变螺距诱导轮的设计方法及与离心泵主叶轮的匹配关系

变螺距诱导轮的设计方法及与离心泵主叶轮的匹配关系

1变螺距诱导轮的设计通过理论分析和实践，提高叶片进出口液体压力可以眼点改善泵机的耐腐蚀性。此外，在叶片底部形成引导结构之前，应设计一个较小的滑动框架结构，并逐渐改善大的叶片出口角度。但目前变螺距诱导轮的设计方法尚不成熟,也没有形成系统完善的设计思路和切实可行的设计步骤。以诱导轮本身无汽蚀、出口扬程满足离心泵主叶轮进口能量要求为设计准则,以诱导轮螺距变化规律为切入点,按照实际设计步骤的形式,展开变螺距诱导轮的结构设计及参数选择,并在此基础上进一步阐述了诱导轮与离心泵主叶轮的结构匹配关系。2设计流量q当设计一台带诱导轮离心泵机组时,通常给定的主要参数是泵的设计流量Q,进出口压力P0(或吸程)和P2(或扬程),流体密度ρ等。设计时既要保证诱导轮不发生汽蚀,又要保证诱导轮产生足够的扬程,使得离心轮能正常运转。2.1产螺钉连接s1的计算(1)泵房的残余污染为npsh式中C0——诱导轮进口处吸入管内平均流速,m/sPv——流体的饱和蒸汽压,Pa(2)轴透过诱导轮的计算根据经验,对于轴向进口和无轴穿过的诱导轮,C值约为2500～4500;对于径向进口并有轴穿过的诱导轮,C值约为1500～3000。考虑一定的安全裕度,将NPSH值乘以0.75系数后代入式(1)计算n。考虑所采用的原动机和传动方式,确定n,然后反算C值。(3)诱导轮是否无轴透过诱导轮入口轮毂比ξ1可根据经验选取,其值大小与入口结构有关,并要考虑强度满足要求,通常当诱导轮入口处无轴穿过时,ξ1=0.2～0.3;有轴穿过时,ξ1=0.3～0.4。根据Brumfield准则,诱导轮最大汽蚀比转速C可计算如下:选取了合适的轮毂比ξ1,再把由式(1)反算得的C值代入式(2),便可以算出ue07et1值。(4)最佳车轮边缘直径d1诱导轮最佳轮缘直径:为便于加工,将计算得到的Dt1值圆整,再代入式(4),反算出《t1值。(5)诱导轮汽蚀数的计算诱导轮汽蚀数:而诱导轮的结构以及相关参数一旦确定后,其汽蚀数也就随之确定了,故需验算诱导轮的汽蚀数λ值,看其是否与由式(5)算得的值符合。(6)角t1值的选取由诱导轮进口速度三角形(图1)可知:进口冲角αt1值在2～5°范围内选取。诱导轮进口叶片安装角βt1为进口液流角βi1和进口冲角αt1之和,即:βt1=βil+αt1(7)(7)引导轮入口螺钉间距s1根据螺旋线定义,诱导轮入口螺距S1值计算公式如下:S1=πDt1tgβt1(8)2.2通过计算出口螺距s3的计算(1)诱导车轮最小侵蚀剩余为npsi(2)主缸叶片所需的蒸汽消耗为npshr式中Cm0——离心轮进口前液流的轴向速度,m/sU0——离心轮进口前液流圆周速度,m/sλk——离心轮汽蚀系数,λk=0.1～0.2(3)诱导轮出口直径dp诱导轮产生的扬程应满足泵主叶轮进口能量要求,即应满足如下经验公式:式中U2p——诱导轮出口计算直径Dp处的圆周速度,m/s诱导轮出口计算直径Dp:通常取Dt1=Dt2=Dt,ξ2=0.3～0.4。(4)诱导轮出口螺距s1值的计算根据诱导轮出口计算直径处速度三角形(图2),变螺距诱导轮的理论扬程:式中Cm2p——诱导轮出口计算直径处液流轴向速度,m/sβ2p——诱导轮出口计算直径处叶片安装角,°Hy=ηhHt(16)式中ηh——诱导轮水力效率,对于匹配低比转速高速离心泵机组,ηh≈0.3将由式(11)算得的诱导轮所需扬程Hy代入式(16),联立式(14)～(16),可得诱导轮出口螺距S2值。由S2=πDttgβt2,可以算得诱导轮出口叶片安装角βt2。2.3轴距变化规律的选择2.3.1导轮螺距随叶片生长和安装角的变化对变螺距诱导轮,其轴向截面各半径处的导程是相等的,即:S=πDtgβ(17)诱导轮螺距由进口处较小值S1渐增至出口处较大值S2,其值大小与叶片弧长x(x=θπD/360)满足以下表达式:式中β1——任意直径D处叶片进口安装角,°β2——任意直径D处叶片出口安装角,°θ——旋转叶片圆周角,°m——常数,一般取m=1～32.3.2叶片d值的判别诱导轮任意直径D处叶片展开图满足如下表达式:式中h—任意直径D处叶片的轴向位置,m特别地,当D值分别取为轮缘直径和轮毂直径时,可以得到相应的轮缘处和轮毂处的叶片展开图。当θ=Ψ时,对应的h值即为诱导轮轴向长度值L:诱导轮叶片展开长度l的计算即为曲线h(x)在[0,x2]间的弧长,即由于h(x)表达式中含有很多参数,应在设计时将实值代入以方便计算。2.4主框架的结构和参数选择2.4.1诱导轮的汽蚀性能较大的前缘包角θ1有利于提高诱导轮的汽蚀性能,但会因此造成诱导轮的轴向长度较长,通常取θ1=90～150°。由图可知,Ψ=θ1+θ2。诱导轮最先发生汽蚀的部位是其进口的外径处,因此诱导轮进口形状对诱导轮的汽蚀性能很有影响。相比阿基米德螺线形进口边,圆弧形进口边既能取得良好的汽蚀性能,又不会造成诱导轮轴向长度过长。通常取R=0.25(1+ξ1)Dt。另外,应仔细打磨诱导轮进口边,使其具有尖锐、光滑的前沿。2.4.2叶片数的影响诱导轮为单叶片时,虽然对液流排挤作用最小,但无法满足动平衡,而叶片数过多会导致液流过流截面轮廓尺寸的增大,因此绝大多数时取Z=2～3。2.4.3影响诱导轮汽蚀性能的荷和偏角t=πDt/Z(22)诱导轮叶栅稠度τ定义为叶片展开长度l与节距t的比值,即:τ=l/t(23)叶栅稠度τ影响叶片的负荷和偏离角,从而在一定程度上影响诱导轮的汽蚀性能。稠度过小则不能保证液流在叶栅中转折以获得能量,而稠度过大会增加流道沿程摩擦损失导致效率降低,故需兼顾各方面的要求,一般在轴向长度允许的条件下,适当地把τ值取得大些,以获得较好的汽蚀性能。通常τ在2～2.5之间选取。在实际设计过程中,通常预选Ψ值,选取合适的叶片数,计算l,t的值,再检验τ值是否符合要求。2.4.4叶尖间隙的影响诱导轮的外径和导流套(或壳体)之间的间隙称为叶尖间隙,它对诱导轮扬程和汽蚀性能都有一定的影响。叶尖间隙过大会导致流过间隙的泄露增加,从而产生回流且增加能量损失。但是,间隙太小又会导致诱导轮在旋转过程中与壳体发生有害的摩擦,引起诱导轮或壳体的损坏。一般推荐Δt/Dt=(0.8～1)%,如在加工时诱导轮与导流套能保持很好的同心度,Δt还可适当取小一些。2.4.5结构强度原则从汽蚀性能角度考虑,叶片应设计在汽穴和汽蚀流动的尾迹里面,因此越薄越好;从结构强度角度考虑,叶片应设计成能承受各种负荷而不破坏和变形,因此要求厚一些。据此,设计时把叶片的叶尖设计得薄一些,叶根设计得厚一些,形成2～3°的斜度,并在叶根处以圆弧转接,必要时还可做成双圆弧转接。3引导轮和离心轮结构的匹配3.1离心轮进口直径的设计一般来说,最佳诱导轮出口直径要比离心轮进口直径大。如果减小诱导轮出口直径会降低其扬程从而导致诱导轮无法满足离心叶轮进口能量要求,而过度增加离心轮进口直径又会降低泵的效率。在设计过程中,选取结构参数时应尽量使诱导轮出口轮毂直径、轮缘直径与离心轮进口轮毂直径、轮缘直径相近,以便于两者结构的配合。诱导轮与离心轮之间在轴向长度上应有一段像叶片间隔一样的最小间隙δl,且这段间隙内的轴面流道应保持光滑平缓,其间隙大小:3.2离心轮的扬程设计由于诱导轮叶片在液流中会产生尾迹,且当该尾迹落在离心轮进口叶片上时,会影响离心轮的扬程和效率,设计时应注意诱导轮与离心轮的周向配合,使得尾迹落在离心轮两叶片之间,将影响降到最小。由于诱导轮与离心轮同轴旋转,故只需考虑诱导轮出口液流由于惯性作用产生的周向偏离,从而确定诱导轮出口与离心轮进口旋转角度δΨ:4项目实例下面介绍一台低汽蚀余量泵的诱导轮设计。4.1设计参数已知诱导轮设计参数如表1。4.2主要参数诱导轮变化规律表达式中选取m=1,即:S=(S2-S1)x/x2+S1其它结构参数如表2所示。4.3设计流量点流量经试验,该诱导轮离心泵汽蚀性能曲线如图5所示。由图5可知,在设计流量点处,NPSHr=2.27m。可见,该诱导轮的设计满足了