一种提高多级泵次级叶轮性能的级间流道结构

1.本发明涉及多级泵水力设计优化技术领域，特别是涉及一种提高多级泵次级叶轮性能的级间流道结构。


背景技术：

2.由于工业的快速发展、能源的匮乏，多级泵作为以一种效率高、能耗低的流体机械，被广泛应用于石油运输、水利灌溉、森林消防等各个行业。因此进一步提高多级泵的性能一直是国内外许多学者的研究目标，为此许多学者对多级泵的设计进行了一系列的改进，但是对两级叶轮之间流动的研究不多。就目前而言，多级泵仅通过安装在两级叶轮之间的级间导叶，将液体从上一级叶轮的出口引入下一级叶轮进口，在这个过程中，级间导叶内液体的速度方向经历了两次径向到轴向的变化，两级叶轮之间的流动严重变形；又因为级间导叶轴向出水段较短，内部液体得不到充分发展，故次级叶轮进口处液体流动非常紊乱，存在严重的局部漩涡，造成次级叶轮效率减小且整泵扬程大幅下降。
3.因此，亟需设计一种多级泵级间导叶与次级叶轮之间的流道结构的水力设计。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种提高多级泵次级叶轮性能的级间流道结构，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现减少次级叶轮进口段的漩涡分布，提高了次级叶轮的水力效率，使整泵扬程有所回升。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种提高多级泵次级叶轮性能的级间流道结构，包括多级泵级间导叶和次级叶轮，其特征在于：所述多级泵级间导叶和次级叶轮之间安装有级间流道结构；所述级间流道结构包括轮毂，轮缘和叶片；所述轮毂和轮缘与所述多级泵级间导叶出口处的轮毂和轮缘尺寸对应相同；
6.若干个所述叶片固定安装在所述轮缘上，且所述叶片绕所述轮缘内壁均匀布置；所述叶片与所述轮毂存在间隙；
7.所述叶片包括骨线和分别在所述骨线两侧成型的进水边和出水边；所述进水边与所述多级泵级间导叶出水边对应设置，所述出水边与所述次级叶轮进水边对应设置。
8.所述叶片个数少于所述多级泵级间导叶上的级间导叶个数。
9.所述轮毂与轮缘的径向距离为x；
10.所述轮毂的直径为d，所述轮缘的直径为d；所述多级泵级间导叶出口处的轮毂直径和轮缘直径分别为d1和d1；
11.所述叶片的径向宽度为r＝0.2x～0.5x，所述叶片的轴向高度为h＝0.3d～0.4d。
12.所述叶片内径与所述轮毂的间隙距离为e＝0.5x～0.8x。
13.所述出水边与所述次级叶轮的垂直间距为a＝0.1d～0.15d。
14.所述多级泵级间导叶出口处形成有出口液流角β；所述进水边进水处形成有进口安放角α1；所述出水边出水处形成有出口安放角α2；所述出口液流角β与进口安放角α1角度
相等；所述出口安放角α2＝90
°
。
15.所述叶片的骨线弦长为
16.本发明公开了以下技术效果：本发明设计了一种级间流道结构，在液体进入次级叶轮之前，对液体进行预处理，改善了级间导叶出水段内部流态，使得级间导叶出口与次级叶轮进口之间的液体均匀分布，减少次级叶轮进口段的漩涡分布，提高了次级叶轮的水力效率，使整泵扬程所回升；有效消除次级叶轮进口环量，还能降低加工难度，节省制造成本。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为级间流道结构的整体示意图；
19.图2为多级泵轴面投影图；
20.图3为a处放大示意图；
21.图4为叶片翼型骨线示意图；
22.图5为叶片加厚结构的翼型结构示意图；
23.图6为a处放大示意图上划分的流线示意图；
24.其中，1，轮毂；2，轮缘；3，叶片；4，骨线；5，进水边；6，出水边。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.本发明提供一种提高多级泵次级叶轮性能的级间流道结构，包括多级泵级间导叶和次级叶轮，其特征在于：多级泵级间导叶和次级叶轮之间安装有级间流道结构；级间流道结构包括轮毂1，轮缘2和叶片3；轮毂1和轮缘2与多级泵级间导叶出口处的轮毂和轮缘尺寸对应相同；
28.若干个叶片3固定安装在轮缘2上，且叶片3绕轮缘2内壁均匀布置；叶片3与轮毂1存在间隙；
29.叶片3包括骨线4和分别在骨线4两侧成型的进水边5和出水边6；进水边5与多级泵级间导叶出水边对应设置，出水边6与次级叶轮进水边对应设置。
30.叶片3个数少于多级泵级间导叶上的级间导叶个数。
31.轮毂1与轮缘2的径向距离为x；
32.轮毂1的直径为d，轮缘2的直径为d；
33.叶片3的径向宽度为r＝0.2x～0.5x，叶片3的轴向高度为h＝0.3d～0.4d。
34.叶片3内径与轮毂1的间隙距离为e＝0.5x～0.8x。
35.出水边6与次级叶轮的垂直间距为a＝0.1d～0.15d。
36.多级泵级间导叶出口处形成有出口液流角β；进水边5进水处形成有进口安放角α1；出水边6出水处形成有出口安放角α2；出口液流角β与进口安放角α1角度相等；出口安放角α2＝90
°
。
37.叶片3的骨线弦长为
38.在本发明的一个实施例中，由于级间导叶出口段半径越大的地方，周向速度越大，从而在流体进入次级叶轮前引起更严重的预旋，本发明流道结构内部叶片的径向宽度是r＝0.2x～0.5x，且叶片3固定在轮缘2上，叶片3与轮毂1之间存在一段空隙，叶片型线设计参考轴流泵后置导叶型线的设计方法。这样的结构不但能有效消除次级叶轮进口环量，还能降低加工难度，节省制造成本。
39.在本发明的一个实施例中，流道结构的立体结构如图1所示，选取一多级式离心泵作为模型泵。为了对该流道结构的设计方案进行说明，模型泵内级间导叶(z＝7)为空间流道式，也可称为空间导叶，其轴面投影图如图2所示。具体的技术方案如下：
40.步骤一：确定级间流道结构的基本参数。级间流道结构内叶片3数略小于间级导叶叶片数，且两个结构轮毂、轮缘的半径大小相同，即z＝4，多级泵级间导叶轮毂的直径d1等于轮毂1的直径d,多级泵级间导叶轮缘的直径d1等于轮缘2的直径d,轮毂1和轮缘2的径向距离x＝(d
‑
d)/2＝(d1‑
d1)/2。
41.步骤二：确定叶片3的进、出口边位置。叶片3径向宽度r＝0.2x～0.5x，轴向高度h＝0.3d～0.4d,根据r、h以及步骤一参数，绘制出叶片进出口边的轴面投影图，如图2所示。
42.步骤三：确定级间流道结构内叶片3的进出口安放角。多级泵级间导叶出口流态紊乱，想要得到其实际的出口液流角β，需要用cfd软件对其进行数值模拟，得到其出口液流角β，随后，根据β确定级间流道结构的进口安放角α1。为了保证出口速度为轴向，叶片出口安放角α2＝90
°
。
43.步骤四：确定叶片弦长。根据弦长公式将步骤二计算出来的叶片轴向高度h代入该公式中，得到叶片弦长l。
44.步骤五：绘制叶片骨线。在保证进出口角的条件下绘出叶片骨线，如图4所示。
45.步骤六：对叶片进行加厚并修圆。以叶片骨线作为工作面，采用791翼型对叶片进行加厚，绘制出叶片3背面型线。叶片修圆遵循进口边流线型，出口边尖形的原则。加厚修圆后的翼型如图5所示。
46.步骤七：做出级间流道结构的三维造型并验证其性能。使用creo软件根据上述步骤所得设计参数，做出该结构的三维造型，并将其与模型泵进行装配，得到改进后模型泵的三维造型，再利用cfd仿真软件进行验证。
47.进一步的，在该实施例中上述步骤六中，对叶片进行加厚并修圆，具体步骤如下所述：
48.在叶片3的轴面投影图上分流线。将进、出口边沿径向等分，连接相应的等分点得
到对应的流面，如图6中的a
‑
a’、b
‑
b’、c
‑
c’、d
‑
d’所示。
49.确定各个流面的最大厚度。a
‑
a’流面的最大厚度δ1＝(2％～5％)l,b
‑
b’流面的最大厚度δ2＝(4％～8％)l，c
‑
c’流面的最大厚度δ3＝(7％～12％)l，d
‑
d’流面的最大厚度δ4＝(10％～15％)l,从a
‑
a’流面到d
‑
d’流面，沿着轮毂到轮缘的径向方向，叶片3厚度符合线性变化规律。
50.沿着叶片3进水边5到出水边6的方向，采用791翼型对叶片各流面加厚。按照791翼型厚度的变化规律，对各叶片3流面加厚。图5为a
‑
a’流面加厚后的叶片示意图。
51.其次，叶片3修圆遵循进口边流线型，出口边尖形的原则。
52.通过上述步骤，确定该级间流道结构的叶片3数、轮毂1和轮缘2半径、叶片的径向高度和轴向高度、叶片的进出口安放角、叶片弦长等。不同于传统的叶片造型，该设计方法所设计的叶片更有利于加工，降低制造成本，且减少了次级叶轮进口预旋，提高了整泵的效率。
53.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
54.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。