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1、(10)申请公布号 CN 102146932 A (43)申请公布日 2011.08.10 CN 102146932 A *CN102146932A* (21)申请号 201010107689.X (22)申请日 2010.02.09 F04D 29/22(2006.01) (71)申请人 上海东方泵业 ( 集团 ) 有限公司 地址 201906 上海市宝山区富联路 1588 号 (72)发明人 吴永旭 钟晓亮 (74)专利代理机构 上海天翔知识产权代理有限 公司 31224 代理人 岳强 (54) 发明名称 一种离心泵叶轮设计的改进方法 (57) 摘要 本发明公开了一种离心泵叶轮设计的改进方。
2、 法， 该方法以一元流动理论为基础， 将传统的相似 换算法与速度系法有机的结合在一起， 从而更好 的提高设计好的离心泵的工作效率。且由于本发 明是在传统设计方法的基础上进行简单的改进， 为此离心泵只需根据本发明进行简单的设计， 便 可以达到节能减耗的目的， 同时， 在设计时， 离心 泵叶轮水力的轴面投影图绘制可以根据结构要求 作适当的调整， 因此在设计上则突破了相似设计 法的局限性。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4 页 CN 102146934 A1/1 页 2 1. 一种离心泵叶轮设计的改进方法。
3、， 其特征在于， 所述离心泵叶轮设计的改进方法是 通过以下方法来实现的 ： (1) 整理总结若干效率超过国家标准的单级单吸离心泵的叶轮水力设计， 并将它们对 应的叶片型线绘制在一幅方格网图中， 制成一幅方格网叶片型线分布参考图 ； (2) 对绘制的方格网叶片型线分布参考图进行分析， 选择一组相应比转速 ns 最高效的 水力模型的叶片型线， 从而通过参考该相应比转速 ns 最高效的水力模型的叶片型线， 得到 所要设计的叶轮叶片出口角 2 及叶片数 Z ； (3) 根据所提供的叶轮参数， 使用速度系数法进行计算， 来确定叶轮必要的水利设计参 数 ； (4) 根据得到的叶轮必要的水利设计参数， 画出。
4、叶轮轴面投影图， 并在叶轮轴面投影图 中依次画出分轴面流线及沿轴面流线分点 ； (5) 在参考方格网叶片型线分布参考图中所绘制的相应比转速 ns 最高效的水力模型 的叶片型线的基础上， 按照传统方法在叶轮轴面投影图中计算得到分轴面流线， 然后根据 得到的分轴面流线在方格网中绘制出一幅方格网叶片型线图 ； (6) 根据绘制的方格网叶片型线图， 在绘制的叶轮轴面投影图中作轴面截线， 并在叶轮 轴面投影图中按轴面截线为叶片进行适当的加厚 ； (7) 根据轴面截线已加厚的叶轮轴面投影图制作出离心泵叶轮木模图， 并进行叶片绘 线质量的检查。 2. 根据权利要求 1 所述的一种离心泵叶轮设计的改进方法， 。
5、其特征在于， 所述速度系 数法是指一种根据泵体叶轮的性能参数， 并使用现有的泵体运算公式的基础上， 计算得出 泵体的比转速 ns、 进出口直径、 汽蚀、 计算叶轮直径 D、 叶片出口宽度 b2 这一系列必要的水 利设计参数的计算方法。 权 利 要 求 书 CN 102146932 A CN 102146934 A1/6 页 3 一种离心泵叶轮设计的改进方法 技术领域 0001 本发明涉及离心泵领域， 特别涉及的是一种可以有效的提高离心泵工作效率的离 心泵叶轮设计的改进方法。 背景技术 0002 能源对于任何国家来说， 都是发展国民经济、 改善人类生活水平的重要物质基础。 随着我国经济的高速发展。
6、和全球能源的日益减少， 节约能源已成为人们关注的焦点。泵类 产品属于流体机械的一种， 国内的需求量非常大， 每年发电量的 2025都消耗在泵 类产品上。而离心泵作为一种根据离心原理来进行工作的水泵， 在工作时通过高速旋转 的叶轮叶片带动水转动， 将水甩出， 从而达到输送的目的， 在使用时， 其需求量占泵类产品 50左右， 成为我国经济建设中必不可少的机械设备之一， 因此针对离心泵开展的节能工 作是非常重要和刻不容缓的。 0003 传统的离心泵其基本构造主要由六部分组成的， 分别包括 ： 叶轮， 泵体， 泵轴， 轴 承， 密封环， 填料函。其中， 叶轮作为离心泵的核心部分， 在离心泵的工作时， 。
7、它通过极高的 转速来输出较大的功率， 且在叶轮工作时， 安装在叶轮上的叶片又起到主要作用。为此， 叶 轮在装配前要通过静平衡实验， 而叶轮上的内外表面则要求光滑， 以减少水流的摩擦损失。 0004 而现在国内离心泵的生产企业， 在离心泵叶轮的设计时， 往往使用较为传统的生 产技术， 即以一元流动理论为基础， 分别采用相似换算法或者速度系法进行设计。其中， 一 元流动理论主要将流道内流体的复杂的流速分布和状态参数分布， 取其平均值来建立数学 模型， 以简化计算及利于设计。虽然这种理论描述不可压缩流体 ( 如水 ) 还有比较好的准 确度， 但由于在设计时相似换算法与速度系法不能很好的有机结合起来，。
8、 以至于往往不能 设计出性能较为优异的高效离心泵。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题在于提供一种离心泵叶轮设计的改进方法， 以解决现 有离心泵叶轮在设计时不能很好的将相似换算法与速度系法有机结合在一起的问题。 0006 为了实现上述目的， 本发明是通过如下的技术方案来实现 ： 0007 一种离心泵叶轮设计的改进方法， 所述离心泵叶轮设计的改进方法是通过以下方 法来实现的 ： 0008 (1) 整理总结若干效率超过国家标准的单级单吸离心泵的叶轮水力设计， 并将它 们对应的叶片型线绘制在一幅方格网图中， 制成一幅方格网叶片型线分布参考图 ； 0009 (2) 对绘制的方格网叶片型线分布。
9、参考图进行分析， 选择一组相应比转速 ns 最高 效的水力模型的叶片型线， 从而通过参考该相应比转速 ns 最高效的水力模型的叶片型线， 得到所要设计的叶轮叶片出口角 2 及叶片数 Z ； 0010 (3) 根据所提供的叶轮参数， 使用速度系数法进行计算， 来确定叶轮必要的水利设 计参数 ； 说 明 书 CN 102146932 A CN 102146934 A2/6 页 4 0011 (4) 根据得到的叶轮必要的水利设计参数， 画出叶轮轴面投影图， 并在叶轮轴面投 影图中依次画出分轴面流线及沿轴面流线分点 ； 0012 (5) 在参考方格网叶片型线分布参考图中所绘制的相应比转速 ns 最高效。
10、的水力 模型的叶片型线的基础上， 按照传统方法在叶轮轴面投影图中计算得到分轴面流线， 然后 根据得到的分轴面流线在方格网中绘制出一幅方格网叶片型线图 ； 0013 (6) 根据绘制的方格网叶片型线图， 在绘制的叶轮轴面投影图中作轴面截线， 并在 叶轮轴面投影图中按轴面截线为叶片进行适当的加厚 ； 0014 (7) 根据轴面截线已加厚的叶轮轴面投影图制作出离心泵叶轮木模图， 并进行叶 片绘线质量的检查。 0015 所述速度系数法是指一种根据泵体叶轮的性能参数， 并使用现有的泵体运算公式 的基础上， 计算得出泵体的比转速 ns、 进出口直径、 汽蚀、 计算叶轮直径 D、 叶片出口宽度 b2 这一系。
11、列必要的水利设计参数的计算方法。 0016 本发明通过在传统的设计方法的基础上进行简单的改进， 从而使得离心泵在设计 简便的基础上， 有效的提高其工作效率， 达到节能减耗的目的， 同时， 在设计上， 离心泵叶轮 水力的轴面投影图绘制可以根据结构要求作适当的调整， 因此在设计上大大突破了相似设 计法的局限性。 附图说明 0017 下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明 ； 0018 图 1 为本发明的方格网叶片型线分布参考图。 0019 图 2 为本发明的轴面投影图。 0020 图 3 为本发明的方格网叶片型线图。 0021 图 4 为本发明的叶轮模具图。 具体实施方式 0022 为使本发明。
12、实现的技术手段、 创作特征、 达成目的与功效易于明白了解， 下面结合 具体实施方式， 进一步阐述本发明。 0023 本发明为一种离心泵叶轮设计的改进方法， 主要用于解决现有离心泵在叶轮设计 时， 往往是在一元流动理论的基础上， 分别采用相似换算法或者速度系法进行设计， 这便存 在了由于相似换算法与速度系法在设计时不能有机的结合在一起， 以至于出现设计的离心 泵工作效率不高的问题。为此， 在传统离心泵叶轮设计的基础上， 进行有效的改进， 将相似 换算法与速度系法有机的结合起来， 从而有效地提高离心泵的工作效率。 0024 为此， 在本发明中， 主要会涉及到这三个概念， 包括一元流动理论、 相似换。
13、算法与 速度系法， 其中一元流动理论主要将流道内流体的复杂的流速分布和状态参数分布， 取其 平均值来建立数学模型， 以简化计算及利于设计 ； 在本发明中， 相似换算法是指在总结若干 效率超过国家标准的单级单吸离心泵的叶轮水力设计， 并将它们对应的叶片型线绘制成一 幅方格网叶片型线分布参考图， 然后在设计时以图中比转速 ns 最高效的水力模型为基础， 来简化泵体必要的水利设计参数的计算 ； 而速度系法是指在现有泵体必要的水利设计参数 的计算公式的辅助下， 根据所提供的泵体性能参数， 将这些所涉及到的水利设计参数一一 说 明 书 CN 102146932 A CN 102146934 A3/6 页。
14、 5 计算出来。 0025 为此， 在使用本发明来进行离心泵叶轮的设计前， 需与传统方法相同， 要详细了解 该泵体的各项性能参数、 使用场合和特殊要求等设计信息。如下侧的表 1 所示， 为使用本发 明来进行离心泵的叶轮设计时具体的一组性能参数、 使用场合、 特殊要求等。 0026 0027 表 1 0028 而在使用本发明来进行离心泵叶轮的设计时， 由于需要涉及到有机结合在一起的 相似换算法与速度系法来进行相应的计算， 并且在适用于离心泵叶轮设计的一元流动设计 理论中， 绘制在方格网中的叶片绘型是水力设计的重要内容， 其流线设计关系到泵运行效 率指标的实现。为此， 需先按照相似换算法的需要， 。
15、在现有已知的单机单吸离心泵叶轮水 利设计的基础上， 选择并总结若干效率远远超过国家标准 (GB/T13007) 的离心泵的叶轮水 利设计， 从而搜索出如相应比转速分别为 ns 153.5、 ns 135-150、 ns 100-135、 ns 90-100和ns70-90的高效离心泵叶轮的水力模型来进行设计时的对比与参考， 还需将这 五组符合要求的高效离心泵叶轮的水力模型的叶片型线， 统一绘制在如图 1 所示的一幅方 格网叶片型线分布参考图中， 以便于在适用本发明时进行叶片型线的绘制。 0029 至于在本发明中涉及到的速度系数法的应用， 则需要根据所给出的设计参数， 在 代入现有用于泵体设计的。
16、计算公式， 将离心泵的一些必要数据计算出来， 包括 ： 比转速 ns ； 泵体进出口直径 ； 泵体的汽蚀现象 ； 叶轮直径 D2 ； 叶片出口宽度 b2 等等。 0030 其中， 比转速ns可以通过公式来进行计算， 在计算时， 还特别需要注 意各参数的单位， 如， 流量 Q ： m3/s( 双吸泵取一半 )、 扬程 H ： m、 转速 n ： rpm ； 0031 在泵体进出口直径的确定时， 对于低扬程泵， 出口直径可取与吸入口径相同。 高扬 程泵， 为减小泵的体积和排出管直径， 可小于吸入口径。一般出口直径可以通过公式 Dd (0.7-1.0)Ds 来进行计算， 进口直径可以通过来进行计算 。
17、； 0032 至于泵体的汽蚀现象， 则是水力机械中特有的一种现象。当流道中局部液流压力 降低到接近某极限值 ( 目前多以液体在该温度下的汽化压力作为极限值 ) 时， 液流中就开 说 明 书 CN 102146932 A CN 102146934 A4/6 页 6 始发生空(汽)泡， 这些充满着气体或蒸汽的空泡很快膨胀、 扩大并随液流至压力较高的地 方后又迅速凝缩、 溃灭。液流中空泡的发生、 扩大、 渍灭过程涉及许多物理、 化学现象， 会有 噪音， 振动甚至对流道材料产生侵蚀作用 ( 汽蚀 )。以上这些现象统称为汽蚀现象。汽蚀会 导致泵的噪声与振动， 破坏过流部件， 加快腐蚀， 性能下降等。汽蚀。
18、一直是流体机械研究的 热点和难点。且整个泵体运行过程中可能出现的汽蚀现象的计算， 可以通过汽蚀比转数公 式来分别推出。 0033 在使用本发明进行离心泵叶轮的设计时， 还需通过已求得的数据以及使用相似换 算法对绘制的方格网叶片型线分布参考图进行有效参考利用的前提下， 进行相关的轴面投 影图 ( 如图 2 所示 )、 绘制在方格网上的叶片型线图 ( 如图 3 所示 ) 及离心泵叶轮模具图 ( 如图 4 所示 ) 的绘制。 0034 其中， 轴面投影图的产生， 主要是由于叶轮是绕定轴旋转的， 故使用圆柱坐标系描 述叶轮及叶片的形状比较方便， 为了与圆柱坐标系相适应， 工程上用 “轴面投影图” 和 。
19、“平面 投影图” 来确定叶片的形状。 平面投影图的作法与一般机械图的作法相同， 是将叶片投影到 与转轴垂直的平面上而得。且所谓轴面 ( 也称子午面 )， 是指通过叶轮轴线的平面， 至于轴 面投影图的作法 ： 将每一点绕轴线旋转到同一轴面而成。 为此， 在这里便可以按照传统的方 法， 根据已求得的各种数据， 进行轴面投影图的绘制。 0035 且轴面投影图的绘制时， 最好先选择比转数相近， 性能良好的叶轮图作为参考 ( 比如图 1 中所统计相应比转速 ns 最为高效的水力模型的方格网叶片型线 )， 考虑设计泵 的具体情况加以改进， 轴面投影图的形状， 十分关键， 应经过反复修改、 力求光滑通畅。 。
20、0036 同时还应满足以下的设计条件 ： 0037 1、 出口前后盖板保持一段平行或对称变化 ； 0038 2、 流道弯曲不应过急， 在轴向结构允许的条件下， 以采用较大的曲率半径为宜 ； 0039 3、 轴面投影图在绘制时， 还需根据机构要求的不同， 可以来进行适当的调整。 0040 在轴面投影图设计完后， 还需根据实际情况来标明其技术要求， 比如本发明中的 轴面投影图其技术要求包括三点 ： 0041 1、 叶片数为均匀分布的 6 片， 且叶片间距允许误差为 0.5mm ； 0042 2、 叶片进口部位修正为流线型， 并尽量减薄 ； 0043 3、 叶片工作面用径向样板检查， 应符合设计要求。
21、。 0044 至于， 在绘制方格网叶片型线图如图 3 所示时， 首先， 需在方格网中画出的三条流 线， 就是叶片表面的三条型线 ； 然后， 用轴面(相当于方格网的竖线)去截这三条流线， 于是 所截三点的连线便可以看作是一条轴面截线 ； 接着需要将方格网中每隔一定角度的竖线和 三条流线的交点， 用插入法对应着编号 I、 II、 III的位置后， 分别点到轴面投影图 ( 如 图 2 所示 ) 相应的三条流线上， 并把所得点连成光滑的曲线， 就得到叶片的轴面截线。且在 轴面截线的制作时， 需满足足够光滑的标准， 再按一定规律进行变化， 且轴面截线和流线的 夹角最好接近90， 一般不要小于60。 若角。
22、太小， 盖板和叶片的真实夹角过小， 会带来铸造困难、 排挤严重和过水断面形状不良等缺点。 0045 而在离心泵叶轮模具图 ( 如图 4 所示 ) 的绘制， 需在轴面投影图的基础上， 进行叶 片的加厚工作。这是由于在方格网保角变换绘型时， 一般在轴面投影图上按轴面截线进行 说 明 书 CN 102146932 A CN 102146934 A5/6 页 7 加厚。加厚时， 可以以前面所得的轴面截线为骨线向两边加厚， 或以工作面为背面加厚。沿 轴面流线方向的轴面厚度m， 可以按下式计算公式 ：来进行计算。 且为了作图方 便， 通常给定真实厚度或流面厚度S沿轴面的变化规律， 一般取等厚的部分为全长的。
23、2/3 2/5， 头部为了减小冲击损失， 修成流线型 ( 三条流线可用一个厚度变化规律 )。而 角则 可以从方格网流线中量得。叶片厚度进出口一般按工艺要求给定， 最大厚度距进出口在全 长的 40左右。厚度可按流线型变化， 或选择翼型厚度的变化规律。至于其他流线也可以 通过相同的方法求得。且在叶片加厚时， 需把算得的厚度， 按流线和轴面截线， 一一点到轴 面投影图中， 光滑连接。因为叶片的凸面是工作面， 用轴面来截叶片， 工作面 1 的轴面截线 在上面， 背面 2 在下面 ( 如图 4 所示 )。 0046 然后便可以绘制离心泵叶轮模具图(如图4所示)， 即在加厚的轴面投影图的基础 上， 作垂直。
24、于叶轮轴心线的直线， 这些直线实质上就是一些垂直于叶轮轴心线的平面， 它们 与叶片的交线就是叶片的模型截线。 考虑到直线是等距离的， 但在设计时视设计需要而定， 也可以将直线绘制成间距不等的， 并在叶片扭曲较大处， 距离更可取小一些。并可根据 D、 d 画叶轮平面图， 作出与轴面投影图上轴面截线相对应轴向截面。然后在平面图上先画出叶 片与后盖板交线的投影， 然后再作模型截面与叶片相交的投影， 一般来说， 从叶轮进口方向 看， 叶轮为逆时针旋转。 0047 使用本发明来进行离心泵叶轮的设计时， 主要通过以下步骤来实施 ： 0048 (1) 先详细了解所需设计的离心泵的性能参数、 使用场合、 特殊。
25、要求等资料 ； 0049 (2) 整理与总结可以得到的单级单吸离心泵的叶轮水力设计， 并寻找出那些效率 超过国家标准 (GB/T13007) 的部分， 比如相应比转速分别为 ns 153.5、 ns 135-150、 ns 100-135、 ns 90-100 和 ns 70-90 的高效离心泵叶轮的水力模型， 并将它们对应的叶 片型线统一绘制成一幅方格网叶片型线分布参考图 ； 0050 (3) 对绘制好的方格网叶片型线分布参考图进行简单分析， 从而选择出一组相应 比转速 ns 最高效的水力模型的叶片型线， 作为使用本发明进行离心泵叶轮的设计时的参 考数据， 其中， 所需设计的离心泵叶轮叶片出。
26、口角 2 可以通过参考该水力模型的流线得 到的， 至于叶片数 Z 也可以取该水力模型的叶片数目 ； 0051 (4) 整理所提供的叶轮各项参数， 并使用速度系数法进行简单的计算， 从而确定叶 轮设计时必要的比转速 ns、 泵体进出口直、 泵体的汽蚀现象、 叶轮直径 D2 和叶片出口宽度 b2 等水利设计参数 ； 0052 (5) 根据得到的叶轮各部位的尺寸， 画出叶轮轴面投影图， 且考虑到叶轮轴面投 影图为离心泵的设计中最为重要的一部分， 为此， 需根据具体情况加以改进， 应经过反复修 改、 力求光滑通畅， 并需保证出口前后盖板保持一段平行或对称变化， 在轴向结构允许的条 件下， 以采用较大的。
27、曲率半径为宜 ； 0053 (6) 在绘制的叶轮轴面投影图中， 再依次根据传统的流线绘制方法， 画出分轴面流 线及沿轴面流线分点 ； 0054 (7) 在参考方格网叶片型线分布参考图中所绘制的相应比转速 ns 最高效的水力 模型的叶片型线的基础上， 根据计算得到的分轴面流线用传统的方法， 在方格网中绘制出 方格网叶片型线图， 且在绘制时， 需注意叶片进口边的设计， 要满足结构设计的要求， 计算 说 明 书 CN 102146932 A CN 102146934 A6/6 页 8 时为保证叶片进口流动有一定的冲角， 对型线的进口部分可以稍作修改 ； 0055 (8) 根据绘制的方格网叶片型线图，。
28、 并在传统的方法的辅助下， 在绘制的叶轮轴面 投影图中作轴面截线 ； 0056 (9) 在叶轮轴面投影图中按轴面截线为叶片进行适当的加厚， 且在加厚时， 可以以 上一步所得的轴面截线为骨线向两边加厚， 或以工作面为背面进行加厚 ； 0057 (10) 根据轴面截线已加厚的叶轮轴面投影图为基础， 制作出离心泵叶轮木模图 ( 即先可以在平面图上先画出叶片与后盖板交线的投影， 然后再作模型截面与叶片相交的 投影， 最后将木模图补充完整 ) ； 0058 (11) 通过检查叶片工作面径向样板的检查的方式， 来检查叶片绘线质量。 0059 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。 本行。
29、业的技术 人员应该了解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。 本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。 说 明 书 CN 102146932 A CN 102146934 A1/4 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102146932 A CN 102146934 A2/4 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102146932 A CN 102146934 A3/4 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102146932 A CN 102146934 A4/4 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 102146932 A 。