一种全流量高效高速离心泵

1.本发明涉及一种离心泵，属于流体机械领域，特指一种全流量高效高速离心泵。


背景技术：

2.离心泵作为在生产生活中的一种通用机械，在国民经济的各个领域中都扮演着重要的角色，越来越多的领域需要更加专业的泵设备，其高效、安全稳定的运行是离心泵设计追求的最终目标。
3.目前离心泵设计过程中重点考虑泵的效率，以达到节约能耗的目的，通过对叶轮、蜗壳几何结构参数的设计使离心泵能达到最高的工作效率。一般在工业系统中，都采用多级离心泵进行介质加压，完成工艺前处理，但多级离心泵体积大、主轴长、形状复杂、易损件多、检修困难、轴向力平衡困难；一般应用于工况条件好，对设备场地不限制的场合。在舰船用海水淡化设备和航天飞机供给油专用系统上需使用体积小、性能好、可靠性高的增压设备，高速离心泵通过提高离心转子转速，加大叶轮圆周尺寸，达到高扬程和高压的目的，可达到在同样性能下的多级泵的效能，具有结构紧凑、维护方便、成本低的特点，目前在石油化工、污水处理以及海水淡化、航空航天等领域得到大量应用。
4.在新一代航空技术发展的迫切需求下，航空推进技术的要求向着高安全、高可靠性、高性能、低污染和经济可承受性发展，其中，高速、高压离心泵的设计及性能分析更是扮演着重要的角色。在航空发动机附件中，高速离心泵可输送航空燃油，为航空燃油进行增压，是燃油航空发动机心脏，因此对高速离心泵的分析有着实际应用价值。
5.高速离心泵通过提高泵轴转速提升单级扬程达到同样的多级扬程设计并进一步缩小叶轮尺寸，因此在同样的流量与扬程下缩小了离心泵的体积。设计过程中在离心泵高性能方面，目前的研究主要集中在优化叶轮的几何参数包括叶片数、叶片进出口安放角、包角、叶片型线等，但仅关注部分叶轮设计参数无法完全达到全流量高效的目的，尤其是极小流量工况，效率提高存在极大难度，不同参数间的匹配及其和蜗壳的联合设计才可以使高速离心泵具有全流量高效特性。


技术实现要素：

6.为了提高高速离心泵的效率，使其在极小流量工况下仍能保持高效率，本发明对叶轮和蜗壳进行原始研发，通过分析叶轮、蜗壳主要几何参数对泵性能的影响，从而得到一种全流量高效高速离心泵。该发明可以有效解决高速离心泵在超大流量跨度、超多工况点下保持高效率的问题，从而达到全流量高效的目的。
7.一种全流量高效高速离心泵，包括蜗壳和叶轮，其特征在于，蜗壳和叶轮同心安装，蜗壳进口边的直径d2大于叶轮出口边的直径d1，且两者的比值对离心泵性能影响显著，其取值范围为d2/d1＝1.15～1.25：1。合适的叶轮出口宽度b1和蜗壳进口宽度b2比值会减少离心泵能量损失，其取值范围为b2/b1＝3～5:1。在设计过程中，叶轮的叶片数是高转速离心泵性能提升的一个重要方面。叶轮采用多叶片、长中短叶片错列的形式，叶片数取值对扬程
和小流量工况效率影响较大，为达到高效目的，长、中叶片数取值均为4～6片，短叶片数的取值是长、中叶片数的1～2倍。叶片的布置有两种方式：一是按照长中短三级错列顺序依次布置，从叶片工作面开始计算，中叶片布置在长叶片流道的0.2s～0.4s处，短叶片布置在0.6s～0.8s处，s为长叶片的单流道叶轮出口边弧长；二是按照长短中短错列顺序布置，从叶片工作面开始计算，中叶片布置在0.4s～0.6s处，短叶片布置在0.1s～0.3s和0.7s～0.9s处，s为长叶片的单流道叶轮出口边弧长。中叶片的长度是长叶片的0.6l～0.8l，，短叶片长度为长叶片的0.2l～0.5l，l为长叶片工作面弧长。叶片包角φ的取值大小直接影响到叶片通道的扩散度，以及叶片的长度和表面积，从而决定流道扩散损失和叶片表面摩擦损失的大小，其取值范围为120
°
～160
°
。蜗壳喉部(图1中的第ix断面)面积扩大后，与叶轮匹配性有所改善，随着叶轮出口面积a1与蜗壳喉部面积a2比值的增大，泵的扬程和效率均有所提高，其取值范围为a1/a2＝5.0～10.0。
8.本发明的优点是：从保证高速离心泵全流量高效率出发，通过叶轮和蜗壳进行设计，并探究蜗壳和叶轮不同参数间的匹配关系，使流体从叶轮流向蜗壳时能量损失最小，达到高速离心泵全流量高效的目的，此种结构的高速离心泵为全流量高效高速离心泵。
附图说明
9.下面结合附图对本发明作进一步说明。
10.图1为本发明的具有全流量高效特性的高速离心泵平面投影图。
11.图2为本发明的具有全流量高效特性的高速离心泵效率对比图。
12.图中1为叶轮，2为蜗壳，3为蜗壳进口边，4为叶轮出口边，5为长叶片，6为中叶片，7为短叶片。
具体实施方式
13.图1给出了本发明具有全流量高效特性的高速离心泵平面投影图，由图1可知：蜗壳2和叶轮1同心安装，蜗壳进口边3的直径d2大于叶轮出口边4的直径d1，其取值范围为d2/d1＝1.22。蜗壳进口边3宽度b2和叶轮出口边4宽度b1比值b2/b1＝3.33。叶片包角φ的决定流道扩散损失和叶片表面摩擦损失的大小，其取值为140
°
。叶轮出口面积a1与蜗壳喉部(第ix断面)面积a2比值a1/a2＝8.0。长叶片5、中叶片6的数量均为5，短叶片7的数量为10。叶片错列形式采用第二种：长、短(0.25s，0.5l)、中(0.5s，0.7l)、短(0.75s，0.5l)叶片错列。本例中离心泵标准工况点为q＝50m3/h，转速n＝23000r/min，设计扬程为1425m，ns＝42.6。
14.本发明从叶轮和蜗壳的原始设计出发，通过改善叶轮-蜗壳的匹配特性，进而达到全流量高效的目的。通过数值计算(cfd)验证后发现：和常规设计的高速离心泵相比，采用此种方法设计的高速离心泵可以有效地提高全流量的效率，由图2可知，小流量工况效率提高13％，标准工况效率提高10％。因此本发明提出的此种结构的高速离心泵具有全流量高效特性。


技术特征：
1.一种全流量高效高速离心泵，包括蜗壳和叶轮，其特征在于，蜗壳和叶轮同心安装，蜗壳进口边的直径d2大于叶轮出口边的直径d1，且两者的比值对离心泵性能影响显著，其取值范围为d2/d1＝1.15～1.25：1；合适的叶轮出口宽度b1和蜗壳进口宽度b2比值会减少离心泵能量损失，其取值范围为b2/b1＝3～5:1；叶轮采用多叶片、长中短叶片错列的形式，叶片数取值对扬程和小流量工况效率影响较大，为达到高效目的，长、中叶片数取值均为4～6片，短叶片数的取值是长、中叶片数的1～2倍；叶片的布置有两种方式：一是按照长中短三级错列顺序依次布置，从叶片工作面开始计算，中叶片布置在长叶片流道的0.2s～0.4s处，短叶片布置在0.6s～0.8s处，s为长叶片的单流道叶轮出口边弧长；二是按照长短中短错列顺序布置，从叶片工作面开始计算，中叶片布置在0.4s～0.6s处，短叶片布置在0.1s～0.3s和0.7s～0.9s处，s为长叶片的单流道叶轮出口边弧长；中叶片的长度是长叶片的0.6l～0.8l，，短叶片长度为长叶片的0.2l～0.5l，l为长叶片工作面弧长；叶片包角φ的取值大小直接影响到叶片通道的扩散度，以及叶片的长度和表面积，从而决定流道扩散损失和叶片表面摩擦损失的大小，其取值范围为120
°
～160
°
；蜗壳喉部面积扩大后，与叶轮匹配性有所改善，随着叶轮出口面积a1与蜗壳喉部面积a2比值的增大，泵的扬程和效率均有所提高，其取值范围为a1/a2＝5.0～10.0。

技术总结
本发明涉及一种离心泵，属于流体机械领域，特指一种全流量高效高速离心泵。本发明从保证高速离心泵全流量高效率出发，通过叶轮和蜗壳进行设计，并探究蜗壳和叶轮不同参数间的匹配关系，使流体从叶轮流向蜗壳时能量损失最小，达到高速离心泵全流量高效的目的。达到高速离心泵全流量高效的目的。达到高速离心泵全流量高效的目的。


技术研发人员：张宁 郑凡坤 高波 倪丹
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2022.07.29
技术公布日：2022/9/20