专利名称：离心泵前置导叶调节节能装置及节能方法
技术领域：
本发明属于通用机械节能技术领域，特别涉及一种离心泵前置导叶调节节能装置及节能方法。
泵作为一种通用机械，它的应用范围及其广泛并消耗大量的能源。根据专家估计，泵的耗能约占世界总能耗的20%，在化工行业中高达26%，而在电力和石油行业中更是分别高达50%和59%。离心泵更是由于实用范围广(包括流量、扬程及对输送介质的适应性)、体积小、结构简单、操作容易、操作费用低等诸多优点，在工农业等行业中广泛应用。但在实际工程中，由于系统设计或水泵选型不当，导致大量离心泵在远离最优工况区或在节流调节的方式下运行。因此离心泵的节能意义深远、潜力巨大、经济效益和社会效益十分显著。众所周知，水泵的经济运行是在泵机组工况调节和控制的基础上实现的。在实际运行过程中，泵的工况点是由水泵和管网特性共同决定的，因此水泵的运行调节问题是水泵节能的关键。
目前常用的离心泵工况调节方法是节流调节。节流调节的最大优点是调节方法比较简单，故获得了较为广泛的应用，但是却造成了水泵能量的额外损失，致使供水效率下降，长期运行很不经济，特别对于功率较大的水泵机组，其能量浪费就更加突出。
变频调速的节能效果虽然较好，但是其致命缺点是调速装置复杂，技术要求高，设备投资费用大，运行管理成本较高，通常只适用于大型泵站和耗电量大、装置扬程变化较大的泵站。另外，由于变速调节的基本原理是泵的比例定律，当水泵的转速要求变化较大时就超出了泵的比例定律的范围，这在一定程度上也限 制了变速调节的使用。
除去前面所述的节流调节和变速调节以外，离心泵还有两种不常用的工况调 节方法。 一种方法是离心泵的串并联工作调节。虽然离心泵串并联调节方式其运 行调节范围较宽，但是其运行参数调节是不能实现连续变化的，若要实现连续的 变化，则必须对其中一台或多台水泵辅助其他的调节方法，这也就带来了其他调 节方法引起的能量损失，同时也增加了调节设备的复杂性。另外一种方法是切削 叶轮外径法。但是该方法对于已经工作的水泵，改变泵结构的方法就不太方便， 同时由于改变了单个部件的结构尺寸，过流部件之间的匹配就会受到影响，也降 低了该泵的通用性。因此该方法作为一种针对具体工程问题的处理方法是可行 的，但不具有一般意义上调节方式的概念，在生产过程中也较少采用。
发明内容
本发明提供了一种离心泵前置导叶调节节能装置，包括以下几个部分轮毂 1、导叶室3、导叶调节传动机构和预旋介质混合室9，其中，导叶调节传动机构
由手轮6、主动斜锥齿轮5、转动齿圈7和从动斜锥齿轮8组成；其特征在于， 在离心泵吸水管路中沿管壁周向均匀布置三维空间扇形前置活动导叶4，前置活 动导叶4的预旋角由导叶调节传动机构调节并加以固定，由于前置导叶的预旋调 节作用，从而在叶轮进口前形成正负预旋流场。
所述前置活动导叶4叶片数为5 8片，且前置活动导叶4距叶轮进口的轴 向位置为前置导叶叶片的轮毂与轮缘弦长平均值的4 8倍。 所述前置活动导叶4的预旋角变化范围为一75° + 75°。 所述轮毂l设置在导叶室3的中心，并由四个固定导叶2支撑。 本发明还提供了-一种离心泵前置导叶调节节能方法，其特征在于，所述节能方法的基本原理及工作流程为
a. 流体介质通过固定导叶2后，进入由导叶室3、轮毂1和前置活动导叶4
所组成的可变流道空间，固定导叶2能够提高前置活动导叶4入口处水流的均匀 性，轮毂1保证前置活动导叶4在任何预旋角位置导叶和轮毂之间都只有很小的 间隙，使得所有水流介质都流经前置活动导叶叶片区而受到叶片的控制，从而减 小无预旋区所造成的漩涡区的影响，因此该结构有利于提高离心泵的效率，改善 离心泵的吸入性能；
b. 在可变流道空间内，流体介质受到前置活动导叶4的预旋调节作用而产生 一定大小的速度环量，从而改变了离心泵叶轮进口前的流场分布，其中流体的预
旋方向、强度和可变流道空间的过流面积由前置活动导叶4的预旋角来决定；
c. 受前置活动导叶4预旋作用后的流体沿叶片表面的尾缘切向流出而进入 预旋介质混合段，经充分混合后进入离心泵叶轮，在一定的流量条件下使得相对 液流角与泵叶片进口安放角相等，有效的减少了叶轮进口的冲击损失，提高了水 泵的运行效率。
d. 该调节方法通过改变离心泵的特性曲线来调节其流量和扬程，从而使得离 心泵在前置活动导叶不同的预旋角下实际运行工况点沿着管路特性曲线变化，因 此有效的节省了阀门调节带来的节流损失。
本发明的有益效果为离心泵前置导叶正负预旋通过改变离心泵的特性曲线 来调节其流量和扬程，从而使得离心泵在前置活动导叶不同的预旋角下实际运行 工况点沿着管路特性曲线变化，有效的节省了阀门调节带来的节流损失，同时所 述节能方法能够有效减小叶轮进口的冲击损失，提高了离心泵在非设计工况下的 实际运行效率，拓宽了离心泵的高效运行范围；前置导叶采用水力性能良好流线 型设计，有效的减少了水力损失，提高了调节装置的经济效益；所述节能装置结构简单、紧凑，操作方便，成本低廉，可大规模使用。
图1为本发明装置的结构示意图2为本发明前置导叶调节控制机构的结构示意图。
图3为本发明前置导叶预旋调节装置节能原理示意图。
图中标号
l一轮毂；2—固定导叶；3 —导叶室；4一前置活动导叶；5 —主动斜锥齿轮; 6 —手轮；7 —传动齿圈；8 —从动斜锥齿轮；9一预旋介质混合室。
A, A一前置导叶预旋角度；
A/Z—前置导叶预旋角为A时与无导叶相比所节省的能量。
具体实施例方式
本发明提供了一种离心泵前置导叶调节节能装置及节能方法，下面结合附图 和具体实施方式
对本发明进一步进行说明。
图1为本发明装置的结构示意图，图2为本发明前置导叶调节控制机构的结
构示意图。轮毂1设置在导叶室3的中心，并由四个固定导叶2支撑；在离心泵
吸水管路中沿管壁周向均匀布置6片前置活动导叶4，且前置活动导叶4距叶轮 进口的轴向位置为叶片平均弦长的6倍；在前置活动叶片4与导叶室3相接触的 管壁处设置由手轮6、主动斜锥齿轮5、转动齿圈7和从动斜锥齿轮8组成的导 叶调节传动机构，通过旋转手轮6带动主动斜锥齿轮5旋转，进而通过齿圈7带 动从动斜锥齿轮8 —起同步旋转以改变前置活动导叶4的预旋角；导叶调节传动 机构可以调节前置活动导叶4的预旋角在—75° + 75°变化，从而使流体在导叶 室内形成正负预旋流道；前置活动导叶旋转轴与导叶室的接触面采用了双层盘根 密封。流体介质沿箭头所指方向运动，流经固定导叶2后进入导叶室3，通过由前
置活动导叶4、轮毂1和导叶室3所组成的可变几何流道，固定导叶2能够提高 前置活动导叶4入口处水流的均匀性，流体介质流出前置活动导叶4后由于受到 导叶的控制作用而具有一定大小的预旋速度，当前置导叶转向和离心泵叶轮转向 一致时，则为正预旋工况，相反则为负预旋工况，当离心泵的流量和扬程需要减 小时，采用正预旋调节，当离心泵的流量和扬程需要增加时，采用负预旋调节； 流体在预旋介质混合室9内混合均匀后进入离心泵叶轮，其预旋速度的方向和大 小分别由前置活动导叶的预旋角和流量决定，从而也就决定了叶轮进口流体介质 的相对液流角和绝对液流角，因此在一定的流量条件下，在叶轮进口能够满足相 对液流角和离心泵叶片进口安放角相等，从而给叶轮提供无撞击进口条件，减小 了叶轮进口的冲击损失，从而使得离心泵在该工况下与无前导叶相比效率要高， 因此扩宽了离心泵的高效运行范围。
图3为本发明前置导叶预旋调节装置节能原理示意图。在实际的离心泵变工 况过程中，将离心泵的流量从由0调节至込，若没有安装前置导叶预旋调节装置 而采用阀门节流调节，则此时水泵的运行工况点将沿离心泵的特性曲线从A变化 至B;而若安装前置导叶后，则只需调节前置导叶预旋角度为A，则此时水泵的 实际运行工况点将沿着管路特性曲线从A变化至C，因此与无前置导叶时阀门节 流调节相比，采用前置导叶调节所节约的能量为A//，从而达到了为离心泵增效 节能的目的。
权利要求
1.一种离心泵前置导叶调节节能装置，包括以下几个部分轮毂(1)、导叶室(3)、导叶调节传动机构和预旋介质混合室(9)，其中，导叶调节传动机构由手轮(6)、主动斜锥齿轮(5)、转动齿圈(7)和从动斜锥齿轮(8)组成；其特征在于，在离心泵吸水管路中沿管壁周向均匀布置基于轴面有势流动假设的二元理论设计方法设计完成的三维空间扇形前置活动导叶(4)，前置活动导叶(4)的预旋角由导叶调节传动机构调节并加以固定，从而在导叶室内形成过流面积可调的可变流道空间，并在叶轮进口前形成正负预旋流场。
2. 根据权利要求1所述的一种离心泵前置导叶调节节能装置，其特征在于， 所述前置活动导叶(4)叶片数为5 8片，且前置活动导叶(4)距叶轮进口的 轴向位置为前置导叶叶片的轮毂与轮缘弦长平均值的4 8倍。
3. 根据权利要求1所述的一种离心泵前置导叶调节节能装置，其特征在于， 所述前置活动导叶(4)的预旋角变化范围为一75° + 75°。
4. 根据权利要求1所述的一种离心泵前置导叶调节节能装置，其特征在于， 所述轮毂(1)设置在导叶室(3)的中心，并由四个固定导叶(2)支撑。
5. —种离心泵前置导叶调节节能方法，其特征在于，所述节能方法的基本 原理及工作流程为a.流体介质通过固定导叶(2)后，进入由导叶室(3)、轮毂(1)和前置活 动导叶(4)所组成的可变流道空间，固定导叶(2)能够提高前置活动导叶(4) 入口处水流的均匀性，轮毂(1)保证前置活动导叶(4)在任何预旋角位置导叶 和轮毂之间都只有很小的间隙，使得所有水流介质都流经前置活动导叶叶片区而 受到叶片的控制，从而减小无预旋区所造成的漩涡区的影响，因此该结构有利于 提高离心泵的效率，改善离心泵的吸入性能；b. 在可变流道空间内，流体介质受到前置活动导叶(4)的预旋调节作用而产生一定大小的速度环量，从而改变了离心泵叶轮进口前的流场分布，其中流体的预旋方向、强度和可变流道空间的过流面积由前置活动导叶(4)的预旋角来决定；c. 受前置活动导叶(4)预旋作用后的流体沿叶片表面的尾缘切向流出而进入预旋介质混合段，经充分混合后进入离心泵叶轮，在--定的流量条件下使得相对液流角和泵叶片进口安放角相等，有效的减少了叶轮进口的冲击损失，提高了水泵的运行效率。d. 该调节方法通过改变离心泵的特性曲线来调节其流量和扬程，从而使得离心泵在前置活动导叶不同的预旋角下实际运行工况点沿着管路特性曲线变化，因此有效的节省了阀门调节带来的节流损失。
全文摘要
本发明属于通用机械节能技术领域，特别涉及一种离心泵前置导叶调节节能装置及节能方法。通过在离心泵吸水管中沿管壁周向均匀布置导叶，配合调节前置导叶的调控机构来改变导叶的预旋角度，进而改变泵叶轮进口前的来流条件来调节离心泵的运行工况点。本调节方法及其装置能够有效的减少各个工况下离心叶轮进口来流的冲击损失，提高离心泵的运行效率，较大的拓宽离心泵的高效运行范围，有效的解决了工程实际运行过程中由于管网特性和离心泵特性不匹配所造成的能量浪费问题，从而达到了为离心泵增效节能的目的。
文档编号F04D29/66GK101639085SQ20081011755
公开日2010年2月3日 申请日期2008年8月1日 优先权日2008年8月1日
发明者曹树良, 桂绍波, 梁开洪, 亿 江 申请人:清华大学