水泵配件葉輪對于水泵性能的影響分析
發(fā)布時間：2021-11-02 11:24:29來源：
一、葉輪的計算：
葉輪的計算比轉速與揚程的關系為揚程是圓周速度U2、葉片角β2、軸面速度Cm2、葉片數(shù)Z和比值CU2/CU3的比值等變數(shù)的函數(shù)。
確定比轉速在確定葉輪尺寸之前，應借助公式nsf=4/360)(1000gHQn算出比轉速即葉輪形狀系數(shù)，式中：n為轉/分、Q為米3/秒，H為米，g取米/秒2。葉輪的流量Q和轉速n越大，比轉速nsf就越大，而揚程H越大，比轉速nsf就越小。因此泵的揚程越大，用以表征的比轉數(shù)越小，相反，泵的工作揚程越小，nsf的值越大。確定了比轉速，就可進行葉輪進口直徑的設計。
葉輪進口確定輪轂直徑dh需要知道軸直徑dw，首先先求軸的直徑。軸直徑不僅與所傳遞的功率有關，而且還取決于泵的臨界轉速以及與泵的型式有聯(lián)系的軸的最大允許撓度。為了避免使泵的進口過分窄小，進口側的輪轂直徑Dh應選盡量小些。通常dh=（1.3~1.4）dw，然后計算進口直徑d0。自由進口截面為A0=Qi/c0，其中Qi為葉輪出口的流量（包含密封間隙回流量和平衡盤開孔泄漏量及其他泄漏量），c0為葉輪進口截面的平均流速。而泵的容積效率可根據(jù)下圖讀取容積效率與比轉數(shù)的關系（A.A.洛馬金[3]）總進口截面A’0’0為自由進口截面與輪轂截面之和.d0=π'4A0,對單極泵而言，其輪轂在許多場合下并不延伸到葉輪進口處，此時輪轂對進口并無影響，則進口直徑為d0=π4A0,此時軸向速度C0的值對葉輪的吸入能力有決定性的影響。為了提高吸入能力，必須減小的值，即加大自由截面A’0’0。速度C0的值一般工況下在1.5~6.0米/秒的范圍內(nèi)，而對有灌溉高度的泵多為12.0米/秒。
2、葉片進口
葉片進口在給定進口直徑d0后，可按照進口邊的形狀，決定葉片進口直徑d1，按照公式u1=πd1n/60求出u1的速度。根據(jù)下圖，假定的α1=90°由公式tgβ1=Cm1/u1求得葉片角β1，當葉輪進口前有預旋存在和α1＜90°時，tgβ1=Cm1/（u1-cosα1）
通過試驗表明，實際進口的軸面的速度小于按公式計算的速度。在直徑d0/d1≤2.0葉片比較短而且角β1較大時，這種現(xiàn)象比較明顯，實際流量也小于算得流量。為了達到所需的流量，此時必須按照公式算得的β1放大一個沖角δ1=2°~6°。當d2/d1較小時及算得的β1較大而葉片較短時，δ1的值可取較大些，隨著β1的值加大，泵的吸入能力不斷改善，泵的效率也隨之提高。這樣的話，葉片的進口角β‘=β1+δ1。通過驗證，通常情況下，β‘為15°~30°。在個別情況下，角β‘的值可達45°。
由此可算得A1=ψm1icQψ為葉片對進口的排擠系數(shù)。算出葉輪進口處的寬度b1=11dAπ，通過實驗測的流量與假設α1=90°和Cm1=u1tgβ1時不一致，也就是說在最佳工況和液體自由流入時，在葉片的進口前存在著環(huán)量。因為葉片的長度以及揚程的減小，同時因速度ω1升高而吸入性能變差，在大多數(shù)情況下將葉片移出這么寬是不可能的，也是不適當?shù)摹Ｒ话愣裕~片的進口往往位于葉輪蓋板曲率范圍內(nèi)或移向葉輪的進口。進口邊移至進口的離心泵葉輪葉型圓周速度沿葉片邊變化的進口速度三角行進口邊移至進口的離心泵葉輪葉型圓周速度沿葉片邊變化的進口速度三角行由上圖可知，，葉片進口邊上任一點的圓周速度都不同，從進口速度三角形可知，葉片角沿進口邊而變，這樣葉片面應造成雙曲率。在葉片移動不大而葉片寬度較小時，一般將雙曲率改為單曲率計算，角β''1''1只是對中間流線算得的。但流線彎曲時，則在俯視圖上量的角β''1''1要比計算速度Cm1和寬度b1所用的角β1還要小。在設計葉片進口邊時，取平均值（ε1）m。見下圖葉輪蓋板處的傾角ε1≤（cr1，cm1）
3、葉片出口
葉輪出口處的軸面速度cm2要比進口處小些。速度cm2的值按公式計算15.indd222014/8/1516:27:0223葉輪/葉輪形狀/設計/水泵的性能在設計水泵時，一般根據(jù)泵的轉速、結構形式和流量參考泵的總效率圖來估計泵的總效率，然后進行設計計算。單吸單級離心泵的總效率曲線圖要設計具有較高效率的離心泵，必須要注意過流部件（特指葉輪）的液體流速要確定得合理，而且變化要平緩，避免在流道內(nèi)出現(xiàn)死水區(qū)，合理選擇各過流部件（特指葉輪）的進、出口角度，來減少液體過流過程中的損失，還要避免流道內(nèi)有尖角、突然轉彎或擴散，并且要保證表面光潔。因而從提高泵性能的要求出發(fā)設計葉輪，首先要考慮葉輪的出口直徑。由離心泵流量-楊程公式HT∞=（此公式根據(jù)HT∞=()1u∞−VUVUu1122∞g離心泵的基本方程式和速度三角形導出的。式中F2—葉輪出口的有效面積；Q’—通過葉輪的流量HT∞—理論揚程由上述公式知這是一個直線方程，對于給定的泵，在一定的轉速下，U2、β2、和F2常數(shù)。一般取β2在15°~35°范圍內(nèi)，大多數(shù)在20°~25°。不可能超過90°，故ctgβ2總是正值。因此，β2越大，Q—HT∞這條向下傾斜的直線就下降得越平緩；β2越小，直線下降的越快。因此，理論揚程HT∞隨流量Q’而變化，在知道理論楊程、流量，額定轉速的條件下，可推出葉輪出口的有效面積，從而推出設計葉輪所需要的直徑。由公式知：改變?nèi)~輪直徑，離心泵的性能也會改變，泵的理論揚程隨葉輪直徑的增加，向上平行移動增加。
4、葉輪流道寬度
改變?nèi)~輪出口寬度，通常對流量Q的影響比較大。當出口寬度在一定范圍內(nèi)增大時，流量、揚程、功率及效率都是增加的，且最高效率向大流量方向移動。如果減少葉輪出口寬度，則影響正好相反。用試驗方式研究了改變?nèi)~輪流道道寬度時泵的楊程．效率曲線的變化趨勢以及關死點楊程．最高效率點的變化規(guī)律，在此基礎上提出在離心泵設計中存在著一個最佳葉輪流道寬度的觀點。改變?nèi)~輪流道寬度時會使泵的理論揚程曲線形狀發(fā)生變化．理論揚程曲線的變化又直接影響泵的實際揚程曲線的形狀．若改變?nèi)~輪流道寬度時能保持葉輪流道面積均勻變化，即沿軸線平行地移動葉輪前蓋板的位置，則改變?nèi)~輪流道寬度時泵的理論揚程曲線的變化規(guī)律可推導如下：根椐離心泵的葉輪理論，我們知道后彎式葉片的理論揚程為HT∞=，F(xiàn)2為葉輪出口面積。從上式可以看出理論揚程曲線是一條隨流量增大而下降的直線，如圖所示．當流量Q=O時，則理論揚程HT∞=，說明該直線與縱坐標相交于點，當HT∞=0時，Q=，說明該直線與橫坐標相交于點，由此可知直線是一條與橫坐標夾角為φ的直線，tgφ===，在該式中K2為排擠系數(shù)。根據(jù)上式可以看出，改變?nèi)~輪流道寬度時，若假定葉輪出口處葉片排擠系數(shù)K2、葉片出口角β2保持不變，則理論揚程曲線與橫坐標的夾角φ只與葉輪出口寬度b2有關．增大b2，φ角就減小，泵的理論揚程曲線就變得更水平，不過從消除實際揚程性能曲線上的駝峰角度來考慮，葉輪出口寬度b2不宜增加過大．相反．減小葉輪流道出口寬度時，泵的理論揚程曲線就變得更陡，理論揚程曲線變陡對消除實際揚程曲線上駝峰有利。因此，改變?nèi)~輪流道寬度時可以改變理論揚程曲線的斜度．而理論揚程曲線的變化又直接影響實際揚程曲線的形狀。同時改變導葉進口面積也會改變泵的性能。導葉進口面積增大，揚程曲線變化平坦，效率的絕對值增加，同時效率曲線也向大流量方向移動。導葉進口面積減少，可以使泵的關死揚程（流量為0）有所提高，因而設計葉輪時要取最佳導葉斷面積，過大過小都會影響泵的性能（效率）。還要考慮葉片的數(shù)量。下圖為不同導葉對性能的影響。（1＞2＞3）（導葉進口面積）在設計工況時，由于液流方向與葉片方向一致，，沖擊損失比較小，在變工況下運轉時，液流方向與葉片方向偏離，在葉輪入口處和導葉入口處便會產(chǎn)生沖擊損失。所以在葉輪設計時，要求在設計工況下葉片與圓周之間的夾角（葉片入口安放角）于葉輪入口處液流的相對速度與圓周之間的夾角相符合，這樣葉輪進口處就不會產(chǎn)生旋渦，也就不會產(chǎn)生沖擊損失。通常的設計方法：是先由給定的參數(shù)Q、H和額定轉速，并對泵的效率進行假設，來確定葉輪的進口直徑，然后算出圓周速度、葉輪直徑的暫定值，并在確定速度和假定角后算出葉輪寬度。初步畫出葉輪的形狀和葉片進口邊的位置，此時應注意進口處葉輪壁的彎曲比較緩和，然后進行光滑的圓整。再利用試驗模擬調整葉輪的幾何參數(shù)，不斷優(yōu)化，提高水泵的性能。在設計過程中，了解決水泵運轉過程中的葉輪兩側壓力不等的問題（水泵的軸向推力決定于葉輪前后的壓力差和葉輪吸水口的環(huán)行面積，加上液體在葉輪進口處流動方向的改變（由軸向改為徑向，使液體的動量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生推力）。對離心的單級泵而言，可在葉輪靠近輪轂處鉆幾個小孔，讓漏流經(jīng)過這些孔眼返回葉輪里。這樣就可使葉輪前后兩側的壓力相等，從而平衡了軸向推力。實例分析：通過不斷的試驗分析葉輪的葉片形狀及進出口角的大小，設計出了如圖下所示的雙圓弧形葉輪，利用加工中心的柔性加工能力進行加工，試驗，修改參數(shù)，提高了泵的性能。流量由額定轉速的110L/min增加到210L/min，揚程由7米增加到11~12米。材質由鑄鐵的改選為PPS+20鋼（葉輪質量變輕，強度和表面的光潔性得到了大副的提高，減少了能量的損失）。
通過上述的分析，離心泵性能的提高，在于葉輪的幾何參數(shù)設計的合理性，即進水口斷面積的大小，及進水口安放角的大小，是影響離心泵的性能的重要因素，且流體動力值沿流線連續(xù)的變化條件并不是一成不變的，重要的是要有合理的過程設計，反復實驗，調整。泵的性能會有很大的提高。