一种三工况平稳运行离心泵结构及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种三工况平稳运行离心泵结构及其设计方法，将三个叶轮串联在一根泵轴上，每个叶轮对应一个出口，通过关闭三个出口下游阀门来调整所需扬程，当出口1打开，出口2、出口3关闭时，叶轮2、叶轮3处于关死点扬程，此时泵输出扬程为扬程H1；当出口2打开，出口1、出口3关闭时，此时相当于叶轮1、叶轮2串联工作，扬程为H1+H2；当出口3打开，出口1、出口2关闭时，此时相当于三个叶轮串联工作，扬程为H1+H2+H3。三个出口对应的蜗壳隔舌安放角在周向呈120°布置，以平衡整泵叶轮所受的径向力。本发明能满足泵在三种工况下运行且不出现效率大幅下降，机组运行平稳，同时大大减少了水泵的体积、占地面积、安装和制造成本。
【专利说明】
一种三工况平稳运行离心泵结构及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种流体机械结构设计方法，适用于离心栗，特指经常需要在三个工 况下运行的离心栗结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 作为重要的能量转换装置，离心栗广泛应用于国民经济各个部门，是流体输送设 备的心脏。由于实际工作需要，存在需要离心栗在三个工况下运行的情况。为了满足这种需 要，目前主要从离心栗多工况水力设计方法和离心栗工况调节方法两方面进行研究。但长 期以来，离心栗三工况运行的问题都没得到很好的解决。专利号为ZL201010520494.8公布 了一种基于损失的离心栗多工况水力优化方法，该方法从水力设计本身出发，基于各种损 失公式建立离心栗多工况水力优化模型，但该方法不但基于软件并且依赖试验，工作量较 大，并且对相同流量、不同扬程下三个工况的离心栗设计并不适用。运用离心栗工况调节方 法可以弥补该方法的范围，常用的离心栗工况调节方法有节流调节、变速调节、旁路调节和 串、并联调节等。专利号为ZL200510027590.8公开了一种并列串联栗，实现了两台栗的串联 运行，但该设计的两个蜗室在同一平面上，径向尺寸很大，两个蜗室产生的径向力相互促 进，两个栗轴需要两台电机，这种做法占地面积大，使用费用较高。同时，由于离心栗蜗室的 不对称，离心栗多工况水力设计方法以及离心栗工况调节方法均解决不了叶轮所受径向力 不平衡问题，容易引起轴系的疲劳损坏。
[0003] 经检索，关于三工况平稳运行离心栗结构设计方法没有相关报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种三工况平稳运行离心栗结构及其设计方法，以使叶轮 所受径向力平衡，降低轴系的疲劳损坏，提高使用寿命。
[0005] 为了解决以上技术问题，本发明将三个叶轮串联在一根栗轴上，相邻两叶轮之间 通过导叶相连，当出口下游管道阀门关闭时，流体经过导叶流入下级叶轮，当出口 1打开，出 口2、出口3关闭时，相当于单级栗运行；当出口2打开，出口 1、出口3关闭时，相当于两级栗串 联运行；当出口3打开，出口 1、出口2关闭时，相当于三级叶轮串联运行。三个出口对应的蜗 壳隔舌安放角在周向呈120°分布，以平衡整栗叶轮所受的径向力。具体技术方案如下：
[0006] 一种三工况平稳运行离心栗结构设计方法，其特征在于:将三个叶轮串联在一根 栗轴上，每个叶轮对应一个出口，通过关闭三个出口下游阀门来调整所需扬程；当出口 1打 开，出口 2、出口3关闭时，叶轮2、叶轮3处于关死点扬程，此时栗输出扬程为扬程m;当出口 2 打开，出口 1、出口 3关闭时，此时相当于叶轮1、叶轮2串联工作，扬程为出+出；当出口 3打开， 出口 1、出口 2关闭时，此时相当于三个叶轮串联工作，扬程为出+出+出。
[0007] 所述出口 1、出口2、出口3在周向呈120°分布以平衡径向力。
[0008] 所述叶轮1、叶轮2、叶轮3、两级叶轮间的导叶1、导叶2,以及叶轮3下游的蜗壳，根 据模型换算进行设计；出口 1、出口 2对应的蜗壳没有相应的模型，应用面积比法进行设计。
[0009] 所述模型换算的具体过程如下：
[0010] 根据欲设计单级叶轮的流量Q、扬程Η和转速η计算出单级栗比转速ns，选择性能良 好的水力模型，模型栗比转速应与设计栗比转速相等或相近，按设计栗和模型栗的参数:流 量Qm、扬程Hm、转速ΠΜ;下标1代表模型栗的参数；
[0011]计算相应的尺寸系数λ，设计栗的各水力尺寸；所述各水力尺寸包括叶轮进口直 径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、轮毂直径、叶片出口安放角、导叶进口直径、导叶外径、导 叶喉部高度；
[0012]按照D = ADM换算，分别由流量和扬程计算出的尺寸系数λ(^ΡλΗ如下
[0016]所述面积比具体为：
[0017]计算出口 1和出口 2对应叶轮的比转速ns，根据国内栗面积比Υ和比转速ns统计曲线 确定面积比Y的大小，Y为压水室喉部面积F3和叶轮出口叶片间总面积^的比值;Y计算公式 如下
[0019]查得Y数值后，F3 = YF2,叶轮出口叶片间总面积?2通过叶轮外径D2,、叶片出口宽度 b2、叶片出口安放角&计算出来，F2 = O.95D2：nb2sin02;
[0020] 蜗壳喉部面积F3等于蜗壳第8断面面积，根据蜗壳第8断面面积根据等速度原理可 以计算蜗壳其他断面的面积，从而得到蜗壳的水力图。
[0021] 一种三工况平稳运行离心栗结构，包括进口、叶轮1、导叶1、出口 1、叶轮2、导叶2、 出口2、叶轮3、出口3、栗轴，其特征在于：
[0022]叶轮1、叶轮2、叶轮3串联在一根栗轴上，导叶1将叶轮1和叶轮2连接起来，导叶2将 叶轮2和叶轮3连接起来，每个叶轮对应一个出口，三个出口法兰下游配备阀门进行控制;三 个栗出口对应的三个蜗壳的隔舌安放角呈120°分布，以平衡整栗叶轮所受的径向力。
[0023] 本发明的工作过程为:流体经栗进口进入叶轮1，当出口 1打开，出口 2、出口 3关闭 时，流体经出口 1进入下游管路；当出口 2打开，出口 1、出口 3关闭时，进入叶轮1的流体不能 从出口 1流出，通过导叶1进入叶轮2，然后从出口 2进入下游管路；当出口 3打开，出口 1、2关 闭时，进入叶轮2的流体不能从出口2流出，通过导叶2进入叶轮3,然后从出口3进入下游管 路。
[0024]本发明的有益效果在于:本发明将三个叶轮串联在一根栗轴上，能有效减小整栗 的占地面积，三个出口下游的阀门分别控制三个出口，通过阀门的开闭，保证流量不变的条 件下调整所需扬程，不需要串联多台栗工作，减小了串联栗组工作的占地面积，节约成本， 操作方便，拓宽了单台离心栗的应用范围，三个出口对应的蜗壳隔舌安放角在周向上呈 120°分布，能抵消由于蜗室不对称产生的径向力，提高了整栗稳定性和安全性。
【附图说明】
[0025] 图1:本发明整栗正视图；
[0026] 图2:本发明整栗侧视图。
[0027] 图中：1.进口、2.叶轮1、3.出口 1、4.导叶1、5.叶轮2、6.出口2、7.导叶2、8.叶轮3、 9.出口 3、10.栗轴、11.隔舌。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0029] 如图1和图2所示，叶轮1、叶轮2和叶轮3串联在一根栗轴上，导叶1将叶轮1和叶轮2 连接起来，导叶2将叶轮2和叶轮3连接起来，每个叶轮对应一个出口，流体经栗进口进入叶 轮1，当出口 1打开，出口 2、出口 3关闭时，流体经出口 1进入下游管路；当出口 2打开，出口 1、 出口 3关闭时，进入叶轮1的流体不能从出口 1流出，通过导叶1进入叶轮2,然后从出口 2进入 下游管路；当出口 3打开，出□ 1、出口 2关闭时，进入叶轮2的流体不能从出□ 2流出，通过导 叶2进入叶轮3,然后从出口 3进入下游管路。三个出口对应的蜗壳隔舌安放角在周向上呈 120°分布，能平衡整栗叶轮所受径向力。
[0030] 以一台实型栗的设计为例，实型栗设计参数为:扬程Hi = 20m，H2 = 40m，H3 = 60m，流 量Q = 25m3/h，转速n = 2900r/min。经过分析，第一级叶轮和导叶的设计参数为：扬程H = 20m;流量 Q = 25m3/h，转速 n = 2900r/min;
[0031]参考《现代栗理论与设计》中编号为JM4的水力模型，该水力模型参数如下:流量Qm = 46m3/h，扬程 Hm=30m，转速 nM=2900r/min，nSM=93，DjM=80mm，dhM=45mm，D2m= 164mm，b2M =12mm，叶轮出口安放角β2Μ = 25°，导叶进口直径D3M = 167mm，导叶外径D4M = 243mm，导叶喉 部高度a3M=27mm。
[0035] 实型栗尺寸为:叶轮进口直径Dj = ADjM=0.8163 X 80~65mm;
[0036] 轮穀直径 dh=XdhM=0 · 8163 X 45~37111111;
[0037] 叶轮出 口直径D2 = AD2M=0.8163X164~134mm;
[0038] 叶片出 口宽度b2 = Ab2M=0.8163 X12~10mm;
[0039] 叶片出口安放角β2 = λβ2Μ=〇·8163X25^=20。；
[0040] 导叶进口直径 D3 = AD3M=0.8163X167~136mm;
[0041] 导叶外径 D4=AD4M=0.8163X243~198mm;
[0042] 导叶喉部高度 a3 = Xa3M=0 · 8163 X 27~22臟；
[0043] 蜗壳的设计方法如下：由叶轮设计可知，比转速ns = 93，查栗手册，由国内栗比转 速ns与面积比Y统计曲线可知，Y的取值范围为0.15~0.38，考虑到栗的效率，选取Y=0.25，
[0045]由叶轮相关参数可以得到F3 = 341.78mm2，F3与蜗壳第8断面面积F8相等，其他各断 面面积按下式计算：
[0047] 式中切为断面包角(°)
[0048] 蜗壳各断面面积见表1:
[0049] 表1模型栗第一级蜗壳断面面积
[0050]
[0051 ]根据各断面面积可以确定蜗壳尺寸。
[0052]用相同的计算方法可以得到另外两级叶轮、导叶和蜗壳的水力参数。
【主权项】
1. 一种Ξ工况平稳运行离屯、累结构设计方法，其特征在于：将Ξ个叶轮串联在一根累 轴上，每个叶轮对应一个出口，通过关闭Ξ个出口下游阀口来调整所需扬程；当出口 1打开， 出口2、出口3关闭时，叶轮2、叶轮3处于关死点扬程，此时累输出扬程为扬程出；当出口 2打 开，出口 1、出口 3关闭时，此时相当于叶轮1、叶轮2串联工作，扬程为出+此；当出口 3打开，出 口 1、出口 2关闭时，此时相当于Ξ个叶轮串联工作，扬程为Ηι+出+出。2. 根据权利要求1所述的一种Ξ工况平稳运行离屯、累结构设计方法，其特征在于:所述 出口 1、出口2、出口3在周向呈120°分布W平衡径向力。3. 根据权利要求1所述的一种Ξ工况平稳运行离屯、累结构设计方法，其特征在于:所述 叶轮1、叶轮2、叶轮3、两级叶轮间的导叶1、导叶2, W及叶轮3下游的蜗壳，根据模型换算进 行设计；出口 1、出口 2对应的蜗壳没有相应的模型，应用面积比法进行设计。4. 根据权利要求3所述的一种Ξ工况平稳运行离屯、累结构设计方法，其特征在于所述 模型换算的具体过程如下： 根据欲设计单级叶轮的流量Q、扬程Η和转速η计算出单级累比转速ns，选择性能良好的 水力模型，模型累比转速应与设计累比转速相等或相近，按设计累和模型累的参数:流量 Qm、扬程Hm、转速ΠΜ;下标Μ代表模型累的参数； 计算相应的尺寸系数λ，设计累的各水力尺寸;所述各水力尺寸包括叶轮进口直径、叶 轮出口直径、叶轮出口宽度、轮穀直径、叶片出口安放角、导叶进口直径、导叶外径、导叶喉 部高度； 按照〇 = λ〇Μ换算，分别由流量和扬程计算出的尺寸系数λ〇和λΗ如下5. 根据权利要求3所述的一种Ξ工况平稳运行离屯、累结构设计方法，其特征在于所述 面积比具体为： 计算出口 1和出口 2对应叶轮的比转速山，根据国内累面积比Υ和比转速ns统计曲线确定 面积比Y的大小，Y为压水室喉部面积的和叶轮出口叶片间总面积F2的比值;Y计算公式如下查得Y数值后，的=YF2，叶轮出口叶片间总面积F2通过叶轮外径化，、叶片出口宽度b2、叶 片出口安放角&计算出来，F2 = 0.95化柿2S i址2 ; 蜗壳喉部面积F3等于蜗壳第8断面面积，根据蜗壳第8断面面积根据等速度原理可W计 算蜗壳其他断面的面积，从而得到蜗壳的水力图。6. 根据权利要求1所述的一种Ξ工况平稳运行离屯、累结构设计方法设计的离屯、累结 构，包括进口、叶轮1、导叶1、出口 1、叶轮2、导叶2、出口 2、叶轮3、出口 3、累轴，其特征在于： 叶轮1、叶轮2、叶轮3串联在一根累轴上，导叶1将叶轮1和叶轮2连接起来，导叶2将叶轮 2和叶轮3连接起来，每个叶轮对应一个出口，Ξ个出口法兰下游配备阀口进行控制； Ξ个粟出口对应的Ξ个蜗壳的隔舌安放角呈120°分布，W平衡整粟叶轮所受的径向 力。
【文档编号】F04D29/42GK106089795SQ201610445449
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】司乔瑞, 林刚, 袁建平, 袁寿其, 衡亚光
【申请人】江苏大学