專利名稱：多級(jí)電動(dòng)泵組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水力機(jī)械，特別是一種由多級(jí)離心泵和與泵直接連接的電動(dòng)機(jī)組成的多級(jí)電動(dòng)泵組。
背景技術(shù)：
多級(jí)電動(dòng)泵組是由多級(jí)離心泵組成的水力機(jī)械，其電動(dòng)機(jī)直接與泵元件連接。
主要水力元件是葉輪和擴(kuò)壓器。葉輪是每臺(tái)泵的關(guān)鍵性元件(它將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成壓力)，雖然泵體或擴(kuò)壓器也很重要，據(jù)認(rèn)為它能將流體從葉輪出口改向進(jìn)入下一葉輪入口，從而恢復(fù)靜壓，當(dāng)要求的水頭很高，需要將各葉輪串聯(lián)排列，因而命名為凈水多級(jí)機(jī)組。
對(duì)電動(dòng)泵的要求是有最高效率，而如果葉輪和擴(kuò)壓器有最高效率則就能達(dá)到這個(gè)要求。
近代電動(dòng)泵效率額定值通常是輸入電動(dòng)泵總功的75％-85％。
內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種多級(jí)電動(dòng)泵組，使泵工作穩(wěn)定，不發(fā)生氣蝕紊流，并超過近代電動(dòng)泵效率。
本發(fā)明人已想到以下幾點(diǎn)是主要的即泵工作穩(wěn)定，不發(fā)生氣蝕紊流，葉輪與擴(kuò)壓器葉片的彎曲段和非彎曲段使流體理想地被引導(dǎo)，及此液流正確的遵循葉片的方向。
本申請(qǐng)人已研制出一種多級(jí)電動(dòng)泵組，它由多級(jí)離心泵和與泵直接連接的電動(dòng)機(jī)組成，其中泵的各級(jí)均由葉輪和擴(kuò)壓器組成，他們的通道分有葉片段和無葉片段，這些區(qū)段被限制在輪蓋表面和輪轂表面之間，表面各點(diǎn)切線角是β角，它是特征參數(shù)，因?yàn)槿粼O(shè)電動(dòng)泵的Y軸為縱坐標(biāo)，X軸為橫坐標(biāo)，流率在2500-8000l/min之間，則葉輪與擴(kuò)壓段表面符合以下的六階多項(xiàng)式Y(jié)＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，對(duì)擴(kuò)壓器而言
a).輪轂無葉片區(qū)A＝B＝C＝D＝E＝0，F(xiàn)＝0.6605，G＝20.45；b).輪蓋無葉片區(qū)A＝B＝C＝D＝E＝0，F(xiàn)＝0.7225，G＝55.648；c).輪轂有葉片區(qū)A＝9E-09，B＝7E-06，C＝-0.0019，D＝0.3064，E＝-26.923，F(xiàn)＝1256.3，G＝-24283；d).輪蓋有葉片區(qū)A＝1E-10，B＝-9E-08，C＝2E-05，D＝-0.0033，E＝0.2349，F(xiàn)＝-7.616，G＝174.28；e).輪轂無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝-1E-05，D＝0.0073，E＝-1.7542，F(xiàn)＝186.27，G＝-7311.6；f).輪蓋無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝0，D＝0.0053，E＝-2.6745，F(xiàn)＝446.37，-G＝24717；g).輪轂βA＝0，B＝0，C＝1E-06，D＝-0.0002，E＝0.0203，F(xiàn)＝-1.0819，G＝156.82；h).輪蓋βA＝0，B＝0，C＝3E-07，D＝-1E-04，E＝0.0101，F(xiàn)＝-0.7587，G＝175。
在不同流率情況下，葉輪的多項(xiàng)式常數(shù)改變。
用了電動(dòng)泵元件的這些幾何特征，這種電動(dòng)泵的效率遠(yuǎn)高于目前已有的效率，增加多達(dá)14％，這在這類機(jī)械中是罕見的。
在傳統(tǒng)工藝中，葉輪和擴(kuò)壓器都是鑄件，因此幾何形狀/曲線的精度都會(huì)受到影響，二者的特性曲線難以做到且特殊。
本發(fā)明中，一旦推導(dǎo)出上述多項(xiàng)式，加工中心即得能精確編程使實(shí)際幾何形狀與理論形狀的偏差減小，因此實(shí)際效率與理論效率的差別很小。


為了更好的理解本發(fā)明的目的附上說明圖。
圖1是流體f的入口a處的渦流旋渦表示。
圖2是葉輪通道壁面流體邊界層表示。
圖3是進(jìn)入葉輪葉片的流體的表示。
圖4是葉輪與擴(kuò)壓器無葉片部分、無葉片擴(kuò)壓器之間連接關(guān)系的表示。
圖5是葉輪幾何形狀與流道的橫截面及坐標(biāo)圖。
圖6是擴(kuò)壓段幾何形狀與流道的橫截面及坐標(biāo)圖。
圖7是輪蓋T與輪轂C的β-M％圖。
具體實(shí)施例方式
使用的符號(hào)如下-A∈[2，3，5]這里指A屬于閉區(qū)間(包括了區(qū)間的端值)，此端值為2，3和5。換言之，A可以取2，3和5之間(包括這2個(gè)數(shù))的任何值。
-Q指流率，其單位是升/分(l/min)。
-平面(Z，R)是圖5和圖6中定義的平面；它由R坐標(biāo)(縱坐標(biāo))和Z坐標(biāo)(橫坐標(biāo))畫曲線(R和Z的單位是mm)。Z軸在曲線圖上與電動(dòng)泵回轉(zhuǎn)體的Y軸偏置。
-輪蓋與輪轂在圖上表示成曲線，不論是葉輪還是擴(kuò)壓器表體，這些曲線全是軸對(duì)稱的。
-β角度(圖3和7)。
葉片上一點(diǎn)的β角是葉片在該點(diǎn)切線的角度(切向)。
曲線圖(β，M％)為每一M％(葉片上走過距離的百分?jǐn)?shù)，因此，在葉片起點(diǎn)是0％，在葉片末端是100％)的β值。
-葉輪及/或擴(kuò)壓器通道。
這相當(dāng)于葉輪及/或擴(kuò)壓器的輪蓋與輪轂，兩相鄰葉片之間包圍的流體容積。
-“雙曲率”這是從葉片進(jìn)口邊到葉片出口邊切線坐標(biāo)的值。
給定β分布圖，則(輪蓋與輪轂的)入口處的“雙曲率“便設(shè)定，用于完全定義葉輪通道(擴(kuò)壓器也一樣)。
葉輪和擴(kuò)壓器的構(gòu)成元件如下輪蓋T這是泵流徑的最外流動(dòng)面。
葉片是葉輪、輪轂或定子伸出的具有空氣動(dòng)力形狀的表面(具有規(guī)定的厚度分布)且決定流動(dòng)路線，就旋轉(zhuǎn)葉片而言它是傳力給流體的主要因素。
輪轂C這是泵流徑的最外流動(dòng)面。
葉輪及/或擴(kuò)壓器非葉片的通道的壁便是輪蓋T和輪轂C。
一旦流體進(jìn)入葉輪通道，附面層開始發(fā)展到輪蓋與輪轂表面的整個(gè)葉片上，流動(dòng)的核心，至少在起初有遵循葉片通道流動(dòng)的傾向，因而可假定是均勻吸入流，如在吸入流中有任何畸變，則流動(dòng)核心的特征是從開始就有渦系存在，必須加以避免。
渦系(見圖1)是勢(shì)的例子，流線在其中繞一中心點(diǎn)回轉(zhuǎn)(即一使壓區(qū)，龍卷)，所以實(shí)際上中心速度為零，因此壓力最高。
與通道壁接觸之處(V＝0)，接近此壁的流體質(zhì)點(diǎn)的速度降下來，形成一層叫做附面層的流體層，在此層中流體質(zhì)點(diǎn)速度小于未受攏動(dòng)區(qū)域的速度。
U附面層＜U其他質(zhì)點(diǎn)式中U是質(zhì)點(diǎn)的總體速度。
δ定義為附面層cp的厚度(見圖2)，這是其速度約等于附面層外側(cè)速度的99％的各點(diǎn)幾何位置。
在流體在葉輪通道內(nèi)流動(dòng)的情況下，流體核心部分CF和附面層表面受到復(fù)雜的力量，形成復(fù)雜的流動(dòng)模型。附面層起初遵循自由流方向，但在流體在葉輪通道內(nèi)流動(dòng)的情況下附面層和流體核心部分受到整個(gè)通道力量的影響，正因?yàn)槿绱?，在流體核心部分發(fā)生二次流，它在輪蓋真空面附近，并在輪轂升壓區(qū)形成高動(dòng)量的流動(dòng)。
通常，二次流被認(rèn)為是粘性效應(yīng)為主的流動(dòng)，反之，一次流被認(rèn)為是動(dòng)力效應(yīng)為主的流動(dòng)。
總特征是，可以確定，一次流和二次流都遵守守恒方程(該方程和邊界條件一起決定流體通過導(dǎo)管動(dòng)時(shí)是處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)還是不變狀態(tài))
泵級(jí)的基本流體動(dòng)力學(xué)特征可應(yīng)用以下原理詳細(xì)研究每一部件及其基本速度三角形做介紹，這些原理是1)第一原理是質(zhì)量守恒原理。
2)角坐標(biāo)系統(tǒng)的牛頓運(yùn)動(dòng)方程。
3)渦輪機(jī)械的歐控方程，該方程簡(jiǎn)要說明增量等于角動(dòng)量的變化。應(yīng)用這些原理可研究流量各點(diǎn)的速度三角形。
最重要之點(diǎn)是葉輪的葉片(2)之間的入口1，主要參數(shù)示于圖3。
由此看出，以徑向速度Cm吸入葉輪入口的相同流體可有多種進(jìn)口流態(tài)。
可見流體隨泵工作輪從圓周速度U＝2.π.r.N運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以下基本原理繪制速度三角形。
相對(duì)速度+葉輪速度＝絕對(duì)速度對(duì)于葉輪吸入流，Co＝0(流體以理想狀態(tài)吸入葉輪)的情況而言，相對(duì)流動(dòng)角由入口徑向速度(由質(zhì)量流量和密度變量控制)及葉輪當(dāng)?shù)厮俣萓確定，所得相對(duì)流角為β。
如果β等于葉片角，則流體準(zhǔn)確遵循葉片方向流動(dòng)，但在不同情況下，該角度可能大于或小于葉片角，因此，流動(dòng)會(huì)有一定沖角，當(dāng)有任何預(yù)旋時(shí)(水在進(jìn)葉輪前轉(zhuǎn)動(dòng))不管與電機(jī)軸是同轉(zhuǎn)向還是反轉(zhuǎn)向，入口流態(tài)也會(huì)有很大改變。
以恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)口設(shè)計(jì)可獲得理想的葉輪入口。
通過既改變質(zhì)量流量又改變流通截面，相對(duì)速度W1t(葉輪進(jìn)口1對(duì)輪蓋的相對(duì)速度)最小，當(dāng)因進(jìn)口直徑而增加速度或流通面積增加時(shí)，U增加，如果流通截面縮小，意味著單位面積質(zhì)量流量及Cm的增加。
徑向速度分量Cm由質(zhì)量守恒方程決定，絕對(duì)流角是相對(duì)流角與葉輪速度的計(jì)算結(jié)果，實(shí)際上，出口液流角并不嚴(yán)格按葉片，而有一定差別，從切向速度觀點(diǎn)看，此差別叫做滑動(dòng)速度，由此可導(dǎo)出滑動(dòng)率。
對(duì)徑向葉片和曲葉而言，合成的絕對(duì)液流角α很大典型值是α＝50°-80°(徑向坐標(biāo))或α’＝10°-40°(切向坐標(biāo))。最常見的角度大小是α’＝15°-25°及α＝65°-75°。出口速度三角形是重要的，因?yàn)椴粌H可決定功值或壓力增加，而且可了解壓力波動(dòng)隨質(zhì)量流量而改變。
一旦工作條件規(guī)定且葉輪效率已知，則除了能很好估算滑動(dòng)系數(shù)外還可計(jì)算進(jìn)口到出口的流量，所得到的流量的特征是出口有大量的動(dòng)能和一定旋度。
如前所述效率將等熵功(等熵功＝可用來達(dá)到要求水頭的最小功)與實(shí)際功聯(lián)系起來，這是熱力學(xué)的嚴(yán)格定義。
為了能確定速度三角形，必須知道葉輪的效率，但作到這一點(diǎn)不簡(jiǎn)單。
下一步要考慮的是無葉片擴(kuò)壓器，即無葉片擴(kuò)壓器任何一點(diǎn)的出口流量。
根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，改變?yōu)槠骄髁棵枋龅穆肪€的半徑可將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成靜壓增量。
角動(dòng)量講的是葉輪輸出端與角動(dòng)量守恒定律一致的角動(dòng)量。事實(shí)上，部分角動(dòng)量在流量通過無葉片擴(kuò)壓段移動(dòng)時(shí)消失了，因此必須作較準(zhǔn)確計(jì)算來估計(jì)這種損失，可以說預(yù)期的角動(dòng)量可能損失5％-15％左右。
總體速度的徑向分量Cm可按質(zhì)量守恒方程(在密度比已知的情況下)準(zhǔn)確標(biāo)出，反之，液流角可將這二關(guān)系式結(jié)合起來確定，通過無葉片擴(kuò)壓段的液流角取決于通道寬度。
擴(kuò)壓段中必須遵守的流動(dòng)面積變化用作動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能增加的第二種方法。
擴(kuò)壓器作為不同部件之間的連接點(diǎn)，在調(diào)節(jié)流量和控制徑向推力方面也起重要作用。
無葉片擴(kuò)散段3(見圖4)主要由二平行壁4組成，形成一開口的環(huán)形徑向通道，從葉輪出口5上升到有效大半徑的某個(gè)界限，有時(shí)它后面是一渦殼式收集器，其它情況后面是一擴(kuò)壓器殼體，但有些擴(kuò)壓器沒有“凹壁”，在另外的情況下，在面積增加場(chǎng)合無用無葉片擴(kuò)壓段，這是作為進(jìn)入通道式擴(kuò)壓結(jié)構(gòu)的輸入系統(tǒng)的一部分。
葉輪和擴(kuò)壓殼體(有葉片)之間有無葉片擴(kuò)壓段，這樣有助于防止在擴(kuò)壓殼體的葉片和擴(kuò)壓器之間震動(dòng)波型的耦合，從而防止擴(kuò)壓殼體葉片進(jìn)口邊受力和因疲勞而失效。
還可應(yīng)用在葉輪后連續(xù)跟著的擴(kuò)壓殼體，其葉片緊接葉輪出口并延伸到下一級(jí)進(jìn)口。
考慮到這一切調(diào)節(jié)因素，本申請(qǐng)人已完成了大量有效的實(shí)驗(yàn)，并用計(jì)算流體力學(xué)CFD的方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)泵內(nèi)流通各點(diǎn)逐點(diǎn)求出最佳形狀，以便達(dá)到最佳效率。
在將這一幾何形狀表示在坐標(biāo)軸上，其中泵的Y軸是縱坐標(biāo)(Y≡R)及X≡Z是橫坐標(biāo)Y上的徑向坐標(biāo)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法到此幾何形狀，推導(dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)單方程，它與獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合，誤差范圍±3.5％。
此方程是多項(xiàng)式Y(jié)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，式中常數(shù)A，B，C，D，E，F(xiàn)和G必須針對(duì)流體流過的泵的各區(qū)尋找。
圖5是葉輪的流程圖和幾何形狀，葉軸由無葉片區(qū)6(來自入口的流體進(jìn)此區(qū))和有葉片區(qū)7(其中的流體流向擴(kuò)壓器)組成。圖中可見輪蓋T和輪轂C的二個(gè)端面。
圖6是殼體或擴(kuò)壓器的流程圖與幾何形狀，在本例中擴(kuò)壓器包括初始的無葉片區(qū)8(流體從葉輪出口進(jìn)入其中)，有葉片區(qū)9，和第二無葉片區(qū)10，將流體改變方向進(jìn)入下一級(jí)葉輪。
已作研究的流率Q的范圍為2500-8000立升/分。
在已完成的實(shí)驗(yàn)中，本申請(qǐng)人認(rèn)為，為了達(dá)到最佳效率，電動(dòng)泵的主要部件是泵體擴(kuò)壓段，因此它保持不變，而當(dāng)流率Q的范圍發(fā)生變化時(shí)可行的是修改葉輪，為此，對(duì)所述的多項(xiàng)式而言第一種葉輪適用流率Q1而范圍是2500-6000立升/分，第二種葉輪適用流率Q2的范圍是4500-8000立升/分。
該式為Y＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G

其中I葉輪D殼體或擴(kuò)壓器A有葉片區(qū)NA無葉片區(qū)T輪蓋
C輪轂ββ角在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)電動(dòng)泵的已知效率和對(duì)按適合所列多項(xiàng)式的元件的幾何形狀開發(fā)的樣機(jī)的效率作了多次測(cè)試。
作為例子，下面附上不同流率Q的13個(gè)測(cè)試結(jié)果，在這些例子中，所有新電動(dòng)泵采用同樣的殼體-擴(kuò)壓器，第一種葉輪的流率Q范圍是3250-5700升/分，第二種葉輪的流率Q2的范圍是5000-7000升/分。


權(quán)利要求
1，多級(jí)電動(dòng)泵組，它由多級(jí)離心泵和與泵有直接連接的電動(dòng)機(jī)組成，每一級(jí)包括泵，即葉輪和擴(kuò)壓器，它們的通道分有葉片區(qū)和無葉片區(qū)，這二個(gè)區(qū)的邊界是輪蓋表面和輪轂表面，β角是表面各點(diǎn)切線角，其特征在于，令電動(dòng)泵的Y軸為縱坐標(biāo)，X軸為橫坐標(biāo)，則對(duì)流量Q范圍為2500-8000升/分而言，葉輪和擴(kuò)壓器的表面各點(diǎn)符合六階多項(xiàng)式Y(jié)＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，其中在擴(kuò)壓器上a).輪轂無葉片區(qū)A＝B＝C＝D＝E＝0，F(xiàn)＝0.6605，G＝20.45；b).輪蓋無葉片區(qū)A＝B＝C＝D＝E＝0，F(xiàn)＝0.7225，G＝55.648；c).輪轂有葉片區(qū)A＝9E-09，B＝7E-06，C＝-0.0019，D＝0.3064，E＝-26.923，F(xiàn)＝1256.3，G＝-24283；d).輪蓋有葉片區(qū)A＝1E-10，B＝-9E-08，C＝2E-05，D＝-0.0033，E＝0.2349，F(xiàn)＝-7.616，G＝174.28；e).輪轂無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝-1E-05，D＝0.0073，E＝-1.7542，F(xiàn)＝186.27，G＝-7311.6；f).輪蓋無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝0，D＝0.0053，E＝-2.6745，F(xiàn)＝446.37，-G＝24717；g).輪轂βA＝0，B＝0，C＝1E-06，D＝-0.0002，E＝0.0203，F(xiàn)＝-1.0819，G＝156.82；h).輪蓋βA＝0，B＝0，C＝3E-07，D＝-1E-04，E＝0.0101，F(xiàn)＝-0.7587，G＝175。
2，根據(jù)上述權(quán)利要求所述的多級(jí)電動(dòng)泵，其特征在于，葉輪上a1).輪轂無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝0，D＝6E-05，E＝0.0014，F(xiàn)＝-0.0146，G＝27.511；b1).輪蓋無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝0，D＝0，E＝0，F(xiàn)＝0，G＝64.5；c1).輪轂有葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝5E-06，D＝-0.0014，E＝0.1535，F(xiàn)＝-6.3821，G＝121.24；d1).輪蓋有葉片區(qū)A＝-4E-08，B＝8E-06，C＝-0.0006，D＝0.0247，E＝-0.4771，F(xiàn)＝4.3023，G＝50.015；e1).輪轂βA＝0，B＝3E-09，C＝-9E-07，D＝0.0001，E＝-0.0042，F(xiàn)＝-0.0915，G＝34.402；f1).輪蓋βA＝0，B＝1E-09，C＝-5E-07，D＝6E-05，E＝-0.0044，F(xiàn)＝0.1822，G＝22.2
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)電動(dòng)泵，其特征在于，葉輪上a2).輪轂無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝0，D＝5E-05，E＝0.0013，F(xiàn)＝-0.0139，G＝27.511b2).輪蓋無葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝0，D＝0，E＝0，F(xiàn)＝0，G＝64.5c2).輪轂有葉片區(qū)A＝0，B＝0，C＝5E-06，D＝--0.0012，E＝0.1205，F(xiàn)＝--4.7599，G＝93.614；d2).輪蓋有葉片區(qū)A＝-0，B＝7E-07，C＝-0.0001，D＝0.0058，E＝-0.113，F(xiàn)＝0.8709，G＝62.273；e2).輪轂βA＝0，B＝0，C＝9E-08，D＝-3E-05，E＝0.0002，F(xiàn)＝0.0246，G＝41.062f2).輪蓋βA＝0，B＝0，C＝-6E-07，D＝0.0001，E＝-0.0126，F(xiàn)＝0.5887，G＝23.694。
全文摘要
多級(jí)電動(dòng)泵組，它由多級(jí)離心泵及與泵直接連接的電動(dòng)機(jī)組成，每一級(jí)包括泵，即葉輪和擴(kuò)壓器，這二元件的通道有分葉片區(qū)和無葉片區(qū)，這些區(qū)的邊界是輪蓋表面和輪轂表面，β角是表面各點(diǎn)切線角，其特征在于，令電動(dòng)泵的Y軸為徑向坐標(biāo)，X軸為橫向坐標(biāo)，則對(duì)流量Q范圍為2500－8000升/分而言，葉輪和擴(kuò)壓器表面各點(diǎn)符合六階多項(xiàng)式，Y＝f(x)＝AX
文檔編號(hào)F04D29/44GK1530555SQ20031011344
公開日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2003年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月13日
發(fā)明者西爾維婭·杜蘭阿維拉, 瑪麗亞埃萊娜·羅德里格斯埃納德斯, 埃萊娜 羅德里格斯埃納德斯, 西爾維婭 杜蘭阿維拉 申請(qǐng)人:因達(dá)爾·馬基納斯·希德爾奧利卡斯有限公司, 因達(dá)爾 馬基納斯 希德爾奧利卡斯有