[发明专利]一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮及其设计方法

说明书

本发明公开了一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法。对初始叶轮进行计算获得欧拉扬程梯度系数，并判断叶轮是否要将长叶片替换为短叶片，在保证长、短叶片总加载载荷一致情况下，对长叶片进行后加载设计，对短叶片进行前加载设计，使得复合叶轮能够明显改善叶轮内部的流动状况。本发明能够改善叶轮出口处的射流‑尾迹现象，提高离心泵的抗汽蚀性能，降低压力脉动对泵的影响，使流动更加稳定。

技术领域

本发明涉及了一种泵体叶轮结构及其设计方法，尤其是涉及一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，属于流体机械工程和动力工程领域。

背景技术

作为通用机械，泵已经广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是在国防、水利、航天、石油化工等领域发挥着非常重要的作用。然而离心泵的运行过程中也存在着突出的问题，主要表现为汽蚀的危害和突出的压力脉动。汽蚀现象是由于在叶片入口附近流体流速较大，导致存在局部低压区造成的。可以通过采用短叶片的方式减小叶片进口排挤，从而减小入口流速来解决。突出的压力脉动是由于流道内部产生了流动分离、二次流等非均匀流动结构造成的，可以通过增加叶片数的方式来解决。在当今大化工、大石化等产业当中，离心泵的正常运行有力的保证了整个生产工艺的正常运行。一旦离心泵不能正常运转，后果将不堪设想。因此，研究如何同时避免汽蚀和压力脉动所带来的危害，对离心泵而言显得尤为重要。

国内外众多研究表明，分流短叶片可以提高离心泵的效率和抗汽蚀性能，防止流动失速的产生。这对离心泵的正常运转具有重要的意义。

目前常用扩压因子DF作为判断流动失速的依据。DF的表达式为：但是，该式判断叶轮流动失速比较繁琐，难度较大。因此需要简单有效的新判定准则来判断是否产生流动失速，以此来判定是否需要安装短叶片使流动更加稳定。

其次，当判定叶轮需要安装短叶片后，需要对复合叶轮进行设计。目前，复合叶轮常用的设计方法是基于欧拉方程的扬程系数设计法，如2011年浙江大学许斌杰发表的论文——半开式复合叶轮多级离心泵设计与性能预测方法的研究。该论文采用扬程系数设计法对复合叶轮进行设计，结果表明复合叶轮可以有效阻止叶轮中回流和脱流现象的产生，并能够明显提高扬程系数。但是，该方法设计的复合叶轮对离心泵汽蚀性能和压力脉动的改善并不明显。

因此，现有技术中缺少了一种方式能够判断是否产生流动失速，并同时避免离心泵汽蚀和压力脉动所带来的不利影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出了一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮及其设计方法，根据欧拉扬程梯度系数判断是否要将长叶片替换为短叶片。本发明能够判断是否产生流动失速，并同时避免离心泵汽蚀和压力脉动所带来的不利影响。

如图1所示，本发明通过以下步骤实现：

所述的离心泵包括已知参数的初始叶轮，初始叶轮设有多个相同的沿圆周间隔均布的叶片，每个叶片呈圆弧形态从叶轮边缘延伸到靠近叶轮中心位置，即叶片的一端延伸到叶轮边缘，另一端向叶轮中心附近处，方法包括：

1)计算初始叶轮的叶片上各采样点的欧拉扬程梯度系数；

2)根据欧拉扬程梯度系数范围采用以下方式来判断是否流动失速，即将叶片型线分为多段，通过以下三段的欧拉扬程梯度系数进行判断：

当0L0.1，k_i37/ω，且0.6L0.7，k_imax87/ω，且0.9L1.0，k_i-10/ω。其中，L为无量纲化的叶片型线长度，即流线节点至流线起点的长度与总流线长度的比值，相对流线即为叶片型线，k_imax为欧拉扬程梯度系数的最大值，ω为叶轮的角速度；k_i表示欧拉扬程梯度系数，i表示采样点的序数；

若满足上述，则叶轮流动失速，进行下一步对初始叶轮进行调整，形成复合叶轮；