂为1720mm、叶片出口宽度b₂为360mm、叶片进口安放角β₁为35度、叶片出口安放角β₂为18度、包角为164度、叶片均匀加厚的厚度δ为80mm。经生产实践检验，实用新型的叶轮增强了疏浚物的输送能力，降低了泥泵的磨损，在保证流量的情况下极大地提高了挖泥泵的水力效率，具有较高的经济效益。

以上为本实用新型专利的具体说明，但本实用新型并不限于上述实施例，也包含本实用新型构思范围内的其他实施例或变形例。