變螺距誘導(dǎo)輪的設(shè)計方法及與離心泵主葉輪的匹配關(guān)系

變螺距誘導(dǎo)輪的設(shè)計方法及與離心泵主葉輪的匹配關(guān)系

1變螺距誘導(dǎo)輪的設(shè)計通過理論分析和實踐，提高葉片進(jìn)出口液體壓力可以眼點改善泵機(jī)的耐腐蝕性。此外，在葉片底部形成引導(dǎo)結(jié)構(gòu)之前，應(yīng)設(shè)計一個較小的滑動框架結(jié)構(gòu)，并逐漸改善大的葉片出口角度。但目前變螺距誘導(dǎo)輪的設(shè)計方法尚不成熟,也沒有形成系統(tǒng)完善的設(shè)計思路和切實可行的設(shè)計步驟。以誘導(dǎo)輪本身無汽蝕、出口揚(yáng)程滿足離心泵主葉輪進(jìn)口能量要求為設(shè)計準(zhǔn)則,以誘導(dǎo)輪螺距變化規(guī)律為切入點,按照實際設(shè)計步驟的形式,展開變螺距誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步闡述了誘導(dǎo)輪與離心泵主葉輪的結(jié)構(gòu)匹配關(guān)系。2設(shè)計流量q當(dāng)設(shè)計一臺帶誘導(dǎo)輪離心泵機(jī)組時,通常給定的主要參數(shù)是泵的設(shè)計流量Q,進(jìn)出口壓力P0(或吸程)和P2(或揚(yáng)程),流體密度ρ等。設(shè)計時既要保證誘導(dǎo)輪不發(fā)生汽蝕,又要保證誘導(dǎo)輪產(chǎn)生足夠的揚(yáng)程,使得離心輪能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2.1產(chǎn)螺釘連接s1的計算(1)泵房的殘余污染為npsh式中C0——誘導(dǎo)輪進(jìn)口處吸入管內(nèi)平均流速,m/sPv——流體的飽和蒸汽壓,Pa(2)軸透過誘導(dǎo)輪的計算根據(jù)經(jīng)驗,對于軸向進(jìn)口和無軸穿過的誘導(dǎo)輪,C值約為2500～4500;對于徑向進(jìn)口并有軸穿過的誘導(dǎo)輪,C值約為1500～3000。考慮一定的安全裕度,將NPSH值乘以0.75系數(shù)后代入式(1)計算n?？紤]所采用的原動機(jī)和傳動方式,確定n,然后反算C值。(3)誘導(dǎo)輪是否無軸透過誘導(dǎo)輪入口輪轂比ξ1可根據(jù)經(jīng)驗選取,其值大小與入口結(jié)構(gòu)有關(guān),并要考慮強(qiáng)度滿足要求,通常當(dāng)誘導(dǎo)輪入口處無軸穿過時,ξ1=0.2～0.3;有軸穿過時,ξ1=0.3～0.4。根據(jù)Brumfield準(zhǔn)則,誘導(dǎo)輪最大汽蝕比轉(zhuǎn)速C可計算如下:選取了合適的輪轂比ξ1,再把由式(1)反算得的C值代入式(2),便可以算出ue07et1值。(4)最佳車輪邊緣直徑d1誘導(dǎo)輪最佳輪緣直徑:為便于加工,將計算得到的Dt1值圓整,再代入式(4),反算出《t1值。(5)誘導(dǎo)輪汽蝕數(shù)的計算誘導(dǎo)輪汽蝕數(shù):而誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)參數(shù)一旦確定后,其汽蝕數(shù)也就隨之確定了,故需驗算誘導(dǎo)輪的汽蝕數(shù)λ值,看其是否與由式(5)算得的值符合。(6)角t1值的選取由誘導(dǎo)輪進(jìn)口速度三角形(圖1)可知:進(jìn)口沖角αt1值在2～5°范圍內(nèi)選取。誘導(dǎo)輪進(jìn)口葉片安裝角βt1為進(jìn)口液流角βi1和進(jìn)口沖角αt1之和,即:βt1=βil+αt1(7)(7)引導(dǎo)輪入口螺釘間距s1根據(jù)螺旋線定義,誘導(dǎo)輪入口螺距S1值計算公式如下:S1=πDt1tgβt1(8)2.2通過計算出口螺距s3的計算(1)誘導(dǎo)車輪最小侵蝕剩余為npsi(2)主缸葉片所需的蒸汽消耗為npshr式中Cm0——離心輪進(jìn)口前液流的軸向速度,m/sU0——離心輪進(jìn)口前液流圓周速度,m/sλk——離心輪汽蝕系數(shù),λk=0.1～0.2(3)誘導(dǎo)輪出口直徑dp誘導(dǎo)輪產(chǎn)生的揚(yáng)程應(yīng)滿足泵主葉輪進(jìn)口能量要求,即應(yīng)滿足如下經(jīng)驗公式:式中U2p——誘導(dǎo)輪出口計算直徑Dp處的圓周速度,m/s誘導(dǎo)輪出口計算直徑Dp:通常取Dt1=Dt2=Dt,ξ2=0.3～0.4。(4)誘導(dǎo)輪出口螺距s1值的計算根據(jù)誘導(dǎo)輪出口計算直徑處速度三角形(圖2),變螺距誘導(dǎo)輪的理論揚(yáng)程:式中Cm2p——誘導(dǎo)輪出口計算直徑處液流軸向速度,m/sβ2p——誘導(dǎo)輪出口計算直徑處葉片安裝角,°Hy=ηhHt(16)式中ηh——誘導(dǎo)輪水力效率,對于匹配低比轉(zhuǎn)速高速離心泵機(jī)組,ηh≈0.3將由式(11)算得的誘導(dǎo)輪所需揚(yáng)程Hy代入式(16),聯(lián)立式(14)～(16),可得誘導(dǎo)輪出口螺距S2值。由S2=πDttgβt2,可以算得誘導(dǎo)輪出口葉片安裝角βt2。2.3軸距變化規(guī)律的選擇2.3.1導(dǎo)輪螺距隨葉片生長和安裝角的變化對變螺距誘導(dǎo)輪,其軸向截面各半徑處的導(dǎo)程是相等的,即:S=πDtgβ(17)誘導(dǎo)輪螺距由進(jìn)口處較小值S1漸增至出口處較大值S2,其值大小與葉片弧長x(x=θπD/360)滿足以下表達(dá)式:式中β1——任意直徑D處葉片進(jìn)口安裝角,°β2——任意直徑D處葉片出口安裝角,°θ——旋轉(zhuǎn)葉片圓周角,°m——常數(shù),一般取m=1～32.3.2葉片d值的判別誘導(dǎo)輪任意直徑D處葉片展開圖滿足如下表達(dá)式:式中h—任意直徑D處葉片的軸向位置,m特別地,當(dāng)D值分別取為輪緣直徑和輪轂直徑時,可以得到相應(yīng)的輪緣處和輪轂處的葉片展開圖。當(dāng)θ=Ψ時,對應(yīng)的h值即為誘導(dǎo)輪軸向長度值L:誘導(dǎo)輪葉片展開長度l的計算即為曲線h(x)在[0,x2]間的弧長,即由于h(x)表達(dá)式中含有很多參數(shù),應(yīng)在設(shè)計時將實值代入以方便計算。2.4主框架的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇2.4.1誘導(dǎo)輪的汽蝕性能較大的前緣包角θ1有利于提高誘導(dǎo)輪的汽蝕性能,但會因此造成誘導(dǎo)輪的軸向長度較長,通常取θ1=90～150°。由圖可知,Ψ=θ1+θ2。誘導(dǎo)輪最先發(fā)生汽蝕的部位是其進(jìn)口的外徑處,因此誘導(dǎo)輪進(jìn)口形狀對誘導(dǎo)輪的汽蝕性能很有影響。相比阿基米德螺線形進(jìn)口邊,圓弧形進(jìn)口邊既能取得良好的汽蝕性能,又不會造成誘導(dǎo)輪軸向長度過長。通常取R=0.25(1+ξ1)Dt。另外,應(yīng)仔細(xì)打磨誘導(dǎo)輪進(jìn)口邊,使其具有尖銳、光滑的前沿。2.4.2葉片數(shù)的影響誘導(dǎo)輪為單葉片時,雖然對液流排擠作用最小,但無法滿足動平衡,而葉片數(shù)過多會導(dǎo)致液流過流截面輪廓尺寸的增大,因此絕大多數(shù)時取Z=2～3。2.4.3影響誘導(dǎo)輪汽蝕性能的荷和偏角t=πDt/Z(22)誘導(dǎo)輪葉柵稠度τ定義為葉片展開長度l與節(jié)距t的比值,即:τ=l/t(23)葉柵稠度τ影響葉片的負(fù)荷和偏離角,從而在一定程度上影響誘導(dǎo)輪的汽蝕性能。稠度過小則不能保證液流在葉柵中轉(zhuǎn)折以獲得能量,而稠度過大會增加流道沿程摩擦損失導(dǎo)致效率降低,故需兼顧各方面的要求,一般在軸向長度允許的條件下,適當(dāng)?shù)匕薛又等〉么笮?以獲得較好的汽蝕性能。通常τ在2～2.5之間選取。在實際設(shè)計過程中,通常預(yù)選Ψ值,選取合適的葉片數(shù),計算l,t的值,再檢驗τ值是否符合要求。2.4.4葉尖間隙的影響誘導(dǎo)輪的外徑和導(dǎo)流套(或殼體)之間的間隙稱為葉尖間隙,它對誘導(dǎo)輪揚(yáng)程和汽蝕性能都有一定的影響。葉尖間隙過大會導(dǎo)致流過間隙的泄露增加,從而產(chǎn)生回流且增加能量損失。但是,間隙太小又會導(dǎo)致誘導(dǎo)輪在旋轉(zhuǎn)過程中與殼體發(fā)生有害的摩擦,引起誘導(dǎo)輪或殼體的損壞。一般推薦Δt/Dt=(0.8～1)%,如在加工時誘導(dǎo)輪與導(dǎo)流套能保持很好的同心度,Δt還可適當(dāng)取小一些。2.4.5結(jié)構(gòu)強(qiáng)度原則從汽蝕性能角度考慮,葉片應(yīng)設(shè)計在汽穴和汽蝕流動的尾跡里面,因此越薄越好;從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度考慮,葉片應(yīng)設(shè)計成能承受各種負(fù)荷而不破壞和變形,因此要求厚一些。據(jù)此,設(shè)計時把葉片的葉尖設(shè)計得薄一些,葉根設(shè)計得厚一些,形成2～3°的斜度,并在葉根處以圓弧轉(zhuǎn)接,必要時還可做成雙圓弧轉(zhuǎn)接。3引導(dǎo)輪和離心輪結(jié)構(gòu)的匹配3.1離心輪進(jìn)口直徑的設(shè)計一般來說,最佳誘導(dǎo)輪出口直徑要比離心輪進(jìn)口直徑大。如果減小誘導(dǎo)輪出口直徑會降低其揚(yáng)程從而導(dǎo)致誘導(dǎo)輪無法滿足離心葉輪進(jìn)口能量要求,而過度增加離心輪進(jìn)口直徑又會降低泵的效率。在設(shè)計過程中,選取結(jié)構(gòu)參數(shù)時應(yīng)盡量使誘導(dǎo)輪出口輪轂直徑、輪緣直徑與離心輪進(jìn)口輪轂直徑、輪緣直徑相近,以便于兩者結(jié)構(gòu)的配合。誘導(dǎo)輪與離心輪之間在軸向長度上應(yīng)有一段像葉片間隔一樣的最小間隙δl,且這段間隙內(nèi)的軸面流道應(yīng)保持光滑平緩,其間隙大小:3.2離心輪的揚(yáng)程設(shè)計由于誘導(dǎo)輪葉片在液流中會產(chǎn)生尾跡,且當(dāng)該尾跡落在離心輪進(jìn)口葉片上時,會影響離心輪的揚(yáng)程和效率,設(shè)計時應(yīng)注意誘導(dǎo)輪與離心輪的周向配合,使得尾跡落在離心輪兩葉片之間,將影響降到最小。由于誘導(dǎo)輪與離心輪同軸旋轉(zhuǎn),故只需考慮誘導(dǎo)輪出口液流由于慣性作用產(chǎn)生的周向偏離,從而確定誘導(dǎo)輪出口與離心輪進(jìn)口旋轉(zhuǎn)角度δΨ:4項目實例下面介紹一臺低汽蝕余量泵的誘導(dǎo)輪設(shè)計。4.1設(shè)計參數(shù)已知誘導(dǎo)輪設(shè)計參數(shù)如表1。4.2主要參數(shù)誘導(dǎo)輪變化規(guī)律表達(dá)式中選取m=1,即:S=(S2-S1)x/x2+S1其它結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。4.3設(shè)計流量點流量經(jīng)試驗,該誘導(dǎo)輪離心泵汽蝕性能曲線如圖5所示。由圖5可知,在設(shè)計流量點處,NPSHr=2.27m?？梢?該誘導(dǎo)輪的設(shè)計滿足了