本發(fā)明涉及泵體水利設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及多級離心泵的過渡流道結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

過渡流道主要適用于軸向剖分式多級離心泵，該種泵渦殼整體鑄造，轉(zhuǎn)子兩端支撐，泵體中心支撐，穩(wěn)定性好?？煽啃愿?，維護(hù)維修方便。軸向剖分式多級離心泵分為泵體和泵蓋上下兩部分，整體鑄造。過渡流道是液體在級間流動(dòng)的流道，過渡流道設(shè)計(jì)的好壞不僅決定了泵體的外形和可鑄造性，同時(shí)對泵的效率也有一定的影響。

過渡流道是指由第一級渦殼喉部通向下一級葉輪(相鄰或不相鄰)入口的流道，其作用是1.將一級壓水室出口引到另一級葉輪入口，液體流動(dòng)方向轉(zhuǎn)過180°或270°；2.以最小的水力損失將渦殼喉部的速度能轉(zhuǎn)換為壓力能；3.為下一級葉輪進(jìn)口提供均勻的速度場。目前按照過渡方式的不同一般分為短過渡流道和長過渡流道?，F(xiàn)有過渡流道的結(jié)構(gòu)有徑向擴(kuò)散和斜向擴(kuò)散兩種形式。徑向擴(kuò)散是過渡流道有一個(gè)擴(kuò)散斷面，該斷面位于葉輪中心線上，沿?cái)U(kuò)散流道渦殼圓周以一定的擴(kuò)散角擴(kuò)散到擴(kuò)散斷面后轉(zhuǎn)入下一級的吸入室。斜向擴(kuò)散是擴(kuò)散流道不沿渦殼圓周擴(kuò)散，而是斜著穿過泵體，直接轉(zhuǎn)入下一級吸水室。徑向擴(kuò)散過渡流道效率相對于斜向擴(kuò)散流道更高一些，但是外形尺寸更大，泵體結(jié)構(gòu)不緊湊。而斜向擴(kuò)散流道雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但水力效率降低，水泵汽蝕增加。

目前國內(nèi)軸向剖分式多級中開泵的過渡流道都采用長過渡流道與半螺旋形吸水室相結(jié)合的方式，這樣不僅使得泵體的外形尺寸過大，結(jié)構(gòu)不緊湊，而且使得泵的汽蝕余量增大，水力效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為更好的解決級間之間的流動(dòng)銜接，本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是：提供一種新型多級中開泵過渡流道結(jié)構(gòu)，徑向擴(kuò)散流道和斜向擴(kuò)散流道相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，減小了泵的外形尺寸，而且不影響泵的效率和氣蝕性能。

為解決所述的技術(shù)問題，使多級中開泵的過渡流道設(shè)計(jì)不僅能夠不影響泵的水力效率，而且使泵的結(jié)構(gòu)緊湊、外形更加美觀。本發(fā)明提供一種多級離心泵的過渡流道結(jié)構(gòu)，包括多級過渡流道拼接而成，每級過渡流道包括壓水室、擴(kuò)散彎管和吸水室，壓水室和吸水室連通，吸水室外側(cè)設(shè)有擴(kuò)散彎管；擴(kuò)散彎管的進(jìn)水口與同級壓水室連通，擴(kuò)散彎管的出水口與下一級吸水室連通，所述吸水室為螺旋形，擴(kuò)散彎管為環(huán)形。

所述擴(kuò)散彎管的圓弧角ф為180-270°。

所述吸水室基準(zhǔn)圓和壓水室基準(zhǔn)圓為同心布設(shè)。

所述環(huán)形的擴(kuò)散彎管的外緣由5-10段圓弧過度拼接而成。

所述擴(kuò)散彎管的截面的面積分為矩形斷面a1、三角形斷面a2和扇形斷面a3，a1為45-6500mm²、a2為40-4000mm²、a3為12-3600mm²。

一種多級離心泵的過渡流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

a、上級的壓水室斷面面積的計(jì)算

由葉輪入口處液體的軸面速度得到葉輪進(jìn)口的面積為通過吸水室軸面速度系數(shù)曲線得到螺旋形的吸入室斷面液體的流速為則其斷面的面積為其中kml表示軸面速度梯度，q表示實(shí)際流量，ki表示比轉(zhuǎn)速與軸面速度系數(shù)；

b、環(huán)形的擴(kuò)散彎管上任意角度處選取的截面面積ax的計(jì)算

其中φ為圓弧角；

c、環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ

環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積ax＝2(a1+a2+a3)，其中a1-矩形斷面面積、a2-三角形斷面面積、a3-扇形斷面面積；其中rφ為斷面外壁圓弧半徑、r0為斷面內(nèi)壁圓半徑、rx為斷面過渡圓弧、b0為下級吸入室喉部寬度、β為斷面擴(kuò)散角；

由三角關(guān)系可知則令

代入環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積公式整理得到b(rφ-r0)²+b0(rφ-r0)-ax＝0

解方程得到擴(kuò)散彎管斷面外壁所在半徑

d、復(fù)核環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積

根據(jù)流量q和揚(yáng)程h的極限工況通過步驟b和c公式測算出范圍值a1為45-6500mm²、a2為40-4000mm²、a3為12-3600mm²，a1-矩形斷面面積、a2-三角形斷面面積、a3-扇形斷面面積，使用上述范圍值復(fù)核步驟c中計(jì)算得出的斷面面積，復(fù)核相應(yīng)計(jì)算數(shù)值在以下范圍之內(nèi)計(jì)算數(shù)值準(zhǔn)確有效，否則重新修訂計(jì)算；

e、選取不同截面計(jì)算環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ

選取與步驟b、c不同斷面計(jì)算環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ，擴(kuò)散彎管的外緣由5-10段圓弧過度拼接而成，分別計(jì)算環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ，并使用步驟d復(fù)核環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積計(jì)算準(zhǔn)確性，最終得出環(huán)形的擴(kuò)散彎管各斷面尺寸完成設(shè)計(jì)。

所述步驟a中上級的壓水室斷面面積ai約等于步驟b中環(huán)形的擴(kuò)散彎管上任意角度處選取的截面面積ax。

本發(fā)明有益效果為：

1、采用多級過渡流道拼接而成，每級過渡流道包括壓水室、擴(kuò)散彎管和吸水室，壓水室和吸水室連通，吸水室外側(cè)設(shè)有擴(kuò)散彎管；擴(kuò)散彎管的進(jìn)水口與同級壓水室連通，擴(kuò)散彎管的出水口與下一級吸水室連通，所述吸水室為螺旋形，擴(kuò)散彎管為環(huán)形。采用環(huán)形擴(kuò)散彎管，過渡流道更加光滑且大幅縮短尺寸，使得泵體的結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度更好。另外在下一級葉輪入口之前加一個(gè)螺旋形的吸水室，使得流體的吸入性能更好，流速更均勻穩(wěn)定。

2、所述擴(kuò)散彎管的圓弧角ф為180-270°。采用環(huán)形擴(kuò)散彎管并加大圓弧角范圍，有助于大幅縮短尺寸。所述吸水室基準(zhǔn)圓和壓水室基準(zhǔn)圓為同心布設(shè)，多級間穩(wěn)定及振動(dòng)更小運(yùn)行更加穩(wěn)定。所述環(huán)形的擴(kuò)散彎管的外緣由5-10段圓弧過度拼接而成，更加流體的吸入性能更好，流速更均勻穩(wěn)定，流道更加光滑且磨損降低，使用壽命增大。

3、如圖1所示當(dāng)已知斷面的面積時(shí)就可以由以上公式計(jì)算出相應(yīng)的rφ、rx、β，從而繪制出各斷面的形狀。當(dāng)液體流經(jīng)f-f斷面時(shí)，速度達(dá)到壓出室斷面的設(shè)計(jì)速度，斷面面積應(yīng)和由擴(kuò)散彎管任意截面處公式算得的面積無限的接近，保證性能的前提下使得流道光滑過渡，結(jié)構(gòu)形式采用徑向擴(kuò)散和斜向擴(kuò)散相結(jié)合的形式。吸水室是指葉輪入口前的一段流道，吸入室應(yīng)保證葉輪入口前液流分布均勻，符合流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并盡可能小的減小吸水室中的水力損失。結(jié)構(gòu)形式采用全螺旋形吸水室相比于半螺旋形和環(huán)形吸入室、螺旋形吸入室具有吸入性能更好，液體流速更穩(wěn)定均勻的優(yōu)點(diǎn)。

4、現(xiàn)有技術(shù)《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)》中僅公開徑向擴(kuò)散和斜向擴(kuò)散兩種方式，由于本發(fā)明增設(shè)了環(huán)形擴(kuò)散彎管，現(xiàn)有技術(shù)中沒有公開相應(yīng)設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使用現(xiàn)有公式計(jì)算的環(huán)形擴(kuò)散彎管的數(shù)據(jù)并加工的泵體不符合使用要求，且大幅增加設(shè)計(jì)開發(fā)難度。實(shí)踐中由于使用工況不同直接導(dǎo)致采用現(xiàn)有技術(shù)幾乎無法準(zhǔn)確得出環(huán)形擴(kuò)散彎管的數(shù)據(jù)，并且沒有設(shè)計(jì)和參照依據(jù)，導(dǎo)致開發(fā)人員無法預(yù)估泵體使用效果，本案通過泵體使用工況限定流量q和揚(yáng)程h，通過設(shè)定極限工況的方式測算出各面積極限范圍值，通過極限范圍值預(yù)估計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)而明確設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。同時(shí)將擴(kuò)散彎管的外緣由5-10段圓弧過度拼接而成，選取不同截面計(jì)算環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面，進(jìn)一步縮小設(shè)計(jì)誤差提高使用效果。

綜上所述本發(fā)明提供的一種離心泵的過渡流道結(jié)構(gòu)，由環(huán)形擴(kuò)散彎管和螺旋形吸水室組成，其中環(huán)形擴(kuò)散彎管結(jié)合了徑向擴(kuò)散和斜向擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)，將前一級壓出室喉部與下一級吸水室合理對接，縮短了過渡流道的長度，使得泵的結(jié)構(gòu)更加緊湊，外形尺寸更小，強(qiáng)度更好；而螺旋形吸水室使得環(huán)形擴(kuò)散彎管與上級壓水室、下級吸水室光滑過渡，液體的流動(dòng)更加均勻穩(wěn)定，提升了泵的吸入效果，降低了泵的氣蝕現(xiàn)象，并使得進(jìn)入下級葉輪的液體更符合流動(dòng)規(guī)律，減小了旋轉(zhuǎn)葉片和靜止部件互相干擾所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，降低了機(jī)組的噪聲和振動(dòng)。以葉輪入口的液體的速度為基準(zhǔn)進(jìn)行整個(gè)過渡流道過流斷面面積的計(jì)算，從而得到各個(gè)斷面的形狀。該方法符合流體流動(dòng)規(guī)律，計(jì)算過程簡單，可以精準(zhǔn)地控制上級壓水室斷面到下級吸水室截面的面積，保證整個(gè)軸向剖分式多級離心泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為下級吸入室喉部軸面速度系數(shù)曲線；

圖3為環(huán)形擴(kuò)散彎管的截面圖。

具體實(shí)施方式

一種多級離心泵的過渡流道結(jié)構(gòu)，包括多級過渡流道拼接而成，每級過渡流道包括壓水室1、擴(kuò)散彎管2和吸水室3，壓水室1和吸水室3連通，吸水室3外側(cè)設(shè)有擴(kuò)散彎管2；擴(kuò)散彎管2的進(jìn)水口與同級壓水室1連通，擴(kuò)散彎管3的出水口與下一級吸水室3連通，所述吸水室3為螺旋形，擴(kuò)散彎管3為環(huán)形。所述擴(kuò)散彎管3的圓弧角ф為180-270°。所述吸水室基準(zhǔn)圓4和壓水室基準(zhǔn)圓5為同心布設(shè)。所述環(huán)形的擴(kuò)散彎管3的外緣由5-10段圓弧過度拼接而成。所述擴(kuò)散彎管3的截面的面積分為矩形斷面a1、三角形斷面a2和扇形斷面a3，a1為45-6500mm²、a2為40-4000mm²、a3為12-3600mm²。

一種多級離心泵的過渡流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

a、上級的壓水室斷面面積的計(jì)算

由葉輪入口處液體的軸面速度得到葉輪進(jìn)口的面積為通過吸水室軸面速度系數(shù)曲線得到螺旋形的吸入室斷面液體的流速為則其斷面的面積為其中kml表示軸面速度梯度，q表示實(shí)際流量，ki表示比轉(zhuǎn)速與軸面速度系數(shù)；

b、環(huán)形的擴(kuò)散彎管上任意角度處選取的截面面積ax的計(jì)算

其中φ為圓弧角；

c、環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ

環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積ax＝2(a1+a2+a3)，其中a1-矩形斷面面積、a2-三角形斷面面積、a3-扇形斷面面積；其中rφ為斷面外壁圓弧半徑、r0為斷面內(nèi)壁圓半徑、rx為斷面過渡圓弧、b0為下級吸入室喉部寬度、β為斷面擴(kuò)散角；

由三角關(guān)系可知則令

代入環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積公式整理得到b(rφ-r0)²+b0(rφ-r0)-ax＝0

解方程得到擴(kuò)散彎管斷面外壁所在半徑

d、復(fù)核環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積

根據(jù)流量q和揚(yáng)程h的極限工況通過步驟b和c公式測算出范圍值a1為45-6500mm²、a2為40-4000mm²、a3為12-3600mm²，a1-矩形斷面面積、a2-三角形斷面面積、a3-扇形斷面面積，使用上述范圍值復(fù)核步驟c中計(jì)算得出的斷面面積，復(fù)核相應(yīng)計(jì)算數(shù)值在以下范圍之內(nèi)計(jì)算數(shù)值準(zhǔn)確有效，否則重新修訂計(jì)算；

e、選取不同截面計(jì)算環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ

選取與步驟b、c不同斷面計(jì)算環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ，擴(kuò)散彎管的外緣由5-10段圓弧過度拼接而成，分別計(jì)算環(huán)形的擴(kuò)散彎管截面外壁圓弧半徑rφ，并使用步驟d復(fù)核環(huán)形的擴(kuò)散彎管任意截面的面積計(jì)算準(zhǔn)確性，最終得出環(huán)形的擴(kuò)散彎管各斷面尺寸完成設(shè)計(jì)。

所述步驟a中上級的壓水室斷面面積ai約等于步驟b中環(huán)形的擴(kuò)散彎管上任意角度處選取的截面面積ax。