一种多级泵反导叶分流叶片及设计方法与流程

本发明属于多级泵设计领域，具体涉及一种多级泵反导叶分流叶片及设计方法。

背景技术：

目前，节段式多级泵两级叶轮之间常采用径向导叶连接，径向导叶由正导叶、环形空间以及反导叶三个部分组成。流体流出上一级叶轮后，经由正导叶、环形空间和反导叶流入下一级叶轮。按照传统方法设计的径向导叶，在设计工况下，反导叶内流动均匀，但是在非设计工况下，流体在流入反导叶后流体的流态复杂，会在流道中形成漩涡，阻塞流道，降低了多级泵单级的效率，并且反导叶出口处液体速度旋转分量较大，使得下一级叶轮进口预旋严重，影响下一级的性能，使得多级泵的高效区狭窄，运行不稳定情况严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于，保持径向导叶基本尺寸参数不变的前提下，减少多级泵反导叶流道中的漩涡、减小次级叶轮进口预旋、提高多级泵效率，为达到上述目的，本发明提供以下反导叶分流叶片结构及其设计方法：

本发明提供一种反导叶分流叶片结构，分流叶片为圆柱叶片，数量与反导叶数量相等，分流叶片由分流叶片背面和分流叶片工作面组成，其形线为圆弧形，分流叶片工作面和分流叶片背面之间进行倒圆角。

分流叶片的设计方法包括如下步骤：

步骤一：确定分流叶片基本尺寸；

步骤二：确定分流叶片工作面进口和出口的周向位置；

步骤三：确定分流叶片工作面进口角和出口角；

步骤四：绘制分流叶片工作面形线，完成分流叶片工作面设计；

步骤五：确定分流叶片厚度，绘制分流叶片背面形线；

步骤六：绘制分流叶片进口边和出口边，完成分流叶片设计。

所述步骤一中，基本尺寸包括：分流叶片宽b′4＝b4，b4为反导叶的宽度；分流叶片进口半径分流叶片出口半径r8＝r6，r5为反导叶进口直径，r6为反导叶出口直径。

所述步骤二中，分流叶片工作面进口和出口的周向位置由以下参数确定：分流叶片工作面进口所在轴面与反导叶工作面r＝r7所在轴面的夹角θ7；分流叶片工作面出口所在轴面与反导叶工作面出口所在轴面的夹角θ8。其中z为反导叶叶片数。

所述步骤三中，分流叶片工作面进口安放角为β7＝β′，工作面出口安放角为β8，β′是反导叶工作面r＝r7处的安放角，β8取值范围[55°，80°]。

所述步骤四中，分流叶片工作面形线的绘制方法为：根据分流叶片工作面进口和出口的位置，确定分流叶片工作面进口p1、出口p2，以点p1和p2为端点作一段圆弧，圆弧端点p1处切线与进口角β7方向一致，端点p2处切线与出口角β8方向一致。

所述步骤五中，分流叶片工作面进口p1、中点p3、出口p2三点处厚度分别为δ7、δ8和δ9，δ7、δ8和δ9不大于同半径处反导叶的厚度。分别过上述三点，以对应的厚度为长作与背面垂直的垂线段，另一端点即为背面所对应的点，得到背面的进口p1’、中点p3’以及出口p2’三个点，过三点作圆弧，即为分流叶片的背面，完成叶片形线的设计。

所述步骤六中，使用一段圆弧分别连接p1p1’以及p2p2’。圆弧p1p1’在点p1处与工作面相切，在点p1’处与背面相切；圆弧p2p2’在点p2处与工作面相切，在点p2’处与背面相切。

本发明的有益效果是：可以减小反导叶流道中的漩涡，减小次级叶轮的进口预旋，提高多级泵的效率，并且分流叶片采用圆柱叶片，只需设计二维结构，其背面和工作面的形线均为圆弧，结构简单，便于加工，有利于降低生产成本。

附图说明

图1是添加分流叶片的反导叶轴向视图；

图2是径向导叶轴面投影及基本尺寸示意图；

图3是分流叶片工作面示意图；

图4是分流叶片背面示意图；

图5是无分流叶片和有分流叶片泵首级叶轮性能曲线；

图6是大流量工况下不带分流叶片的反导叶中平面流线图；

图7带大流量工况下分流叶片的反导叶中平面流线图；

附图标记如下：

1-反导叶；2-分流叶片；3-反导叶工作面；4-反导叶背面；5-分流叶片工作面；6-分流叶片背面；7-分流叶片进口边；8-分流叶片出口边。

具体实施方式

一种多级泵反导叶分流叶片，分流叶片2位于反导叶流道中，且分流导叶数量于反导叶数量相同，反导叶流道中均设置有分流叶片2；分流叶片2为圆柱叶片；分流叶片包括分流叶片工作面5、分流叶片背面6、分流叶片进口边7和分流叶片出口边8；分流叶片工作面5与分流叶片背面6之间倒圆角过渡。

可以减小反导叶流道中的漩涡，减小次级叶轮的进口预旋，提高多级泵的效率，降低整个多级泵装置的能耗。并且分流叶片采用圆柱叶片，只需设计二维结构，其背面和工作面的形线均为圆弧，结构简单，对加工人员的要求低，有利于提高生产效率、降低生产成本。

多级泵反导叶分流叶片的设计方法，包括如下步骤：

步骤一：确定分流叶片基本尺寸；

步骤二：确定分流叶片工作面进口和出口周向位置；

步骤三：确定分流叶片工作面进口角和出口角；

步骤四：绘制分流叶片工作面形线，完成分流叶片工作面设计；

步骤五：确定分流叶片厚度，设计分流叶片背面形线；

步骤六：绘制分流叶片进口边和分流叶片出口边，完成分流叶片设计。

所述步骤一中基本尺寸包括分流叶片宽b′4＝b4、分流叶片进口半径分流叶片出口半径r8＝r6，其中，b4为反导叶宽度，r5为反导叶进口直径，r6为反导叶出口直径。

所述步骤二中所述的分流叶片工作面进口和出口周向位置，由分流叶片工作面进口所在轴面与反导叶工作面r＝r7所在轴面的夹角θ7以及分流叶片工作面出口所在轴面与反导叶工作面出口所在轴面的夹角θ8共同确定，z为反导叶叶片数。

所述步骤三中，分流叶片工作面进口安放角β7＝β′，分流叶片工作面出口安放角β8，β′为反导叶工作面r＝r7处的安放角，β8取值范围[55°，80°]。

所述步骤四中，分流叶片工作面形线的绘制方法为：根据分流叶片工作面进口和出口的周向位置和安放角，确定分流叶片工作面进口p1、出口p2，以进口和出口为端点作一段圆弧，圆弧端点p1处切线与进口角β7方向一致，端点p2处切线与出口角β8方向一致。

所述步骤五中分流叶片工作面进口p1、中点p3、出口p2三点处厚度分别为δ7、δ8和δ9，分别过p1、p3、p2三点，以对应的δ7、δ8和δ9厚度为长作与分流叶片工作面垂直的垂线段，另一端点即为背面所对应的点，得到背面的进口p1’、中点p3’以及出口p2’三个点，过三点作圆弧，即为分流叶片背面，完成叶片形线的设计。

所述步骤五中采用圆弧连接所述点p1、点p1’构成分流叶片进口边，连接点p2、点p2’，构成分流叶片出口边；圆弧p1p1’在点p1处与分流叶片工作面相切，在点p1’处与分流叶片背面相切；圆弧p2p2’在点p2处与分流叶片工作面相切，在点p2’处与分流叶片背面相切。

以一种反导叶进口半径r5＝462mm，出口半径r6＝149mm，叶片宽度b4＝40mm，叶片数z＝7的径向导叶为基础，设计分流叶片的步骤如下：

步骤一：确定分流叶片的基本尺寸，b′4＝b4＝40mm，分流叶片进口半径分流叶片出口半径r8＝r6＝149mm。

步骤二：确定分流叶片工作面进口和出口周向位置，则θ7＝θ8＝25°。

步骤三：确定分流叶片工作面进口角和出口角，进口角β7＝75°，出口角β8＝80°。

步骤四：绘制分流叶片工作面，如图3所，完成分流叶片工作面设计。

步骤五：确定分流叶片厚度，δ7＝3mm、δ8＝2.5mm和δ9＝2mm，确定分流叶片背面进口p1’、中点p3’以及出口p2’，如图4所示，用完成分流叶片背面形线。

步骤六：使用圆弧连接p1p1’以及p2p2’，如图4所示，完成分流叶片设计。

完成分流叶片的设计后，对其进行三维建模，并使用ansyscfx18.0对单级叶轮和导叶进行了数值模拟，得到以下性能曲线如图5所示。结果表明，在添加分流叶片后，多级泵的单级扬程增加，且在大流量下扬程提高较多，效率在小流量下变化不大，但是在大流量下得到明显的提升，而添加分流叶片前后功率没有太大的变化。结合附图6和7，分析大流量下反导叶中截面的流线可以发现，添加分流叶片之前，叶片背面区域出现大面积的漩涡，其面积占流道的一半以上，严重堵塞了流道，添加分流叶片后，漩涡面积减小，主要出现在分流叶片工作面和反导叶背面之间，在分流叶片背面与反导叶工作面之间没有漩涡存在，流道堵塞减轻，从而提高了泵的效率。