本發(fā)明屬于泵設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種泥漿泵葉輪水力設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種扭曲三葉片泥漿泵葉輪的水力設(shè)計(jì)方法，主要是一種既有較大通過(guò)能力、耐磨損又能保證流量和效率的水力設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

泥泵是挖泥船的關(guān)鍵設(shè)備，它的施工效率不僅與其清水效率有關(guān)，也與輸送土質(zhì)特性息息相關(guān)，而泥泵的疏浚物中往往可能包含了大塊的礫石、粘土球乃至巖石塊，也可能存在各種廢棄物。針對(duì)特殊土質(zhì)時(shí)，泥泵關(guān)鍵部件不僅要求其水力損失小，而且流道應(yīng)順應(yīng)其運(yùn)行軌跡，減少磨損沖擊。

一般的挖泥船泥泵葉輪前后蓋板線為直線及小弧線，葉片為四葉片或是五葉片的圓弧柱形，致使泥漿在葉輪中的運(yùn)動(dòng)速度變化不均，流動(dòng)紊亂，泥漿中的大顆粒石塊對(duì)泥泵流道產(chǎn)生較大的沖擊，加劇了泥泵過(guò)流部件的磨損，且容易堵塞流道。泥泵的通過(guò)能力小、效率低、易磨損是制約疏浚施工的重要問(wèn)題。當(dāng)前挖泥泵葉輪的設(shè)計(jì)方法沒(méi)有充分考慮這種問(wèn)題，而且經(jīng)驗(yàn)參數(shù)多，取值隨意性大，致使設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)能力強(qiáng)、耐磨蝕、效率高的泵非常困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有挖泥泵葉輪易阻塞、易磨損以及效率低等問(wèn)題，且經(jīng)驗(yàn)參數(shù)多，取值隨意性大，過(guò)程繁冗的缺點(diǎn)，提供一種簡(jiǎn)單可行的高效耐磨三葉片葉輪的設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)盡量規(guī)避了傳統(tǒng)二元與一元設(shè)計(jì)方法中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、理想?yún)?shù)等中間變量較多的缺陷，針對(duì)三葉片泥泵葉輪，優(yōu)化了設(shè)計(jì)步驟，縮減了大量中間參數(shù)，提出一種設(shè)計(jì)者僅通過(guò)少量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)即可生成帶有三維扭曲葉片的葉輪，并具有通過(guò)能力強(qiáng)、耐磨損、效率高的優(yōu)勢(shì)，并良好適用于疏浚行業(yè)中泥沙漿體的抽吸、輸送工程。本設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)速度較快，精度較高。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

1根據(jù)設(shè)計(jì)流量Q、設(shè)計(jì)揚(yáng)程H、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n、泥漿泵經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等參數(shù)，按公式(1)-(5)初步確定進(jìn)口直徑D_j，出口直徑D₂，葉片出口厚度b₂，葉片進(jìn)口安裝角β₁，出口安裝角β₂等葉輪的主要參數(shù)(見(jiàn)圖2)。

D_j按下式計(jì)算：

式中Q為流量，單位為m³/h；n為轉(zhuǎn)速，單位為rpm；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，η為參考效率，下標(biāo)v表示容積。ψ為排擠系數(shù)，下標(biāo)為1(進(jìn)口邊位置)，2(出口邊位置)，下同。

D₂按下式計(jì)算：

式中n_s為比轉(zhuǎn)速。

b₂按下式計(jì)算：

或式中H為設(shè)計(jì)楊程，單位為m。

β₁按下式計(jì)算：

式中r為當(dāng)?shù)匕霃礁叨?，單位為m；F為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，單位為m²，其中

F＝2πR_cl (5)

Rc為前后蓋板流線的內(nèi)切圓重心半徑，單位為m；l為過(guò)水?dāng)嗝嫘纬删€AEB的長(zhǎng)度，單位為m，見(jiàn)圖2。

β₂按下式計(jì)算：

2按勢(shì)流理論確定沿葉高方向的中間流面，實(shí)現(xiàn)劃分沿葉高方向的中間流面：在中軸面進(jìn)出口處，采用過(guò)水?dāng)嗝婢址?即一元流動(dòng)理論)，在確定內(nèi)部等勢(shì)線上的流面劃分點(diǎn)時(shí)，根據(jù)公式(6)(即二元流動(dòng)理論)多次差值矯正后得到勢(shì)流理論流面。

式中s為流線方向，可近似為葉高方向；σ為相鄰軸面流線件等勢(shì)線長(zhǎng)度，單位為m。

3根據(jù)速度三角形理論確定流道中的流動(dòng)角度的適用范圍，并按公式(7)核實(shí)步驟1中的初始葉片角是否滿足設(shè)計(jì)需求，并根據(jù)以下渣漿泵公式(8)、(9)反復(fù)迭代并修正設(shè)計(jì)參數(shù)。

葉片角核實(shí)公式：

式中V為流道內(nèi)泥漿的參考速度，速度為m/s，下標(biāo)為u(周向)，m(法向)。

修正參數(shù)公式:

式中y為修正系數(shù)。

4根據(jù)修正后的葉片進(jìn)、出口安裝角，按均勻加載或后加載的原則，在各流面上繪制葉片單調(diào)骨線，并根據(jù)強(qiáng)度要求的葉片厚度生成葉片造型線。

式中θ為極角，單位為度；為包角，單位為度；k為隨包角變化的參數(shù)，其滿足關(guān)系式：

5結(jié)合多個(gè)葉高流面上的二維葉片造型線構(gòu)成三維扭曲葉片。在參考的進(jìn)出口排擠系數(shù)的同時(shí)，根據(jù)泥漿的物性，將曲面包角變換的流道內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果生成中間變量，使用二次流動(dòng)最小理論(即總壓力增加均勻分布，能量梯度G_E最小)為導(dǎo)向，以公式(13)確定葉片延葉高方向的最優(yōu)安裝位置。

式中P為當(dāng)?shù)仂o壓力，壓力為pa；N為流線法向方向長(zhǎng)度，單位為m，可近似為葉高方向；V為當(dāng)前速度標(biāo)量大小，單位為m/s。

一種葉輪，包括前蓋、后蓋和葉片組，它們相互之間的關(guān)系和各自功能已為公知，本發(fā)明創(chuàng)新在于，所述葉片組的構(gòu)成葉片數(shù)為三個(gè)，每個(gè)葉片呈三維扭曲，葉片間呈周向均勻分布，葉片與葉片之間夾角為120度，葉片進(jìn)口邊在同一個(gè)半徑線上，葉片厚度從進(jìn)口到出口均勻加厚，葉片厚度取值為50～120mm，葉片包角取值100°～170°。

附圖說(shuō)明

圖1是設(shè)計(jì)流程示意圖。

圖2是葉輪軸截面視圖、入口前視圖及主要參數(shù)的示意圖。

圖3為具體實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過(guò)以下幾個(gè)公式來(lái)確定1葉片進(jìn)口直徑D_j、2葉輪外徑D₂、3葉片出口寬度b₂、4葉片進(jìn)口安放角β₁、5出口安放角β₂、6包角7葉片厚度δ。

該實(shí)例如圖3所示，是在給定設(shè)計(jì)流量12000m^3/h、設(shè)計(jì)揚(yáng)程40m、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速330rpm、葉片數(shù)為3的前提下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定葉片厚度為80mm，計(jì)算葉輪參數(shù)：

a.計(jì)算進(jìn)口直徑

b.計(jì)算葉輪外徑

C.計(jì)算葉片出口寬度

d.計(jì)算葉片進(jìn)出口安放角

e.修正葉輪外徑、進(jìn)出口安放角

f.已知r_1a＝428mm，r_1b＝225mm，確定葉片包角和k值，生成前后蓋板的葉片型線，并均勻加厚80mm

g.優(yōu)化葉片

經(jīng)上述計(jì)算得到最終三維扭曲葉片，如圖3所示，其中葉片數(shù)為3，葉片與葉片之間成120度，進(jìn)口邊位置r_1a＝428mm，r_1b＝225mm，葉片進(jìn)口直徑D_j為850mm、葉輪外徑D₂為1720mm、葉片出口寬度b₂為360mm、葉片進(jìn)口安放角β₁為35度、葉片出口安放角β₂為18度、包角為164度、葉片均勻加厚的厚度δ為80mm。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的葉輪增強(qiáng)了疏浚物的輸送能力，降低了泥泵的磨損，在保證流量的情況下極大地提高了挖泥泵的水力效率，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

以上為本發(fā)明專利的具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，也包含本發(fā)明構(gòu)思范圍內(nèi)的其他實(shí)施例或變形例。