一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法.pdf

本发明提供了一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，包括如下步骤：确定导叶的几何参数，依据上述几何参数在三维造型软件中得到导叶基本模型，在所述导叶基本模型的导叶轮毂处开设多个槽结构，得导叶最终模型；依照所述导叶最终模型通过开模、铸造手段得到最终导叶。本发明所述方法通过在导叶叶片设计过程中选取合适的导叶叶片数，使其与叶轮叶片数之间存在最大公约数2、3或4，从而使得多级泵内部流动呈现明显的规律性，达到降低多级泵的振动幅值的目的；同时在导叶轮毂处开设多个槽结构，使多级离心泵在导叶轮毂处产生径向的较大水动力，起到较好的支撑作用，进而提高多级离心泵的稳定性。

1.  一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定导叶的几何参数，包括基圆直径D₃，导叶出口直径D₄，导叶进口宽度b₃，导叶进口安放角α₃，叶片数Z_d，反导叶进口直径D₅，反导叶出口直径D₆，轴向宽度b₅，反导叶进口安放角α₅，反导叶出口安放角α₆；所述叶片数Z_d与叶轮叶片数之间存在最大公约数为2、3或4；
(2)通过步骤(1)中各几何参数在三维造型软件中得到导叶基本模型；
(3)在步骤(2)中所述导叶基本模型的导叶轮毂处开设多个槽结构，得导叶最终模型；
(4)按照步骤(3)中所述导叶最终模型通过开模、铸造手段得到最终导叶。

2.  根据权利要求1所述的一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述导叶的几何参数如下：
所述基圆直径D₃＝(1.01～1.3)D₂，所述导叶出口直径D₄＝(1.2～1.8)D₃，所述导叶进口宽度b₃＝b₂+(3～6)，所述反导叶进口直径D₅＝(0.75～0.9)D₄；所述反导叶出口直径D₆＝(0.9～1.2)D_j；所述轴向宽度b₅＝(1.5～2)b₂；所述反导叶出口安放角α₆＝65°～100°；其中，D₂-叶轮出口直径，mm；b₂-叶轮出口宽度，mm；D_j—叶轮进出口直径，mm；
所述导叶进口安放角α₃满足tanα₃＝(1.1～1.5)tanα'₂；
其中，v_m2-叶轮出口轴面速度，m/s；v_u2-叶轮出口圆周速度，m/s；ψ₂-排挤系数；Q-流量，m³/h；H_t-理论扬程，m；n-转速r/min；
所述反导叶进口安放角α₅满足α₅＝α'₅+(4°～15°)；
其中，v_m5-轴面速度，m/s；ψ₅-排挤系数；δ₅-反导叶进口真实厚度；v_u5-反导叶进口口圆周速度，m/s；α'₅-反导叶进口液流角度。

3.  根据权利要求1所述的一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，其特征在于，步骤(2)中所述三维造型软件为UG或者Proe。

4.  根据权利要求2所述的一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，其特征在于，步骤(3)中所述槽结构为直沟形槽或螺旋形槽或迷宫螺旋槽。

5.  根据权利要求4所述的一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，其特征在于，所述槽结构为直沟形槽，槽宽b为0.1L～0.15L，槽数为3～4个，相邻两个槽间距t为1b～1.2b，槽厚 δ为(0.04％～0.02％)L，其中L为导叶轮毂宽度。

6.  根据权利要求4所述的一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，其特征在于，所述槽结构为螺旋形槽，螺距为0.4L～0.8L，螺旋槽个数为3～4个，其中L为导叶轮毂宽度。

7.  根据权利要求4所述的一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，其特征在于，所述槽结构为迷宫螺旋槽，正向螺旋槽个数为2～3个，正向螺距为0.3L～1L；反向螺旋槽个数为2～3个，反向螺距为0.3L～1L；其中，L为导叶轮毂宽度。

一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法
技术领域
本发明属于多级泵导叶技术领域，尤其是涉及一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法。
背景技术
对于多级泵而言，容易因转速过高超出泵的临界转速产生振动现象。产生共振的转速被定义为临界转速。其中，影响泵转子系统临界转速的关键因素包括材料的圆盘质量、弹性模量、轴承距离、轴承特性等。对于悬臂式多级离心泵而言，由于陀螺效应的影响，比两支点支撑的多级离心泵更容易失稳，产生振动。
常规的提高泵稳定性的方法有：①减小圆盘质量；②增加轴的刚度；③工作转速小于第一临界转速nc的时候，工作转速≤0.8nc；④工作转速大于第一临界转速的时候，1.3nc≤n≤nc2(nc2为第二临界转速)；⑤提高轴承刚度等。但是采用上述方法增加轴的刚度，选用轴承刚度大的轴承却带来了生产成本的增加，同时造成资源的浪费，不符合当前产业节能的需要。
发明内容
针对现有技术中存在为避免多级泵振动而增加轴承刚度造成生产成本增加和资源浪费等不足，本发明提供了一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，旨在达到使用成本较低、消耗资源较小且可有效提高多级泵稳定性的目的。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，包括如下步骤：
(1)确定导叶的几何参数，包括基圆直径D₃，导叶出口直径D₄，导叶进口宽度b₃，导叶进口安放角α₃，叶片数Z_d，反导叶进口直径D₅，反导叶出口直径D₆，轴向宽度b₅，反导叶进口安放角α₅，反导叶出口安放角α₆；所述叶片数Z_d与叶轮叶片数之间存在最大公约数为2、3或4；
(2)通过步骤(1)中各几何参数在三维造型软件中得到导叶基本模型；
(3)在步骤(2)中所述导叶基本模型的导叶轮毂处开设多个槽结构，得导叶最终模型；
(4)按照步骤(3)中所述导叶最终模型通过开模、铸造手段得到最终导叶。
进一步的，步骤(1)中所述导叶的几何参数如下：
所述基圆直径D₃＝(1.01～1.3)D₂，所述导叶出口直径D₄＝(1.2～1.8)D₃，所述导叶进口宽度b₃＝b₂+(3～6)，所述反导叶进口直径D₅＝(0.75～0.9)D₄；所述反导叶出口直径D₆＝(0.9～1.2)D_j；所述轴向宽度b₅＝(1.5～2)b₂；所述反导叶出口安放角α₆＝65°～100°；其中，D₂-叶轮出口直径，mm； b₂-叶轮出口宽度，mm；D_j—叶轮进出口直径，mm；
所述导叶进口安放角α₃满足tanα₃＝(1.1～1.5)tanα'₂；
其中，vm2=QηvπD2b2ψ2,vu2=gHtu2=gH/ηvD2πn/60,tanα′2=vm2vu2,]]>v_m2-叶轮出口轴面速度，m/s；v_u2-叶轮出口圆周速度，m/s；ψ₂-排挤系数；Q-流量，m³/h；H_t-理论扬程，m；n-转速r/min；
所述反导叶进口安放角α₅满足α₅＝α'₅+(4°～15°)；
其中，vm5=Q2πR5b5ψ5,ψ5=1-Zdδ5πD5sinα5,vu5=vu4R4R5,tanα′5=vm5vu5;]]>v_m5-轴面速度，m/s；ψ₅-排挤系数；δ₅-反导叶进口真实厚度；v_u5-反导叶进口口圆周速度，m/s；α'₅-反导叶进口液流角度。
进一步的，步骤(2)中所述三维造型软件为UG或者Proe。
进一步的，步骤(3)中所述槽结构为直沟形槽或螺旋形槽或迷宫螺旋槽。
进一步的，所述槽结构为直沟形槽，槽宽b为0.1L～0.15L，槽数为3～4个，相邻两个槽间距t为1b～1.2b，槽厚δ为(0.04％～0.02％)L，其中L为导叶轮毂宽度。
进一步的，所述槽结构为螺旋形槽，螺距为0.4L～0.8L，螺旋槽个数为3～4个，其中L为导叶轮毂宽度。
进一步的，所述槽结构为迷宫螺旋槽，正向螺旋槽个数为2～3个，正向螺距为0.3L～1L；反向螺旋槽个数为2～3个，反向螺距为0.3L～1L；其中，L为导叶轮毂宽度。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，通过在导叶叶片设计过程中选取适当的导叶叶片数，满足导叶叶片数Z_d与叶轮叶片数之间存在最大公约数2、3或4，使多级泵内部流动呈现明显的规律性，导叶内各流道内部流动特征以多个流道阵列分布，进而有效的降低多级泵的振动幅值；通过在导叶轮毂处开设多个槽结构，使多级离心泵在导叶轮毂处产生径向的较大水动力，起到较好的支撑作用，进而减小轴的挠度，增加转子的刚度，提高转子的临界转速，最终提高泵的稳定性。
附图说明
图1为导叶基本模型的局部正视图。
图2为导叶基本模型的局部后视图。
图3为导叶基本模型的左视图。
图4为直沟型槽的导叶轮毂局部示意图。
图5为迷宫螺旋槽的导叶轮毂局部示意图。
图6为采用对比例1所述导叶的多级离心泵振动频谱图。
图7为采用实施例1所述导叶的多级离心泵振动频谱图。
图8为采用实施例2所述导叶的多级离心泵振动频谱图。
图9为采用实施例3所述导叶的多级离心泵振动频谱图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种提高多级泵稳定性的导叶设计方法，包括如下步骤：
(1)如图1、图2和图3所示，确定导叶的几何参数，包括基圆直径D₃，导叶出口直径D₄，导叶进口宽度b₃，导叶进口安放角α₃，叶片数Z_d，反导叶进口直径D₅，反导叶出口直径D₆，轴向宽度b₅，反导叶进口安放角α₅，反导叶出口安放角α₆；
其中，所述基圆直径D₃＝(1.01～1.3)D₂，所述导叶出口直径D₄＝(1.2～1.8)D₃，所述导叶进口宽度b₃＝b₂+(3～6)，所述反导叶进口直径D₅＝(0.75～0.9)D₄；所述反导叶出口直径D₆＝(0.9～1.2)D_j；所述轴向宽度b₅＝(1.5～2)b₂；所述反导叶出口安放角α₆＝65°～100°；其中，D₂-叶轮出口直径，mm；b₂-叶轮出口宽度，mm；D_j—叶轮进出口直径，mm；
所述导叶进口安放角α₃满足tanα₃＝(1.1～1.5)tanα'₂；
其中，vm2=QηvπD2b2ψ2,vu2=gHtu2=gH/ηvD2πn/60,tanα′2=vm2vu2,]]>v_m2-叶轮出口轴面速度，m/s；v_u2-叶轮出口圆周速度，m/s；ψ₂-排挤系数；Q-流量，m³/h；H_t-理论扬程，m；n-转速r/min；
所述反导叶进口安放角α₅满足α₅＝α'₅+(4°～15°)；
其中，vm5=Q2πR5b5ψ5,ψ5=1-Zdδ5πD5sinα5,vu5=vu4R4R5,tanα′5=vm5vu5;]]>v_m5-轴面速度，m/s；ψ₅-排挤系数；δ₅-反导叶进口真实厚度；v_u5-反导叶进口口圆周速度，m/s；α'₅-反导叶进口液流角度；
多级泵的结构形式为悬臂式，即叶轮等旋转部件位于两支点的一端。与双支点支撑的多级泵相比，悬臂式多级泵由于陀螺效应更容易发生剧烈振动。本实施例选取该多级离心泵基 本参数为：Q＝220m³/h，H＝85m(共5级)，n_s＝95.4，η_h＝0.871，η_v＝0.94，η_m＝0.92，η＝0.75。叶轮基本参数为：D₂＝262mm，b₂＝19mm，叶轮叶片数Z＝8，叶轮出口角β₂＝30°。由此得到导叶的具体几何参数如下：基圆直径D₃＝268mm；导叶出口直径D₄＝376mm；导叶进口宽度b₃＝24mm；导叶叶片数Z_d＝12，导叶叶片数与叶轮叶片数有最大公约数4；导叶进口安放角α₃＝13°；反导叶进口直径D₅＝332mm；反导叶出口直径D₆＝90mm；轴向宽度b₅＝30mm，反导叶进口安放角α₅＝25°；反导叶出口安放角α₆＝＝85°。
(2)依据上述几何参数，在UG或Proe中三维造型得到导叶基本模型；
(3)在导叶基本模型中开设直沟形槽或螺旋形槽或迷宫螺旋槽，得到导叶最终模型，而在现有普通导叶轮毂处没有开设槽结构，其目的在与使多级离心泵在导叶轮毂处产生径向的较大水动力，起到较好的支撑作用，进而减小轴的挠度，增加转子的刚度，提高转子的临界转速，最终提高泵的稳定性。
如图4所示，当开设直沟型槽时，槽宽b为0.1L～0.15L，槽数为3～4个，相邻两个槽间距t为1b～1.2b，槽厚δ为(0.04％～0.02％)L。当开设螺旋形槽时，螺距为0.3L～1L，螺旋槽个数为4～6个。如图5所示，当开设迷宫螺旋槽时(其中，实线为反螺旋线，虚线为正螺旋线)，正向螺旋槽个数为2～3个，正向螺距T为0.3L～1L；反向螺旋槽个数为2～3个，反向螺距0.3L～1L；其中，导叶轮毂宽度L＝6mm。
(4)将上述导叶最终模型通过开模、铸造手段得到最终导叶。
对比例1：选取叶轮叶片数为8的整机叶轮，导叶叶片数为11的普通导叶，将其装配后通过动测试仪器(本特利振动试验仪器等)将位移传感器水平安装在泵体上，从而来监测该多级泵运行过程中的振动情况。从图6中可以看出，采用普通设计11片导叶，虽然避免了共振，但是振动测试显示的幅值很高，在725Hz处的幅值为10.49mm/s。
实施例1：选取叶轮叶片数为8的整机叶轮，导叶叶片数为11且开有直沟形槽结构的导叶，其中，直沟槽个数为3，导叶轮毂处的槽宽b＝0.8mm，相邻两个槽间距t＝0.85mm，槽厚δ＝0.25mm。将上述整机叶轮与导叶装配后通过振动测试仪器(本特利振动试验仪器等)将位移传感器水平安装在泵体上，从而来监测该多级泵运行过程中的振动情况。从图7中可以看出，通过在普通导叶轮毂处开设槽结构，振动幅度有所改善，在725Hz处的幅值为7.21mm/s。
对比图6和图7可以得出，采用该设计方法设计的带有直沟槽的导叶能有效的减小振动幅值。
实施例2：选取叶轮叶片数为8的整机叶轮，导叶叶片数为12不开设槽机构的导叶，将其装配后通过动测试仪器(本特利振动试验仪器等)将位移传感器水平安装在泵体上，从而来监测该多级泵运行过程中的振动情况。从图8中可以看出，当导叶叶片数由原先与叶轮叶 片数互质变为存在公约数4时，其在725Hz处的幅值为5.60mm/s，相比图6而言，振幅有显著降低，说明采用该设计方法设计的叶轮与导叶叶片数有最大公约数的导叶能有效的减小振动幅值。
实施例3：选取叶轮叶片数为8的整机叶轮，导叶叶片数为12且开有直沟形槽结构的导叶，其中，直沟槽个数为3，导叶轮毂处的槽宽b＝0.8mm，相邻两个槽间距t＝0.85mm，槽厚δ＝0.25mm。将其装配后通过动测试仪器(本特利振动试验仪器等)将位移传感器水平安装在泵体上，从而来监测该多级泵运行过程中的振动情况。从图9中可以看出，既改变导叶叶片数，同时又在导叶轮毂处开设槽后，其在725Hz处的幅值为5.26mm/s，相比图6而言，说明采用该设计方法设计的带有直沟槽且叶轮叶片数与导叶叶片数有最大公约数的导叶能更好的减小多级泵的振动。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。