專利名稱：一種低比轉數離心泵葉輪設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非變容式泵主要零件的設計方法，尤其是主要在低比轉數工況即高揚程小流量工況下使用，也要在高比轉數工況即低揚程大流量工況下使用的低比轉數離心泵的葉輪設計方法。
背景技術：
目前，公知的低比轉數離心泵的葉輪設計方法，都在滿足水泵設計工況揚程要求下盡可能減小葉輪直徑來提高水泵效率，因而有較大的葉輪出口寬度和葉片出口角，只能保證離心泵在低比轉數工況即高揚程小流量工況下高效可靠的使用，如果在高比轉數工況即低揚程大流量工況下使用，就會功率超載而燒壞電動機。但是，很多低比轉數離心泵，尤其是小型潛水泵和家用離心泵一般都會移動使用地點，今天在低比轉數工況下使用，明天可能在高比轉數工況下使用。這就要求我們設計的低比轉數離心泵，既能在高揚程小流量工況下高效可靠的使用又能在低揚程大流量工況下安全無過載的使用。
為此，先有的專利技術89212885.2號專利“用于旋轉式流體機械的漸開線葉輪”和90214606.8號專利“一種無過載低比速離心泵葉輪”，提出了一些新的設計方法，主要是減小葉輪出口角和出口面積的方法，但這兩個專利技術仍然存在以下三個問題1.最大功率工況點的位置與設計工況點位置有較大的距離，還有可能在使用工況發(fā)生超載；2.葉片包角太大或者流道間隙太小，給鑄造工藝增加了難度；3.沒有改變葉片進口的設計方法，往往要加進口沖角，使水泵的最高效率工況偏向大流量而設計工況效率偏低。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有的低比轉數離心泵葉輪設計方法的不足，本發(fā)明提供一種新的低比轉數離心泵葉輪設計方法，用本發(fā)明設計的葉輪幾何參數不僅滿足水泵設計工況的揚程要求和提高效率與適宜鑄造的要求，還滿足設計工況點也是最大功率工況點的要求。因而，用本發(fā)明設計的低比轉數離心泵不僅能夠在高揚程小流量工況下高效可靠的使用，還能保證該泵在低揚程大流量工況下安全無過載的使用。
本發(fā)明的技術方案是1.在設計低比轉數離心泵葉輪時，把泵的設計工況即流量揚程的使用工況和最高效率點工況設計成與功率最大點工況重合。
其方法是葉片出口的幾何參數與泵的設計工況點性能參數之間適合以下幾個等式的關系Qp＝0.086 n b2D22tgβ2(1-3.1416sin β2/Z)[1-S2Z/(3.1416D2sinβ2)]Hp＝0.0037n D2{0.0524nD2-Qp/(2.83D2b2tgβ2)/[1-S2Z/(3.1416D2sinβ2)]}
Pmax＝9806 QpHp/ηp式中Qp—設計工況的流量，米3/秒；Hp—設計工況的揚程，米；Pmax—設計工況的水泵功率，也是所有工況中最大的功率，瓦；ηp—設計工況的水泵效率，也是所有工況中的最高效率，％；n—葉輪轉速，轉/分；b2—葉輪葉片出口寬度，米；D2—葉輪葉片的外圓直徑，米；β2—葉輪葉片的出口安放角，度；Z—葉輪的葉片數，個；S2—葉輪葉片出口處的葉片厚度，米。
在以上關系式中沒有對葉片包角提出要求，因此設計時可以隨意控制包角不要影響鑄造。水泵效率的準確計算目前還辦不到，但把設計工況的水泵效率ηp設計成所有工況中的最高效率是容易辦到的，尤其是下面第3條中對葉片進口安放角提出的措施是十分有效的。
2.從上述設計方法中可以看到葉輪葉片的出口安放角β2的重要作用，但β2受葉片工作面的出口安放角β2′和葉片背面的出口安放角β2″的制約。在設計低比轉數離心泵葉輪時，把葉片工作面的出口安放角β2′設計成0度，把葉片背面的出口安放角β2″設計成2β2度，葉輪葉片的出口安放角β2＝(β2′+β2″)/2，可以得到很好的設計效果。
3.在設計低比轉數離心泵葉輪時，把泵的設計工況即流量揚程的使用工況設計成葉片進口損失最小的工況，其方法是葉輪葉片工作面的進口安放角和葉片背面的進口安放角相等，都等于β1且適合下面等式的關系β1＝arctg{Qp/(0.164 D12n b1)/[1-(S1Z)/(3.1416 D1sinβ1)]}式中Qp—設計工況的流量，米3/秒；n—葉輪轉速，轉/分；b1—葉輪葉片進口寬度，米；D1—葉輪葉片的內圓直徑，米；β1—葉輪葉片的進口安放角，度；Z—葉輪的葉片數，個；S1—葉輪葉片進口處的葉片厚度，米。
這樣設計的實質就是把葉輪葉片的進口安放角設計成與水泵設計工況的進口液流角相等(不按常規(guī)加沖角)，達到水泵在設計工況水泵效率最高的目的。
本發(fā)明的有益效果是，用本發(fā)明設計的葉輪幾何參數不僅滿足水泵設計工況的揚程要求和提高效率與適宜鑄造的要求，還滿足設計工況點也是最大功率工況點的要求。因而，用本發(fā)明設計的低比轉數離心泵不僅能夠在高揚程小流量工況下高效可靠的使用，還能保證該泵在低揚程大流量工況下安全無過載的使用。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明一個實施例的葉輪軸面剖視圖。
圖2是同一個實施例的葉輪葉片圖(揭去葉輪前蓋板后從葉輪前蓋板朝葉輪后蓋板看的葉輪平面剖視圖)。
圖中1.葉輪前蓋板，2.葉輪后蓋板，3.葉輪葉片進口寬度b1，4.葉輪葉片出口寬度b2，5.葉輪葉片的內圓直徑D1，6.葉輪葉片的外圓直徑D2，7.葉片，8.葉片工作面，9.葉片背面，10.葉片工作面的進口安放角，11.葉片背面的進口安放角，12.葉輪葉片進口處的葉片厚度S1，13.葉片工作面的出口安放角β2′，14.葉片背面的出口安放角β2″，15.葉輪葉片的出口安放角β2，16.葉輪葉片出口處的葉片厚度S2，17.葉片包角。
具體實施例方式
圖1和圖2共同確定了這個實施例的葉輪形狀。它與大多數離心泵葉輪一樣，具有葉輪前蓋板(1)和葉輪后蓋板(2)，是一種閉式葉輪。如果沒有葉輪前蓋板及葉輪后蓋板很小，即做成半開式或開式葉輪，也不影響本發(fā)明的實施，因為本發(fā)明控制的是葉片(7)的參數。在圖中，葉片的凸面又叫葉片工作面(8)，葉片的凹面又叫葉片背面(9)，本實施例把葉片工作面出口安放角β2′(13)設計為0度，這可以從β2′的兩個角邊與第三條邊的夾角都是90度可以看出來，葉片背面的出口安放角β2″(14)設計為2β2度，因此葉輪葉片的出口安放角β2＝(β2′+β2″)/2。本發(fā)明通過以下幾個關系式來調整葉輪葉片出口寬度b2(4)、葉輪葉片的外圓直徑D2(6)、葉輪葉片的出口安放角β2(15)、葉輪葉片出口處的葉片厚度S2(16)和葉輪的葉片數Z，使這個實施例的水泵性能滿足我們對設計工況的流量Qp、設計工況的揚程Hp和設計工況的水泵功率Pmax在葉輪轉速為n時的設計要求。
Qp＝0.086 n b2D22tgβ2(1-3.1416sinβ2/Z)[1-S2Z/(3.1416D2sinβ2)]Hp＝0.0037n D2{0.0524nD2-Qp/(2.83D2b2tgβ2)/[1-S2Z/(3.1416D2sinβ2)]}Pmax＝9806 QpHp/ηp這個實施例的水泵在其他使用工況的功率將小于設計工況的功率Pmax。
在圖中，葉片工作面的進口安放角(10)和葉片背面的進口安放角(11)是相等的，都等于β1且與葉輪葉片進口寬度b1(3)、葉輪葉片的內圓直徑D1(5)和葉輪葉片進口處的葉片厚度S1(12)共同適合下面等式的關系β1＝arctg{Qp/(0.164 D12n b1)/[1-(S1Z)/(3.1416 D1sinβ1)]}這樣設計就可以保證這個實施例的水泵在設計工況的進口液流與進口邊的沖擊損失最小，從而達到把泵的設計工況即流量揚程的使用工況和最高效率點工況重合的目的。
在這個實施例中，葉片包角(17)設計為90度左右，鑄造和清砂都比較容易。
權利要求
1.一種低比轉數離心泵葉輪設計方法，它根據泵對設計工況的流量Qp、設計工況的揚程Hp和設計工況的水泵功率Pmax在葉輪轉速為n時的設計要求，來設計計算葉輪葉片的幾何參數，其特征是把設計工況即流量揚程的使用工況和最高效率點工況設計成與功率最大點工況重合，即葉輪出口的幾何參數與泵的設計工況點性能參數之間適合以下幾個等式的關系Qp＝0.086nb2D22tgβ2(1-3.1416sinβ2/Z)[1-S2Z/(3.1416D2sinβ2)]Hp＝0.0037nD2{0.0524nD2-Qp/(2.83D2b2tgβ2)/[1-S2Z/(3.1416D2sinβ2)]}Pmax＝9806QpHp/ηp式中Qp—設計工況的流量，米3/秒；Hp—設計工況的揚程，米；Pmax—設計工況的水泵功率，也是所有工況中最大的功率，瓦；ηp—設計工況的水泵效率，也是所有工況中的最高效率，％；n—葉輪轉速，轉/分；b2—葉輪葉片出口寬度，米；D2—葉輪葉片的外圓直徑，米；β2—葉輪葉片的出口安放角，度；Z—葉輪的葉片數，個；S2—葉輪葉片出口處的葉片厚度，米。
2.如權利要求1所述的一種低比轉數離心泵葉輪設計方法，其特征是設計的離心泵葉輪葉片工作面的出口安放角β2′是0度，葉片背面的出口安放角β2″是2β2度；
3.如權利要求1所述的一種低比轉數離心泵葉輪設計方法，其特征是設計的離心泵葉輪葉片工作面的進口安放角和葉片背面的進口安放角相等，都等于β1且適合下面等式的關系β1＝arctg{Qp/(0.164D12nb1)/[1-(S1Z)/(3.1416D1sinβ1)]}式中Qp—設計工況的流量，米3/秒；n—葉輪轉速，轉/分；b1—葉輪葉片進口寬度，米；D1—葉輪葉片的內圓直徑，米；β1—葉輪葉片的進口安放角，度；Z—葉輪的葉片數，個；S1—葉輪葉片進口處的葉片厚度，米。
全文摘要
本發(fā)明是一種主要在低比轉數工況即高揚程小流量工況使用，也可在高比轉數工況即低揚程大流量工況使用的低比轉數離心泵的葉輪設計方法。其特征是在設計離心泵葉輪時，把葉輪的幾何參數與泵的設計工況點性能參數之間用幾個新的關系式聯(lián)系到一起，達到泵的設計工況即流量揚程的使用工況和最高效率點工況與功率最大點工況重合的設計效果。用本發(fā)明設計的葉輪幾何參數不僅滿足水泵設計工況的揚程要求和提高效率與適宜鑄造的要求，還滿足設計工況點也是最大功率工況點的要求。因而，用本發(fā)明設計的低比轉數離心泵不僅能夠在高揚程小流量工況下高效可靠的使用，還能保證該泵在低揚程大流量工況下安全無過載的使用。
文檔編號F04D29/24GK1580577SQ20041001493
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權日2004年5月19日
發(fā)明者陸偉剛 申請人:江蘇大學