錐形增螺距誘導輪的設計

□李 猛 □于樹陽 □韋 雪 □馬雪峰 □沙承卓

沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司沈陽110869

錐形增螺距誘導輪的設計

□李 猛 □于樹陽 □韋 雪 □馬雪峰 □沙承卓

沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司沈陽110869

結合冷凝泵結構特點，論述了錐形增螺距誘導輪的設計過程，通過選取合適參數進行設計計算，有效提高了泵的抗汽蝕性能，在離心泵誘導輪設計方面具有實用價值。

誘導輪是泵結構的一部分，安裝于泵主葉輪之前。誘導輪屬于軸流式葉輪，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。錐形誘導輪可以設計成外緣與輪轂都有一定錐度的型式，但因冷凝泵誘導輪為穿軸結構，輪轂有錐度對性能不利，因此只討論外緣有錐度的設計,如圖1所示。

圖1 錐形誘導輪外形圖

由于誘導輪外緣有錐度，離心輪進口直徑可以在滿足汽蝕性能的前提下設計得較小。同時，錐形誘導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。

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

經實際運轉證明，錐形增螺距誘導輪相比圓柱形等螺距誘導輪具有較高的效率水平和足夠的抗汽蝕性能，并且泵運轉平穩，振動和噪聲都較小。

目前水泵行業應用此方法設計的帶有誘導輪的冷凝泵有12NL125、7LDTN、8LDTN、9LDTN等型號。這些泵的誘導輪與葉輪配合汽蝕比轉數C值可達1450～1 800。

1 設計要求

根據相關文獻[1-8]，并根據泵的主要技術參數來設計誘導輪。泵的主要技術參數包括Q、H、Δh、n。其中：Q為泵的額定流量，m3/s；H為額定流量時對應的揚程，m；Δh為允許汽蝕余量，m；n為泵轉速，r/min。

1.1 確定誘導輪計算流量Qy0[9]

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

1.2 確定誘導輪外緣平均直徑Dy

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

1.3 確定輪緣半錐角γy及輪轂直徑dh

式中：hy為輪緣軸向長度，m；SL為輪緣長徑比，一般SL=0.3～0.6。

輪緣半錐角γy一般取15°。

輪轂直徑dh為：

計算出的輪轂直徑dh應滿足結構與強度的要求。

核算誘導輪的出口折引直徑因數K0。

K0值應在5～5.6之間，若相差太大，應適當調整上述進口參數。

1.4 計算流速、液流角

錐形增螺距誘導輪進、出口速度三角形如圖2、圖3所示。

圖2 錐形增螺距誘導輪進口速度三角形

圖3 錐形增螺距誘導輪出口速度三角形

進口液流軸向流速Vm1為：

出口液流軸向流速Vm2為：

進口平均有效直徑d1為：

出口平均有效直徑d2為：

進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：

誘導輪外緣平均直徑Dy處圓周速度uy為：

誘導輪揚程Hy0為：

式中:ψ為揚程因數，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速度圓周分量Vu2為：

進口平均有效直徑的相對流速w1為：

進口平均有效直徑的相對液流角β1為：

出口平均有效直徑的絕對流速V2為：

出口平均有效直徑絕對流速的液流角α2為：

出口平均有效直徑相對流速w2為：

出口平均有效直徑的相對液流角β2為：

1.5 估算進口葉片安放角βy1′、βh1′及汽蝕比轉數Cy0

進口輪緣圓周速度uy1為：

進口輪緣相對液流角βy1為：

進口輪緣葉片安放角βy1′為：

式中：Δβy1為輪緣進口沖角，一般Δβy1=2～4°。

進口輪轂葉片安放角βh1′為：

汽蝕比轉數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 計算輪緣斷面葉片節距ty、葉片弦長Ly、葉柵疏密度St

輪緣葉片節距ty為：

式中：Z為葉片數，一般Z=2～5。

輪緣葉片弦長Ly為：

輪緣葉柵疏密度St為：

St一般為1.5～3。

1.8 計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，由圖實際量出錐形輪緣折引導程hyt為：

輪緣葉片包角ψy為：

輪轂葉片包角ψh為:

輪轂葉片軸向長度hh為：

輪轂葉形弦長Lh為：

由上述計算結果繪制出誘導輪外形圖。

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。以葉片進出口安放角、軸向長度、弦長為基本參數，中間圓滑連接繪制出葉片工作面展開圖，按翼型厚度分布規律在翼型背面單面加厚，繪制出翼型展開圖。

2 設計計算實例

以12NL125型誘導輪為例。設計要求為：Q= 0.088 9 m3/s，H=125 m，n=1 480 r/min，Δh=1.8 m。2.1確定誘導輪計算流量Qy0

2.2 確定誘導輪外緣平均直徑Dy

輪緣進口直徑Dy1為：

取Dy1=0.25 m。

輪緣出口直徑Dy2為：

取Dy2=0.215 m。

誘導輪外緣平均直徑Dy為：

2.3 確定誘導輪外緣進出口直徑Dy1、Dy2，輪緣半錐

角γy及輪轂直徑dh

輪緣軸向長度hy為：

取γy=15°，輪緣進口直徑Dy1為：

輪緣出口直徑Dy2為：

經圓整后，Dy1=0.25 m，Dy2=0.213 m。

輪轂直徑dh為：

經結構和強度核算，滿足要求。

核算誘導論的出口折引直徑因數K0：

2.4 計算流速、液流角

進口液流軸向流速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：

誘導輪外緣平均直徑Dy處圓周速度uy為：

誘導輪揚程Hy0為：

出口平均有效直徑的絕對速度圓周分量Vu2為：

進口平均有效直徑的相對流速w1為：

進口平均有效直徑的相對流動角β1為：

出口平均有效直徑處的絕對流速V2：

出口平均有效直徑絕對流速的液流角α2為：

出口平均有效直徑的相對流速w2為：

出口平均有效直徑的相對液流角β2為：

=15.467°

由上述計算結果繪制出速度三角形，如圖4、圖5。

圖4 進口速度三角形計算結果

圖5 出口速度三角形計算結果

2.5 估算進口葉片安放角βy1、βh2及汽蝕比轉速Cy0進口輪緣圓周速度uy1為：

uy1=πDy1n/60

=π×0.25×148 0/60

=19.37 m/s

進口輪緣相對液流角βy1為：βy1=arctan（Vm1/uy1）

=arctan（2.08819.37

=6.15°

進口輪緣葉片安放角βy1′為：

βy1′=βy1+Δβy1

=6.15°+3.85°

=10°

進口輪轂葉片安放角βh1′為：

βh1′=arctan（Dy1/dhtanβy1′）

=arctan（0.25tan10°/0.075）

=30.45°=30°27’

進口流量因數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

汽蝕比轉數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 計算輪緣斷面葉片節距ty、葉片弦長Ly、葉柵疏

密度St

輪緣葉片節距ty為：

ty=πDy/Z

=π×0.232/3

=0.243 m

輪緣葉片弦長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口葉片頭部與誘導輪圓心的連線上。由上述參數作圖，量出修圓后輪轂包角增加Δψ=150°

錐形輪緣折引導程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°

輪轂葉片軸向長度hh為：

hh=hytψh/360°

=0.149 5×317.5°/360°

=0.132 m

輪轂葉型弦長Lh為：

Lh=hh/sin[（βh1'+βh2'）/2]

=0.132/sin[（30.45°+33.55°）/2]

=0.249 m

由上述計算結果繪制出誘導輪外形圖如圖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，圓周方向長度hhu為：

hhu=Lhcos[（βh1'+βh2'）/2]

=0.249×cos[（30.45°+33.55°）/2]

=0.211 5 m

以計算得出的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，兩個展開圖中間圓滑過渡。按翼型厚度分布規律，計算出沿厚度分布，在背面加厚，按加厚點圓滑連接，繪制出翼型背面。

圖612 NL125誘導輪外形圖

2.10 與誘導輪匹配的離心輪設計

（1）確定離心輪進口直徑D0。

離心輪進口直徑D0為：

D0=Dy2

=0.213 m

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

Δβα1=βα1+βy2′

=17°-13.15°

=3.85°

后蓋板葉片進口安放角βb1=36.5°，

后蓋板葉片進口沖角Δβb1為：

Δβb1=βb1-βh2′

=36.5°-33.55°

=2.95°

2.11 試驗結果

誘導輪與匹配葉輪試驗的實測數據如下：流量Q=0.088 9 m3/s，揚程H=125 m，轉速n=148 0 r/min，效率η=74%，汽蝕余量Δh=1.6 m，汽蝕比轉速C=1 743，完全滿足該泵設計要求，證明設計方法是可靠、可行的。

圖7 翼形展開圖

3 結論

凝結水泵所輸送的是相應于凝汽器壓力下的飽和水，在凝結水泵入口易發生汽化，所有對凝結水泵的抗汽蝕性能要求很高，本文對誘導輪設計實例計算及試驗結果表明，選取合理的系數，基于文中的誘導輪的設計計算理論，能夠滿足工程設計要求，具有較高的實際應用價值。

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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.

錐形增螺距誘導輪；設計；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，主要從事水泵設計工作