□李 猛 □于樹陽 □韋 雪 □馬雪峰 □沙承卓

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司沈陽110869

錐形增螺距誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)

□李 猛 □于樹陽 □韋 雪 □馬雪峰 □沙承卓

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司沈陽110869

結(jié)合冷凝泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，論述了錐形增螺距誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)過程，通過選取合適參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，有效提高了泵的抗汽蝕性能，在離心泵誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)方面具有實(shí)用價(jià)值。

誘導(dǎo)輪是泵結(jié)構(gòu)的一部分，安裝于泵主葉輪之前。誘導(dǎo)輪屬于軸流式葉輪，具有軸流式葉輪的汽蝕特性，能夠有效地提高泵的抗汽蝕性能。錐形誘導(dǎo)輪可以設(shè)計(jì)成外緣與輪轂都有一定錐度的型式，但因冷凝泵誘導(dǎo)輪為穿軸結(jié)構(gòu)，輪轂有錐度對(duì)性能不利，因此只討論外緣有錐度的設(shè)計(jì),如圖1所示。

圖1 錐形誘導(dǎo)輪外形圖

由于誘導(dǎo)輪外緣有錐度，離心輪進(jìn)口直徑可以在滿足汽蝕性能的前提下設(shè)計(jì)得較小。同時(shí)，錐形誘導(dǎo)輪室有利于消除二次回流，減小漩渦損失，保證泵有較高效率。

誘導(dǎo)輪翼形按增螺距設(shè)計(jì)，可以保證翼形具有較小進(jìn)口角和較大出口角，這樣既可保證誘導(dǎo)輪所需的汽蝕性能，又能對(duì)離心輪增壓，有利于提高離心輪抗汽蝕能力。

經(jīng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)證明，錐形增螺距誘導(dǎo)輪相比圓柱形等螺距誘導(dǎo)輪具有較高的效率水平和足夠的抗汽蝕性能，并且泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)和噪聲都較小。

目前水泵行業(yè)應(yīng)用此方法設(shè)計(jì)的帶有誘導(dǎo)輪的冷凝泵有12NL125、7LDTN、8LDTN、9LDTN等型號(hào)。這些泵的誘導(dǎo)輪與葉輪配合汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C值可達(dá)1450～1 800。

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1-8]，并根據(jù)泵的主要技術(shù)參數(shù)來設(shè)計(jì)誘導(dǎo)輪。泵的主要技術(shù)參數(shù)包括Q、H、Δh、n。其中：Q為泵的額定流量，m3/s；H為額定流量時(shí)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，m；Δh為允許汽蝕余量，m；n為泵轉(zhuǎn)速，r/min。

1.1 確定誘導(dǎo)輪計(jì)算流量Qy0[9]

式中：qy0為誘導(dǎo)輪漏損量，m3/s，一般qy0=0.032Q；q為密封漏損量，m3/s，一般q=0.18Q。

1.2 確定誘導(dǎo)輪外緣平均直徑Dy

式中：Dy1為輪緣進(jìn)口直徑，m；Dy2為輪緣出口直徑, m；因數(shù)（6.0～6.6）、（5.0～5.6）在滿足汽蝕余量要求時(shí)可取小值，以保證泵具有較高效率，在汽蝕性能要求佳時(shí)，宜取大值。

1.3 確定輪緣半錐角γy及輪轂直徑dh

式中：hy為輪緣軸向長(zhǎng)度，m；SL為輪緣長(zhǎng)徑比，一般SL=0.3～0.6。

輪緣半錐角γy一般取15°。

輪轂直徑dh為：

計(jì)算出的輪轂直徑dh應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的要求。

核算誘導(dǎo)輪的出口折引直徑因數(shù)K0。

K0值應(yīng)在5～5.6之間，若相差太大，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整上述進(jìn)口參數(shù)。

1.4 計(jì)算流速、液流角

錐形增螺距誘導(dǎo)輪進(jìn)、出口速度三角形如圖2、圖3所示。

圖2 錐形增螺距誘導(dǎo)輪進(jìn)口速度三角形

圖3 錐形增螺距誘導(dǎo)輪出口速度三角形

進(jìn)口液流軸向流速Vm1為：

出口液流軸向流速Vm2為：

進(jìn)口平均有效直徑d1為：

出口平均有效直徑d2為：

進(jìn)口平均有效直徑的圓周速度u1為：

出口平均有效直徑的圓周速度u2為：

誘導(dǎo)輪外緣平均直徑Dy處圓周速度uy為：

誘導(dǎo)輪揚(yáng)程Hy0為：

式中:ψ為揚(yáng)程因數(shù)，一般ψ=0.06～0.15；g為重力加速度，m/s2。

出口平均有效直徑的絕對(duì)速度圓周分量Vu2為：

進(jìn)口平均有效直徑的相對(duì)流速w1為：

進(jìn)口平均有效直徑的相對(duì)液流角β1為：

出口平均有效直徑的絕對(duì)流速V2為：

出口平均有效直徑絕對(duì)流速的液流角α2為：

出口平均有效直徑相對(duì)流速w2為：

出口平均有效直徑的相對(duì)液流角β2為：

1.5 估算進(jìn)口葉片安放角βy1′、βh1′及汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Cy0

進(jìn)口輪緣圓周速度uy1為：

進(jìn)口輪緣相對(duì)液流角βy1為：

進(jìn)口輪緣葉片安放角βy1′為：

式中：Δβy1為輪緣進(jìn)口沖角，一般Δβy1=2～4°。

進(jìn)口輪轂葉片安放角βh1′為：

汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Cy0為:

1.6 確定出口葉片安放角β2′、βy2′、βh2′

出口平均有效直徑d2處的葉片安放角β2′：

式中：Δβ2′為出口液流偏流角，一般Δβ2=1～3°。

出口輪緣葉片安放角βy2′為：

出口輪轂葉片安放角βh2′為：

1.7 計(jì)算輪緣斷面葉片節(jié)距ty、葉片弦長(zhǎng)Ly、葉柵疏密度St

輪緣葉片節(jié)距ty為：

式中：Z為葉片數(shù)，一般Z=2～5。

輪緣葉片弦長(zhǎng)Ly為：

輪緣葉柵疏密度St為：

St一般為1.5～3。

1.8 計(jì)算葉片頭部修圓半徑ρ與葉片包角ψy、ψh

葉片頭部修圓半徑ρ為：

修圓后輪轂包角增加Δψ，由圖實(shí)際量出錐形輪緣折引導(dǎo)程hyt為：

輪緣葉片包角ψy為：

輪轂葉片包角ψh為:

輪轂葉片軸向長(zhǎng)度hh為：

輪轂葉形弦長(zhǎng)Lh為：

由上述計(jì)算結(jié)果繪制出誘導(dǎo)輪外形圖。

1.9 翼型加厚

輪轂翼型最大厚度ymax為[10]：

外緣翼型最大厚度由鑄造工藝確定，盡量取較薄的值。以葉片進(jìn)出口安放角、軸向長(zhǎng)度、弦長(zhǎng)為基本參數(shù)，中間圓滑連接繪制出葉片工作面展開圖，按翼型厚度分布規(guī)律在翼型背面單面加厚，繪制出翼型展開圖。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

以12NL125型誘導(dǎo)輪為例。設(shè)計(jì)要求為：Q= 0.088 9 m3/s，H=125 m，n=1 480 r/min，Δh=1.8 m。2.1確定誘導(dǎo)輪計(jì)算流量Qy0

2.2 確定誘導(dǎo)輪外緣平均直徑Dy

輪緣進(jìn)口直徑Dy1為：

取Dy1=0.25 m。

輪緣出口直徑Dy2為：

取Dy2=0.215 m。

誘導(dǎo)輪外緣平均直徑Dy為：

2.3 確定誘導(dǎo)輪外緣進(jìn)出口直徑Dy1、Dy2，輪緣半錐

角γy及輪轂直徑dh

輪緣軸向長(zhǎng)度hy為：

取γy=15°，輪緣進(jìn)口直徑Dy1為：

輪緣出口直徑Dy2為：

經(jīng)圓整后，Dy1=0.25 m，Dy2=0.213 m。

輪轂直徑dh為：

經(jīng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度核算，滿足要求。

核算誘導(dǎo)論的出口折引直徑因數(shù)K0：

2.4 計(jì)算流速、液流角

進(jìn)口液流軸向流速Vm1為：

出口液流軸向流速Vm2為：

出口平均有效直徑d1為：

出口平均有效直徑d2為：

進(jìn)口平均有效直徑的圓周速度u1為：

出口平均有效直徑的圓周速度u2為：

誘導(dǎo)輪外緣平均直徑Dy處圓周速度uy為：

誘導(dǎo)輪揚(yáng)程Hy0為：

出口平均有效直徑的絕對(duì)速度圓周分量Vu2為：

進(jìn)口平均有效直徑的相對(duì)流速w1為：

進(jìn)口平均有效直徑的相對(duì)流動(dòng)角β1為：

出口平均有效直徑處的絕對(duì)流速V2：

出口平均有效直徑絕對(duì)流速的液流角α2為：

出口平均有效直徑的相對(duì)流速w2為：

出口平均有效直徑的相對(duì)液流角β2為：

=15.467°

由上述計(jì)算結(jié)果繪制出速度三角形，如圖4、圖5。

圖4 進(jìn)口速度三角形計(jì)算結(jié)果

圖5 出口速度三角形計(jì)算結(jié)果

2.5 估算進(jìn)口葉片安放角βy1、βh2及汽蝕比轉(zhuǎn)速Cy0進(jìn)口輪緣圓周速度uy1為：

uy1=πDy1n/60

=π×0.25×148 0/60

=19.37 m/s

進(jìn)口輪緣相對(duì)液流角βy1為：βy1=arctan（Vm1/uy1）

=arctan（2.08819.37

=6.15°

進(jìn)口輪緣葉片安放角βy1′為：

βy1′=βy1+Δβy1

=6.15°+3.85°

=10°

進(jìn)口輪轂葉片安放角βh1′為：

βh1′=arctan（Dy1/dhtanβy1′）

=arctan（0.25tan10°/0.075）

=30.45°=30°27’

進(jìn)口流量因數(shù)Φy1為：

Φy1=Vm1/uy1

=2.088/19.37

=0.107 8

輪轂比Sh為：

Sh=dh/Dy

=0.075/0.232

=0.323 276

汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Cy0為：

Cy0=886（1-2ψ2y1）3/4（1-Sh2）1/2/Φy1

=886（1-2×2.107 82）3/4（1-0.323 2762）1/2/0.107 8

=7 469

2.6 確定出口葉片安放角β2′、βy2′、βh2′出口平均有效直徑d2處的葉片安放角β2′為：

β2′=β2+Δβ2

=15.467°+1.833°

=17.3°

=17°18′

出口輪轂葉片安放角βh2′為：βh2′=arctan(d2/dhtanβ2′)

=arctan（0.159 7tan17.3°/0.075）

=33.55°=33°33′

出口輪緣葉片安放角βy2′為：βy2′=arctan(d2/Dy2tanβ2′)

=arctan(0.159 7tan17.3°/0.213)

=13.15°=13°9′

2.7 計(jì)算輪緣斷面葉片節(jié)距ty、葉片弦長(zhǎng)Ly、葉柵疏

密度St

輪緣葉片節(jié)距ty為：

ty=πDy/Z

=π×0.232/3

=0.243 m

輪緣葉片弦長(zhǎng)Ly為：

Ly=hy/sin[（βy1'+βy2'）/2]

=0.0696/sin[（10°+13.15°）/2] =0.348 m

輪緣葉柵疏密度St為：St=Ly/ty

=0.348/0.243

=1.43

2.8 計(jì)算葉片頭部修圓半徑ρ與葉片包角ψy、ψh葉片頭部修圓半徑ρ為：

ρ=0.32Dy1

=0.32×0.25

=0.08 m

修圓半徑的圓心在外緣進(jìn)口葉片頭部與誘導(dǎo)輪圓心的連線上。由上述參數(shù)作圖，量出修圓后輪轂包角增加Δψ=150°

錐形輪緣折引導(dǎo)程hyt為：

hyt=πDytan[（βy1'+βy2'）/2]

=π×0.232×tan[（10°+13.15°）/2

=0.149 5 m

輪轂葉片包角ψy為：

ψy=hy360°/hyt

=0.069 6×360°/0.149 5

=167.5°

=167°30′

輪轂葉片總包角ψh為：

ψh=ψy+Δψ

=167.5°+150°

=317.5°

輪轂葉片軸向長(zhǎng)度hh為：

hh=hytψh/360°

=0.149 5×317.5°/360°

=0.132 m

輪轂葉型弦長(zhǎng)Lh為：

Lh=hh/sin[（βh1'+βh2'）/2]

=0.132/sin[（30.45°+33.55°）/2]

=0.249 m

由上述計(jì)算結(jié)果繪制出誘導(dǎo)輪外形圖如圖6所示。

2.9 翼型加厚

輪轂翼型最大厚度ymax為：

ymax=（3%～4.5%）Lh

=（3%～4.5%）×0.249

=0.007 5～0.011 2 m

取ymax=9 mm。

外緣錐面上翼型在平均中徑φ231.5 mm圓柱面上投影展開圓周方向長(zhǎng)度hyu為：

hyu=Lycos[（βy1'+βy2'）/2]

=0.348×cos[（10°+13.15°）/2]

=0.341 m

沿φ75 mm輪轂翼型展開，圓周方向長(zhǎng)度hhu為：

hhu=Lhcos[（βh1'+βh2'）/2]

=0.249×cos[（30.45°+33.55°）/2]

=0.211 5 m

以計(jì)算得出的βy1'、βy2'、Ly、hyu、hy、βh1'、βh2'、hhu、hh繪制出外緣錐面翼型在平均中徑φ231.5 mm圓柱面上的投影展開圖，以及沿φ75 mm輪轂翼型的展開圖，如圖7所示，兩個(gè)展開圖中間圓滑過渡。按翼型厚度分布規(guī)律，計(jì)算出沿厚度分布，在背面加厚，按加厚點(diǎn)圓滑連接，繪制出翼型背面。

圖612 NL125誘導(dǎo)輪外形圖

2.10 與誘導(dǎo)輪匹配的離心輪設(shè)計(jì)

（1）確定離心輪進(jìn)口直徑D0。

離心輪進(jìn)口直徑D0為：

D0=Dy2

=0.213 m

（2）校核離心輪葉片進(jìn)口沖角Δβ。前蓋板葉片安放角βα1=17°，前蓋板葉片進(jìn)口沖角Δβα1為：

Δβα1=βα1+βy2′

=17°-13.15°

=3.85°

后蓋板葉片進(jìn)口安放角βb1=36.5°，

后蓋板葉片進(jìn)口沖角Δβb1為：

Δβb1=βb1-βh2′

=36.5°-33.55°

=2.95°

2.11 試驗(yàn)結(jié)果

誘導(dǎo)輪與匹配葉輪試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下：流量Q=0.088 9 m3/s，揚(yáng)程H=125 m，轉(zhuǎn)速n=148 0 r/min，效率η=74%，汽蝕余量Δh=1.6 m，汽蝕比轉(zhuǎn)速C=1 743，完全滿足該泵設(shè)計(jì)要求，證明設(shè)計(jì)方法是可靠、可行的。

圖7 翼形展開圖

3 結(jié)論

凝結(jié)水泵所輸送的是相應(yīng)于凝汽器壓力下的飽和水，在凝結(jié)水泵入口易發(fā)生汽化，所有對(duì)凝結(jié)水泵的抗汽蝕性能要求很高，本文對(duì)誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)實(shí)例計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明，選取合理的系數(shù)，基于文中的誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Combined with the structural characteristics of the condensate pump,discussed design process of the conical inducer with pitch extender.By selecting the appropriate parameters for design calculations,it is available to improve effectively the pump performance on cavitation resistance that has practical value in the design of the inducer for centrifugal pump.

錐形增螺距誘導(dǎo)輪；設(shè)計(jì)；性能

ConicalInducer with Pitch Extender；Design；Performance

TH31

A

1672-0555（2016）03-029-07

2016年1月

李猛（1983—），男，碩士，工程師，主要從事水泵設(shè)計(jì)工作