锥形增螺距诱导轮的设计

□李 猛 □于树阳 □韦 雪 □马雪峰 □沙承卓

沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司沈阳110869

锥形增螺距诱导轮的设计

□李 猛 □于树阳 □韦 雪 □马雪峰 □沙承卓

沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司沈阳110869

结合冷凝泵结构特点，论述了锥形增螺距诱导轮的设计过程，通过选取合适参数进行设计计算，有效提高了泵的抗汽蚀性能，在离心泵诱导轮设计方面具有实用价值。

诱导轮是泵结构的一部分，安装于泵主叶轮之前。诱导轮属于轴流式叶轮，具有轴流式叶轮的汽蚀特性，能够有效地提高泵的抗汽蚀性能。锥形诱导轮可以设计成外缘与轮毂都有一定锥度的型式，但因冷凝泵诱导轮为穿轴结构，轮毂有锥度对性能不利，因此只讨论外缘有锥度的设计,如图1所示。

图1 锥形诱导轮外形图

由于诱导轮外缘有锥度，离心轮进口直径可以在满足汽蚀性能的前提下设计得较小。同时，锥形诱导轮室有利于消除二次回流，减小漩涡损失，保证泵有较高效率。

诱导轮翼形按增螺距设计，可以保证翼形具有较小进口角和较大出口角，这样既可保证诱导轮所需的汽蚀性能，又能对离心轮增压，有利于提高离心轮抗汽蚀能力。

经实际运转证明，锥形增螺距诱导轮相比圆柱形等螺距诱导轮具有较高的效率水平和足够的抗汽蚀性能，并且泵运转平稳，振动和噪声都较小。

目前水泵行业应用此方法设计的带有诱导轮的冷凝泵有12NL125、7LDTN、8LDTN、9LDTN等型号。这些泵的诱导轮与叶轮配合汽蚀比转数C值可达1450～1 800。

1 设计要求

根据相关文献[1-8]，并根据泵的主要技术参数来设计诱导轮。泵的主要技术参数包括Q、H、Δh、n。其中：Q为泵的额定流量，m3/s；H为额定流量时对应的扬程，m；Δh为允许汽蚀余量，m；n为泵转速，r/min。

1.1 确定诱导轮计算流量Qy0[9]

式中：qy0为诱导轮漏损量，m3/s，一般qy0=0.032Q；q为密封漏损量，m3/s，一般q=0.18Q。

1.2 确定诱导轮外缘平均直径Dy

式中：Dy1为轮缘进口直径，m；Dy2为轮缘出口直径, m；因数（6.0～6.6）、（5.0～5.6）在满足汽蚀余量要求时可取小值，以保证泵具有较高效率，在汽蚀性能要求佳时，宜取大值。

1.3 确定轮缘半锥角γy及轮毂直径dh

式中：hy为轮缘轴向长度，m；SL为轮缘长径比，一般SL=0.3～0.6。

轮缘半锥角γy一般取15°。

轮毂直径dh为：

计算出的轮毂直径dh应满足结构与强度的要求。

核算诱导轮的出口折引直径因数K0。

K0值应在5～5.6之间，若相差太大，应适当调整上述进口参数。

1.4 计算流速、液流角

锥形增螺距诱导轮进、出口速度三角形如图2、图3所示。

图2 锥形增螺距诱导轮进口速度三角形

图3 锥形增螺距诱导轮出口速度三角形

进口液流轴向流速Vm1为：

出口液流轴向流速Vm2为：

进口平均有效直径d1为：

出口平均有效直径d2为：

进口平均有效直径的圆周速度u1为：

出口平均有效直径的圆周速度u2为：

诱导轮外缘平均直径Dy处圆周速度uy为：

诱导轮扬程Hy0为：

式中:ψ为扬程因数，一般ψ=0.06～0.15；g为重力加速度，m/s2。

出口平均有效直径的绝对速度圆周分量Vu2为：

进口平均有效直径的相对流速w1为：

进口平均有效直径的相对液流角β1为：

出口平均有效直径的绝对流速V2为：

出口平均有效直径绝对流速的液流角α2为：

出口平均有效直径相对流速w2为：

出口平均有效直径的相对液流角β2为：

1.5 估算进口叶片安放角βy1′、βh1′及汽蚀比转数Cy0

进口轮缘圆周速度uy1为：

进口轮缘相对液流角βy1为：

进口轮缘叶片安放角βy1′为：

式中：Δβy1为轮缘进口冲角，一般Δβy1=2～4°。

进口轮毂叶片安放角βh1′为：

汽蚀比转数Cy0为:

1.6 确定出口叶片安放角β2′、βy2′、βh2′

出口平均有效直径d2处的叶片安放角β2′：

式中：Δβ2′为出口液流偏流角，一般Δβ2=1～3°。

出口轮缘叶片安放角βy2′为：

出口轮毂叶片安放角βh2′为：

1.7 计算轮缘断面叶片节距ty、叶片弦长Ly、叶栅疏密度St

轮缘叶片节距ty为：

式中：Z为叶片数，一般Z=2～5。

轮缘叶片弦长Ly为：

轮缘叶栅疏密度St为：

St一般为1.5～3。

1.8 计算叶片头部修圆半径ρ与叶片包角ψy、ψh

叶片头部修圆半径ρ为：

修圆后轮毂包角增加Δψ，由图实际量出锥形轮缘折引导程hyt为：

轮缘叶片包角ψy为：

轮毂叶片包角ψh为:

轮毂叶片轴向长度hh为：

轮毂叶形弦长Lh为：

由上述计算结果绘制出诱导轮外形图。

1.9 翼型加厚

轮毂翼型最大厚度ymax为[10]：

外缘翼型最大厚度由铸造工艺确定，尽量取较薄的值。以叶片进出口安放角、轴向长度、弦长为基本参数，中间圆滑连接绘制出叶片工作面展开图，按翼型厚度分布规律在翼型背面单面加厚，绘制出翼型展开图。

2 设计计算实例

以12NL125型诱导轮为例。设计要求为：Q= 0.088 9 m3/s，H=125 m，n=1 480 r/min，Δh=1.8 m。2.1确定诱导轮计算流量Qy0

2.2 确定诱导轮外缘平均直径Dy

轮缘进口直径Dy1为：

取Dy1=0.25 m。

轮缘出口直径Dy2为：

取Dy2=0.215 m。

诱导轮外缘平均直径Dy为：

2.3 确定诱导轮外缘进出口直径Dy1、Dy2，轮缘半锥

角γy及轮毂直径dh

轮缘轴向长度hy为：

取γy=15°，轮缘进口直径Dy1为：

轮缘出口直径Dy2为：

经圆整后，Dy1=0.25 m，Dy2=0.213 m。

轮毂直径dh为：

经结构和强度核算，满足要求。

核算诱导论的出口折引直径因数K0：

2.4 计算流速、液流角

进口液流轴向流速Vm1为：

出口液流轴向流速Vm2为：

出口平均有效直径d1为：

出口平均有效直径d2为：

进口平均有效直径的圆周速度u1为：

出口平均有效直径的圆周速度u2为：

诱导轮外缘平均直径Dy处圆周速度uy为：

诱导轮扬程Hy0为：

出口平均有效直径的绝对速度圆周分量Vu2为：

进口平均有效直径的相对流速w1为：

进口平均有效直径的相对流动角β1为：

出口平均有效直径处的绝对流速V2：

出口平均有效直径绝对流速的液流角α2为：

出口平均有效直径的相对流速w2为：

出口平均有效直径的相对液流角β2为：

=15.467°

由上述计算结果绘制出速度三角形，如图4、图5。

图4 进口速度三角形计算结果

图5 出口速度三角形计算结果

2.5 估算进口叶片安放角βy1、βh2及汽蚀比转速Cy0进口轮缘圆周速度uy1为：

uy1=πDy1n/60

=π×0.25×148 0/60

=19.37 m/s

进口轮缘相对液流角βy1为：βy1=arctan（Vm1/uy1）

=arctan（2.08819.37

=6.15°

进口轮缘叶片安放角βy1′为：

βy1′=βy1+Δβy1

=6.15°+3.85°

=10°

进口轮毂叶片安放角βh1′为：

βh1′=arctan（Dy1/dhtanβy1′）

=arctan（0.25tan10°/0.075）

=30.45°=30°27’

进口流量因数Φy1为：

Φy1=Vm1/uy1

=2.088/19.37

=0.107 8

轮毂比Sh为：

Sh=dh/Dy

=0.075/0.232

=0.323 276

汽蚀比转数Cy0为：

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 确定出口叶片安放角β2′、βy2′、βh2′出口平均有效直径d2处的叶片安放角β2′为：

β2′=β2+Δβ2

=15.467°+1.833°

=17.3°

=17°18′

出口轮毂叶片安放角βh2′为：βh2′=arctan(d2/dhtanβ2′)

=arctan（0.159 7tan17.3°/0.075）

=33.55°=33°33′

出口轮缘叶片安放角βy2′为：βy2′=arctan(d2/Dy2tanβ2′)

=arctan(0.159 7tan17.3°/0.213)

=13.15°=13°9′

2.7 计算轮缘断面叶片节距ty、叶片弦长Ly、叶栅疏

密度St

轮缘叶片节距ty为：

ty=πDy/Z

=π×0.232/3

=0.243 m

轮缘叶片弦长Ly为：

Ly=hy/sin[（βy1'+βy2'）/2]

=0.0696/sin[（10°+13.15°）/2] =0.348 m

轮缘叶栅疏密度St为：St=Ly/ty

=0.348/0.243

=1.43

2.8 计算叶片头部修圆半径ρ与叶片包角ψy、ψh叶片头部修圆半径ρ为：

ρ=0.32Dy1

=0.32×0.25

=0.08 m

修圆半径的圆心在外缘进口叶片头部与诱导轮圆心的连线上。由上述参数作图，量出修圆后轮毂包角增加Δψ=150°

锥形轮缘折引导程hyt为：

hyt=πDytan[（βy1'+βy2'）/2]

=π×0.232×tan[（10°+13.15°）/2

=0.149 5 m

轮毂叶片包角ψy为：

ψy=hy360°/hyt

=0.069 6×360°/0.149 5

=167.5°

=167°30′

轮毂叶片总包角ψh为：

ψh=ψy+Δψ

=167.5°+150°

=317.5°

轮毂叶片轴向长度hh为：

hh=hytψh/360°

=0.149 5×317.5°/360°

=0.132 m

轮毂叶型弦长Lh为：

Lh=hh/sin[（βh1'+βh2'）/2]

=0.132/sin[（30.45°+33.55°）/2]

=0.249 m

由上述计算结果绘制出诱导轮外形图如图6所示。

2.9 翼型加厚

轮毂翼型最大厚度ymax为：

ymax=（3%～4.5%）Lh

=（3%～4.5%）×0.249

=0.007 5～0.011 2 m

取ymax=9 mm。

外缘锥面上翼型在平均中径φ231.5 mm圆柱面上投影展开圆周方向长度hyu为：

hyu=Lycos[（βy1'+βy2'）/2]

=0.348×cos[（10°+13.15°）/2]

=0.341 m

沿φ75 mm轮毂翼型展开，圆周方向长度hhu为：

hhu=Lhcos[（βh1'+βh2'）/2]

=0.249×cos[（30.45°+33.55°）/2]

=0.211 5 m

以计算得出的βy1'、βy2'、Ly、hyu、hy、βh1'、βh2'、hhu、hh绘制出外缘锥面翼型在平均中径φ231.5 mm圆柱面上的投影展开图，以及沿φ75 mm轮毂翼型的展开图，如图7所示，两个展开图中间圆滑过渡。按翼型厚度分布规律，计算出沿厚度分布，在背面加厚，按加厚点圆滑连接，绘制出翼型背面。

图612 NL125诱导轮外形图

2.10 与诱导轮匹配的离心轮设计

（1）确定离心轮进口直径D0。

离心轮进口直径D0为：

D0=Dy2

=0.213 m

（2）校核离心轮叶片进口冲角Δβ。前盖板叶片安放角βα1=17°，前盖板叶片进口冲角Δβα1为：

Δβα1=βα1+βy2′

=17°-13.15°

=3.85°

后盖板叶片进口安放角βb1=36.5°，

后盖板叶片进口冲角Δβb1为：

Δβb1=βb1-βh2′

=36.5°-33.55°

=2.95°

2.11 试验结果

诱导轮与匹配叶轮试验的实测数据如下：流量Q=0.088 9 m3/s，扬程H=125 m，转速n=148 0 r/min，效率η=74%，汽蚀余量Δh=1.6 m，汽蚀比转速C=1 743，完全满足该泵设计要求，证明设计方法是可靠、可行的。

图7 翼形展开图

3 结论

凝结水泵所输送的是相应于凝汽器压力下的饱和水，在凝结水泵入口易发生汽化，所有对凝结水泵的抗汽蚀性能要求很高，本文对诱导轮设计实例计算及试验结果表明，选取合理的系数，基于文中的诱导轮的设计计算理论，能够满足工程设计要求，具有较高的实际应用价值。

[1]王文廷，陈晖，李永鹏，等.高速离心泵诱导轮与离心轮的匹配[J].排灌机械工程学报，2015，33（4）：301-305.

[2]李嘉，李华聪，符江锋，等.一体式诱导轮与叶轮航空离心泵汽蚀特性研究[J].推进技术，2015，36（7）：1005-1012.

[3]李永鹏，陈晖，王文廷，等.多工况高抗汽蚀性能的诱导轮设计[J].排灌机械工程学报，2014，32（11）：948-954.

[4]侯杰，于海力，杨敏.低汽蚀余量高速泵诱导轮研究[J].火箭推进，2014，40（6）：19-23，43.

[5]林慧超，张玉良，陈通励，等.带分流叶片的变螺距诱导轮的设计与实验[J].石油化工设计，2014，31（4）：35-37.

[6]孙建.低汽蚀余量泵诱导轮的研究[D].镇江：江苏大学，2006.

[7]宋风强.喷淋泵诱导轮设计与流动分析[D].大连：大连理工大学，2010.

[8]宋启策，赵伟国，杨军虎，等.泵空化现象的研究综述[J].机械制造，2014，52（9）：1-5.

[9]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.

[10]沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册[M].北京：机械工业出版社，1983.

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.

锥形增螺距诱导轮；设计；性能

ConicalInducer with Pitch Extender；Design；Performance

TH31

A

1672-0555（2016）03-029-07

2016年1月

李猛（1983—），男，硕士，工程师，主要从事水泵设计工作