国外一种离心泵双蜗壳设计方法的介绍和分析_图文

1、 第26卷第6期2008年11月排灌机械D rainage and Irrigati on MachineryVol . 26No . 6Nov . 2008国外一种离心泵双蜗壳设计方法的介绍和分析严敬, 谢功耋, 张江源, 阚能琪(西华大学能源与环境学院, 四川成都610039摘要:, 阐述了其重要性; . , 给出了叶轮所受径向力的精确而详尽的计算统计公式; 两种设计绘形方法, . 关键词:离心泵; ; 中图分类号:A 文章编号:1005-6254(2008 06-0046-04and br i ef i n troducti on for a forei gn 2desi gnedcen

2、tri fugal pu mp of double 2voluteYAN J ing, X I E Gong 2d ie, ZHAN G J iang 2yuan, K AN N eng 2qi(School of Energy and Envi ornmental, Xihua University, Chengdu, Sichuan 610039, China Abstract:Double 2volute is an i m portant case f or m e mp l oyed t o balance radial thrust caused by centrifu 2gal

3、i m pellers under off 2design operating conditi ons . However, very fe w reports are f ound t o de monstrate its hydraulic perf or mance and design p rinci p les . I n this paper we analyze and describe the latest f oreign data pertinent t o double 2volute . Based on extensive experi m ental results

4、, the data p resent a more accurate e mp irical f or mula t o evaluate radial thrust balancing effect bet w een single volute and double 2volute, and a mong different double 2volute structures . W e als o show t w o app r oaches t o deter m ine outer secti ons of double 2volute passage with the sa m

5、e fl ow rate:one is based on functi ons in foreign literatures; the other based on p rinci p le of conservati on la w of moment of momentu m.Key words:entrifugal pump; hydraulic perf or mance; radial thrust; double 2volute; design app r oach双蜗壳是一种用以平衡离心叶轮在非设计工况下运行时产生的径向力的压水室形式. 这种蜗壳形式在大流量泵中有重要作用. 国内

6、设计人员使用双蜗壳形式已有较长历史. 但长期以来, 由于受实验条件等因素限制, 国内还没有看到对双蜗壳水力特征、设计原则与方法的全面系统的报导, 也没有形成系统的可普遍接受的双蜗壳设计原理和方法.2001年笔者在美访问进修时期, 曾获得了美国学者Lobbanoff 在其近期专著中介绍的双蜗壳设计原则和设计规范及方法. 这些论述以大量的实验结果为基础, 比较详尽、系统地总结了双蜗壳设计各有关方面问题, 体现了较高的技术水平. 这些分析与介绍将深化国内技术人员对双蜗壳基础性特点的系统认识, 提高双蜗壳的水力设计水平.为了保证资料图表的准确性, 这里对原文中的英制单位未作换算. 为此, 应注意以下单

7、位关系:14. 1496n s (中 =1n s (美 , 这里n s (中 和n s (美 分别指中国和美国比转速; 1USgal =0. 003785m ,31收稿日期:2008-04-15基金项目:四川省重点学科项目(SZ D6412 作者简介:严敬(1947 , 男, 江苏苏州人, 教授(mailt owangtaos ohu . com , 主要从事泵类机械流场分析及设计新方法的研究.谢功耋(1979 , 男, 江西赣州人, 硕士研究生(540382050qq . com , 主要从事泵类机械流场分析及设计新方法的研究. 第6期严敬等:国外一种离心泵双蜗壳设计方法的介绍和分析471b

8、f =4. 4482N, 1ft =12in =0. 3048m.1双蜗壳的水力特性双蜗壳在实现单蜗壳基本功能的同时, 其主要作用是能平衡叶轮在非设计工况点运行时产生的径向力. 双蜗壳实际是由两个单蜗壳错开180排列而成, 因而在非设计工况点, 在叶轮周围两个半圆上产生相同压力分布, 叶轮径向力由此互相抵消. 有必要对作用于单蜗壳中叶轮所受径向力大小有一估计. 长期以来国内技术人员以下式计算径向力:3(F =9. 81K r HD 2B 210 式中K r 为系数, K r =0. -d d ; , m ; D 2为叶轮直径, m ; 2出口宽度, m .式(1 实际是国外50年代提出的一个经

9、验公2, 3式, 显然没有包括其后丰富的实验研究结果. 文献1给出的最新径向力统计结果为F =KH D 2B 2sp g r/2. 13(bf (2 式中H, D 2, B 2意义同式(1 中的对应项, 单位分别为ft, in, in ; sp g r 指介质比重, 即介质密度与水密度之比.文献1的重要成果在于对式(2 中系数K 进行了深入分析. 在大量实验的基础上, 文献1分别统计了不同比转速的单蜗壳和双蜗壳的系数K 的回归值(图1 , 从而有效提高了径向力的估计精度 .实验结果表明, 双蜗壳对叶轮径向力的消除效1果是显著的, 见图2. 从图2可以看到以下重要事实:1 与单蜗壳相比, 双蜗壳

10、在大、小流量区域内都能把叶轮径向力降低到很低水平 .图2分隔板长度对径向力的影响Fig . 2Influence of volute rib length on radial thrust2 双蜗壳中的分隔板长度对平衡效果无决定性影响. 事实上, 对径向力有最好消除效果的并不是实验1中(见图2 最长的分隔板, 相反, 实验4中的分隔板仅有1/4圆周的长度, 但仍有良好的平衡效果.与单蜗壳一样, 双蜗壳也有较高的水力性能指1标. 实验表明, 在设计点, 双蜗壳泵的效率比单蜗壳泵要低1%1. 5%, 显然这是由于双蜗壳隔板增加了水力摩擦面积造成的; 但是在最高效率点两侧的较大的流量范围内, 泵的效

11、率可以提高2%, 泵的高效区明显扩大. 在非设计点, 进入蜗壳的水流速度其大小与方向与蜗壳内流动不再匹配, 蜗壳中湍流度增加, 水力损失增大, 双蜗壳每个蜗壳中流量仅有单蜗壳的一半, 同时流道湿周较大, 水流的湍流度、4, 5雷诺应力都将减小, 水力损失下降.根据文献1建议, 当泵的设计流量小于3400USgal/min (约90m /h 时, 为避免分隔板外侧铸造工艺清砂困难, 应使用一般单蜗壳, 在相反情况下则应首选双蜗壳结构.图1径向力系数K Fig . 1Radial thrust factor K 48排灌机械第26卷2双蜗壳的设计程序虽然通过双蜗壳的分隔板外侧各断面的设计流量是一常

12、数, 即泵的设计流量的一半, 但文献1提出, 这些断面不应当是等面积的, 相反, 断面尺寸应沿程扩大. 这种结构有利于铸造工序中的清砂, 同时水流在流动中动能不断转化为压能, 使得由速度决定的水力损失减小. 分隔板内侧各个断面设计计算按一般方法进行, 这里主要介绍外侧扩散流道各断面形状的设计计算方法. 2. 1按最新速度系数资料的求解文献1断面标准化, , 文献1. 首先计算蜗壳第八断面面积:A 8=0. 04GP M (K 3d (in (326-9式中GP M 和H d 分别指泵的设计流量(U Sgal/min 和设计扬程(ft ; K 3根据n s (美 从图3中查取. 求出比例因子:F

13、 =8 /10.图4双蜗壳断面几何尺寸Fig . 4Secti on di m ensi m of double 2volute2. 2按速度矩守恒原则的求解图3蜗壳系数K 3Fig . 3Coeffcient K 3of volute然后将图4中所有线形尺寸(in 乘上F 就得到蜗壳分隔板外侧4个断面5, 6, 7, 8和内侧4个断面及分隔前面4个断面1, 2, 3, 4的全部几何尺寸(in .计算表明, 蜗壳14这4个断面的面积基本按线性增长, 与通过它们的设计流量增长成比例. 58这4个断面面积也沿程增长, 表明蜗壳是扩散的, 但面积增长速度较慢, 因为通过它们的设计流量毕竟是一常数.

14、标准蜗壳两侧壁夹角为一不变量30, 这一结构有利于在不影响蜗壳水力性能条件下提高蜗壳工艺性能. 同一文献给出的标准化单蜗壳也有这一特点, 见文献 10.蜗壳内在设计点的流动, 可以近似认为满足速度矩守恒原则:v u r =. 这里为一个由叶轮出口流动条件确定的常数. 首先以某种方法确定分隔板内侧14这4个断面几何形状, 然后计算分隔板外侧58这4个断面的R 4和b 4, 见图5. 显然各个断面上这两个参数不相等. 在分隔板外侧取一高为d r 的微面积, 于是可以得到h(4 d r =r 2R 4由于断面形状不规律, 不可能找到方程(4 的解析解. 为此可用数字积分方法编程确定分隔板外侧4个断面

15、的R 和h 值, 完成这些断面的几何尺寸计算. 比较详尽的方法介绍可见文献11,这里不赘述.尽管积分方程(4 右端的Q /2对58断面是常数, 但R 4沿程增加, 因而由流动速度矩守恒原则 第6期严敬等:国外一种离心泵双蜗壳设计方法的介绍和分析49决定的各断面平均速度值减小, 积分所得各断面面积沿程增加, 蜗壳是扩散的 .5王晓燕, 刘宜, 陈玉芳. HD 型石油化工流程泵双蜗壳内部流场数值计算J .排灌机械, 2007, 25(1 :21-24.WANG Xiao 2yan, L I U Yi, CHE N Yu 2fang . Nu merical si m ulati on of fl

16、ow field in the double 2volute Of HD type petr ol 2che m ical p r ocess pu mp J .D rainage and Irriga 2tion M achinery , 2007, 25(1 :21-24. (in Chinese 6侯永胜, 兰才有, 仪修堂, 等. 离心泵涡室断面设计研究J .节水灌溉, 2007(7 :-29.HOU Yong 2sheng, YI Xiu 2tang, et al . of pu mp J .W ater (7 28-29. (in Chinese 图5双蜗壳58断面的数字求解Fig

17、 . 5D igital res oluti on t o secti ons 58of double 2volute, 朱勇. Aut oCAD 和Execl 在离心J .水泵技术, 2006(1 :28-3结论. 、水力特性和设计程序等问题的最新研究成果. 这些成果由大量试验结果所支持, 可以为国内设计人员的设计实践提供重要的借鉴.参考文献(References1Lobanoff V S, Ross R R. Centrifugal pum ps:design andapplication M.29.YI Xiu 2tang, LAN Cai 2you, ZHU yong . App li

18、cati on of Aut oC AD and Execl in hydraulic design of centrifugal pu mp J .Pum p Technology , 2006(1 :28-29. (in Chinese 8L I Jun, FE NG Zhen 2p ing, TS UK AMOT O H ir oshi . Hy 2dr odynam ic op ti m izati on design of l ow s olidity vaned dif 2fuser for a centrifugal pu mp using genetic algorith m

19、s J .Journal of Hydrodynam ics:Ser . B , 2004, 16(2 :186-193.9Shahra m D, Ah mad N. Theoretical, nu merical and ex 2peri m ental investigati on of centrifugal pu mp s inreverse operati onJ .Experi m ental Ther m al and Fluid Science , 2008, 32(8 :1620-1627.10严敬, 陈丹, 赵琴, 等. 对国外一种最新离心泵2nd ed . Houst on:Gulf PublicatingCompany, 1996.2丁成伟. 离心泵与轴流泵M.北京:机械工业出版社, 1984.3Kelder, D ijikers, Esch . Experi m ental