一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮及其设计方法

1.一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，离心泵包括初始叶轮，初始叶轮设有多个相同的沿圆周间隔均布的叶片，每个叶片呈圆弧形态从叶轮边缘延伸到靠近叶轮中心位置，其特征在于方法包括：
1)计算初始叶轮的叶片上各采样点的欧拉扬程梯度系数；
2)根据欧拉扬程梯度系数范围采用以下方式来判断是否流动失速：
当037/ω，且0.687/ω，且0.9若满足上述，则叶轮流动失速，进行下一步对初始叶轮进行调整，形成复合叶轮；
若不满足上述，则叶轮流动未失速，不对初始叶轮进行调整；
3)将叶轮中的一半叶片的总型线长度进行缩短形成短叶片，原有叶片作为长叶片，且使得长叶片和短叶片沿周向交替布置，对长叶片进行后加载处理得到长叶片载荷曲线，在短叶片的总加载载荷和长叶片的总加载载荷一致的情况下对短叶片进行前加载处理得到短叶片载荷曲线；通过调整短叶片的进口液流角和出口液流角，使得短叶片的总加载载荷和长叶片的总加载载荷一致；
将长叶片载荷曲线和短叶片载荷曲线作为输入条件，由叶片型线微分方程求得叶片参数，获得新叶片造型，计算叶片参数的基本依据是叶片型线微分方程，由以下叶片型线微分方程求得叶片几何参数：
其中，f为叶片包角，ω为叶轮的角速度，r为叶片上节点的半径，Vθ为节点的圆周分速度，υm为轴面速度，s为轴面流线长度，df为对叶片包角的全微分，ds为对轴面流线长度的全微分。
2.根据权利要求1所述的一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，其特征在于：所述1)的具体步骤为：
1.1)对已知参数的初始叶轮，将叶片沿型线分为若干等份段，每个等份段处建立一个采样点，并且所有采样点的序号从初始叶轮中心到外增大排序；
1.2)得到每个采样点绝对速度的圆周分量；
1.3)再采用以下公式得到每个采样点的欧拉扬程；
Hi＝υursω/g
其中，υu表示采样点的绝对速度的圆周分量，rs表示采样点到叶轮轴心的距离，g表示重力加速度，ω为叶轮角速度；
1.4)根据以下公式得到初始叶轮各个采样点的欧拉扬程梯度系数，进而得到初始叶轮的欧拉扬程梯度范围分布：
ki＝(Hi+1-Hi)/ωΔx
其中，ki表示第i个采样点的欧拉扬程梯度系数，Hi表示第i个采样点的欧拉扬程，Δx表示相邻两采样点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，其特征在于：所述3)中，叶片的总型线长度进行缩短形成短叶片，具体为：将叶片靠近叶轮边缘的一端保持不变，将叶片靠近叶轮中心的一端减短总型线长度的30％，使得短叶片的总型线长度变为长叶片的总型线长度的70％。
4.根据权利要求1所述的一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，其特征在于：对长叶片采取后加载方式处理拟合得到长叶片载荷曲线，进而计算长叶片载荷曲线与横坐标围成的面积；对短叶片，在长、短叶片的载荷曲线与横坐标围成的面积相等情况下，采取前加载方式处理得到短叶片载荷曲线。
5.根据权利要求1所述的一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，其特征在于：所述的初始叶轮上的叶片总数量为偶数个。
6.一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮，其特征在于：采用所述权利要求1-5任一方法制作而成。

一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮及其设计方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及了一种泵体叶轮结构及其设计方法，尤其是涉及一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，属于流体机械工程和动力工程领域。\n背景技术\n[0002] 作为通用机械，泵已经广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是在国防、水利、航天、石油化工等领域发挥着非常重要的作用。然而离心泵的运行过程中也存在着突出的问题，主要表现为汽蚀的危害和突出的压力脉动。汽蚀现象是由于在叶片入口附近流体流速较大，导致存在局部低压区造成的。可以通过采用短叶片的方式减小叶片进口排挤，从而减小入口流速来解决。突出的压力脉动是由于流道内部产生了流动分离、二次流等非均匀流动结构造成的，可以通过增加叶片数的方式来解决。在当今大化工、大石化等产业当中，离心泵的正常运行有力的保证了整个生产工艺的正常运行。一旦离心泵不能正常运转，后果将不堪设想。因此，研究如何同时避免汽蚀和压力脉动所带来的危害，对离心泵而言显得尤为重要。\n[0003] 国内外众多研究表明，分流短叶片可以提高离心泵的效率和抗汽蚀性能，防止流动失速的产生。这对离心泵的正常运转具有重要的意义。\n[0004] 目前常用扩压因子DF作为判断流动失速的依据。DF的表达式为：\n但是，该式判断叶轮流动失速比较\n繁琐，难度较大。因此需要简单有效的新判定准则来判断是否产生流动失速，以此来判定是否需要安装短叶片使流动更加稳定。\n[0005] 其次，当判定叶轮需要安装短叶片后，需要对复合叶轮进行设计。目前，复合叶轮常用的设计方法是基于欧拉方程的扬程系数设计法，如2011年浙江大学许斌杰发表的论文——半开式复合叶轮多级离心泵设计与性能预测方法的研究。该论文采用扬程系数设计法对复合叶轮进行设计，结果表明复合叶轮可以有效阻止叶轮中回流和脱流现象的产生，并能够明显提高扬程系数。但是，该方法设计的复合叶轮对离心泵汽蚀性能和压力脉动的改善并不明显。\n[0006] 因此，现有技术中缺少了一种方式能够判断是否产生流动失速，并同时避免离心泵汽蚀和压力脉动所带来的不利影响。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出了一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮及其设计方法，根据欧拉扬程梯度系数判断是否要将长叶片替换为短叶片。本发明能够判断是否产生流动失速，并同时避免离心泵汽蚀和压力脉动所带来的不利影响。\n[0008] 如图1所示，本发明通过以下步骤实现：\n[0009] 所述的离心泵包括已知参数的初始叶轮，初始叶轮设有多个相同的沿圆周间隔均布的叶片，每个叶片呈圆弧形态从叶轮边缘延伸到靠近叶轮中心位置，即叶片的一端延伸到叶轮边缘，另一端向叶轮中心附近处，方法包括：\n[0010] 1)计算初始叶轮的叶片上各采样点的欧拉扬程梯度系数；\n[0011] 2)根据欧拉扬程梯度系数范围采用以下方式来判断是否流动失速，即将叶片型线分为多段，通过以下三段的欧拉扬程梯度系数进行判断：\n[0012] 当037/ω，且0.687/ω，且0.937/ω,且0.687/ω，且0.9