專利名稱：多級電動泵組的制作方法
技術領域：
本發明涉及水力機械，特別是一種由多級離心泵和與泵直接連接的電動機組成的多級電動泵組。
背景技術：
多級電動泵組是由多級離心泵組成的水力機械，其電動機直接與泵元件連接。
主要水力元件是葉輪和擴壓器。葉輪是每臺泵的關鍵性元件(它將轉速轉換成壓力)，雖然泵體或擴壓器也很重要，據認為它能將流體從葉輪出口改向進入下一葉輪入口，從而恢復靜壓，當要求的水頭很高，需要將各葉輪串聯排列，因而命名為凈水多級機組。
對電動泵的要求是有最高效率，而如果葉輪和擴壓器有最高效率則就能達到這個要求。
近代電動泵效率額定值通常是輸入電動泵總功的75％-85％。
內容本發明的目的是提供一種多級電動泵組，使泵工作穩定，不發生氣蝕紊流，并超過近代電動泵效率。
本發明人已想到以下幾點是主要的即泵工作穩定，不發生氣蝕紊流，葉輪與擴壓器葉片的彎曲段和非彎曲段使流體理想地被引導，及此液流正確的遵循葉片的方向。
本申請人已研制出一種多級電動泵組，它由多級離心泵和與泵直接連接的電動機組成，其中泵的各級均由葉輪和擴壓器組成，他們的通道分有葉片段和無葉片段，這些區段被限制在輪蓋表面和輪轂表面之間，表面各點切線角是β角，它是特征參數，因為若設電動泵的Y軸為縱坐標，X軸為橫坐標，流率在2500-8000l/min之間，則葉輪與擴壓段表面符合以下的六階多項式Y＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，對擴壓器而言
a).輪轂無葉片區A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.6605，G＝20.45；b).輪蓋無葉片區A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.7225，G＝55.648；c).輪轂有葉片區A＝9E-09，B＝7E-06，C＝-0.0019，D＝0.3064，E＝-26.923，F＝1256.3，G＝-24283；d).輪蓋有葉片區A＝1E-10，B＝-9E-08，C＝2E-05，D＝-0.0033，E＝0.2349，F＝-7.616，G＝174.28；e).輪轂無葉片區A＝0，B＝0，C＝-1E-05，D＝0.0073，E＝-1.7542，F＝186.27，G＝-7311.6；f).輪蓋無葉片區A＝0，B＝0，C＝0，D＝0.0053，E＝-2.6745，F＝446.37，-G＝24717；g).輪轂βA＝0，B＝0，C＝1E-06，D＝-0.0002，E＝0.0203，F＝-1.0819，G＝156.82；h).輪蓋βA＝0，B＝0，C＝3E-07，D＝-1E-04，E＝0.0101，F＝-0.7587，G＝175。
在不同流率情況下，葉輪的多項式常數改變。
用了電動泵元件的這些幾何特征，這種電動泵的效率遠高于目前已有的效率，增加多達14％，這在這類機械中是罕見的。
在傳統工藝中，葉輪和擴壓器都是鑄件，因此幾何形狀/曲線的精度都會受到影響，二者的特性曲線難以做到且特殊。
本發明中，一旦推導出上述多項式，加工中心即得能精確編程使實際幾何形狀與理論形狀的偏差減小，因此實際效率與理論效率的差別很小。
為了更好的理解本發明的目的附上說明圖。
圖1是流體f的入口a處的渦流旋渦表示。
圖2是葉輪通道壁面流體邊界層表示。
圖3是進入葉輪葉片的流體的表示。
圖4是葉輪與擴壓器無葉片部分、無葉片擴壓器之間連接關系的表示。
圖5是葉輪幾何形狀與流道的橫截面及坐標圖。
圖6是擴壓段幾何形狀與流道的橫截面及坐標圖。
圖7是輪蓋T與輪轂C的β-M％圖。
具體實施例方式
使用的符號如下-A∈[2，3，5]這里指A屬于閉區間(包括了區間的端值)，此端值為2，3和5。換言之，A可以取2，3和5之間(包括這2個數)的任何值。
-Q指流率，其單位是升/分(l/min)。
-平面(Z，R)是圖5和圖6中定義的平面；它由R坐標(縱坐標)和Z坐標(橫坐標)畫曲線(R和Z的單位是mm)。Z軸在曲線圖上與電動泵回轉體的Y軸偏置。
-輪蓋與輪轂在圖上表示成曲線，不論是葉輪還是擴壓器表體，這些曲線全是軸對稱的。
-β角度(圖3和7)。
葉片上一點的β角是葉片在該點切線的角度(切向)。
曲線圖(β，M％)為每一M％(葉片上走過距離的百分數，因此，在葉片起點是0％，在葉片末端是100％)的β值。
-葉輪及/或擴壓器通道。
這相當于葉輪及/或擴壓器的輪蓋與輪轂，兩相鄰葉片之間包圍的流體容積。
-“雙曲率”這是從葉片進口邊到葉片出口邊切線坐標的值。
給定β分布圖，則(輪蓋與輪轂的)入口處的“雙曲率“便設定，用于完全定義葉輪通道(擴壓器也一樣)。
葉輪和擴壓器的構成元件如下輪蓋T這是泵流徑的最外流動面。
葉片是葉輪、輪轂或定子伸出的具有空氣動力形狀的表面(具有規定的厚度分布)且決定流動路線，就旋轉葉片而言它是傳力給流體的主要因素。
輪轂C這是泵流徑的最外流動面。
葉輪及/或擴壓器非葉片的通道的壁便是輪蓋T和輪轂C。
一旦流體進入葉輪通道，附面層開始發展到輪蓋與輪轂表面的整個葉片上，流動的核心，至少在起初有遵循葉片通道流動的傾向，因而可假定是均勻吸入流，如在吸入流中有任何畸變，則流動核心的特征是從開始就有渦系存在，必須加以避免。
渦系(見圖1)是勢的例子，流線在其中繞一中心點回轉(即一使壓區，龍卷)，所以實際上中心速度為零，因此壓力最高。
與通道壁接觸之處(V＝0)，接近此壁的流體質點的速度降下來，形成一層叫做附面層的流體層，在此層中流體質點速度小于未受攏動區域的速度。
U附面層＜U其他質點式中U是質點的總體速度。
δ定義為附面層cp的厚度(見圖2)，這是其速度約等于附面層外側速度的99％的各點幾何位置。
在流體在葉輪通道內流動的情況下，流體核心部分CF和附面層表面受到復雜的力量，形成復雜的流動模型。附面層起初遵循自由流方向，但在流體在葉輪通道內流動的情況下附面層和流體核心部分受到整個通道力量的影響，正因為如此，在流體核心部分發生二次流，它在輪蓋真空面附近，并在輪轂升壓區形成高動量的流動。
通常，二次流被認為是粘性效應為主的流動，反之，一次流被認為是動力效應為主的流動。
總特征是，可以確定，一次流和二次流都遵守守恒方程(該方程和邊界條件一起決定流體通過導管動時是處于回轉狀態還是不變狀態)
泵級的基本流體動力學特征可應用以下原理詳細研究每一部件及其基本速度三角形做介紹，這些原理是1)第一原理是質量守恒原理。
2)角坐標系統的牛頓運動方程。
3)渦輪機械的歐控方程，該方程簡要說明增量等于角動量的變化。應用這些原理可研究流量各點的速度三角形。
最重要之點是葉輪的葉片(2)之間的入口1，主要參數示于圖3。
由此看出，以徑向速度Cm吸入葉輪入口的相同流體可有多種進口流態。
可見流體隨泵工作輪從圓周速度U＝2.π.r.N運動。根據以下基本原理繪制速度三角形。
相對速度+葉輪速度＝絕對速度對于葉輪吸入流，Co＝0(流體以理想狀態吸入葉輪)的情況而言，相對流動角由入口徑向速度(由質量流量和密度變量控制)及葉輪當地速度U確定，所得相對流角為β。
如果β等于葉片角，則流體準確遵循葉片方向流動，但在不同情況下，該角度可能大于或小于葉片角，因此，流動會有一定沖角，當有任何預旋時(水在進葉輪前轉動)不管與電機軸是同轉向還是反轉向，入口流態也會有很大改變。
以恰當的進口設計可獲得理想的葉輪入口。
通過既改變質量流量又改變流通截面，相對速度W1t(葉輪進口1對輪蓋的相對速度)最小，當因進口直徑而增加速度或流通面積增加時，U增加，如果流通截面縮小，意味著單位面積質量流量及Cm的增加。
徑向速度分量Cm由質量守恒方程決定，絕對流角是相對流角與葉輪速度的計算結果，實際上，出口液流角并不嚴格按葉片，而有一定差別，從切向速度觀點看，此差別叫做滑動速度，由此可導出滑動率。
對徑向葉片和曲葉而言，合成的絕對液流角α很大典型值是α＝50°-80°(徑向坐標)或α’＝10°-40°(切向坐標)。最常見的角度大小是α’＝15°-25°及α＝65°-75°。出口速度三角形是重要的，因為不僅可決定功值或壓力增加，而且可了解壓力波動隨質量流量而改變。
一旦工作條件規定且葉輪效率已知，則除了能很好估算滑動系數外還可計算進口到出口的流量，所得到的流量的特征是出口有大量的動能和一定旋度。
如前所述效率將等熵功(等熵功＝可用來達到要求水頭的最小功)與實際功聯系起來，這是熱力學的嚴格定義。
為了能確定速度三角形，必須知道葉輪的效率，但作到這一點不簡單。
下一步要考慮的是無葉片擴壓器，即無葉片擴壓器任何一點的出口流量。
根據角動量守恒定律，改變為平均流量描述的路線的半徑可將動能轉變成靜壓增量。
角動量講的是葉輪輸出端與角動量守恒定律一致的角動量。事實上，部分角動量在流量通過無葉片擴壓段移動時消失了，因此必須作較準確計算來估計這種損失，可以說預期的角動量可能損失5％-15％左右。
總體速度的徑向分量Cm可按質量守恒方程(在密度比已知的情況下)準確標出，反之，液流角可將這二關系式結合起來確定，通過無葉片擴壓段的液流角取決于通道寬度。
擴壓段中必須遵守的流動面積變化用作動能轉變成壓力能增加的第二種方法。
擴壓器作為不同部件之間的連接點，在調節流量和控制徑向推力方面也起重要作用。
無葉片擴散段3(見圖4)主要由二平行壁4組成，形成一開口的環形徑向通道，從葉輪出口5上升到有效大半徑的某個界限，有時它后面是一渦殼式收集器，其它情況后面是一擴壓器殼體，但有些擴壓器沒有“凹壁”，在另外的情況下，在面積增加場合無用無葉片擴壓段，這是作為進入通道式擴壓結構的輸入系統的一部分。
葉輪和擴壓殼體(有葉片)之間有無葉片擴壓段，這樣有助于防止在擴壓殼體的葉片和擴壓器之間震動波型的耦合，從而防止擴壓殼體葉片進口邊受力和因疲勞而失效。
還可應用在葉輪后連續跟著的擴壓殼體，其葉片緊接葉輪出口并延伸到下一級進口。
考慮到這一切調節因素，本申請人已完成了大量有效的實驗，并用計算流體力學CFD的方法進行計算，對泵內流通各點逐點求出最佳形狀，以便達到最佳效率。
在將這一幾何形狀表示在坐標軸上，其中泵的Y軸是縱坐標(Y≡R)及X≡Z是橫坐標Y上的徑向坐標，應用數學方法到此幾何形狀，推導出一個簡單方程，它與獲得的實驗數據符合，誤差范圍±3.5％。
此方程是多項式Y＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，式中常數A，B，C，D，E，F和G必須針對流體流過的泵的各區尋找。
圖5是葉輪的流程圖和幾何形狀，葉軸由無葉片區6(來自入口的流體進此區)和有葉片區7(其中的流體流向擴壓器)組成。圖中可見輪蓋T和輪轂C的二個端面。
圖6是殼體或擴壓器的流程圖與幾何形狀，在本例中擴壓器包括初始的無葉片區8(流體從葉輪出口進入其中)，有葉片區9，和第二無葉片區10，將流體改變方向進入下一級葉輪。
已作研究的流率Q的范圍為2500-8000立升/分。
在已完成的實驗中，本申請人認為，為了達到最佳效率，電動泵的主要部件是泵體擴壓段，因此它保持不變，而當流率Q的范圍發生變化時可行的是修改葉輪，為此，對所述的多項式而言第一種葉輪適用流率Q1而范圍是2500-6000立升/分，第二種葉輪適用流率Q2的范圍是4500-8000立升/分。
該式為Y＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G
其中I葉輪D殼體或擴壓器A有葉片區NA無葉片區T輪蓋
C輪轂ββ角在實驗室中對電動泵的已知效率和對按適合所列多項式的元件的幾何形狀開發的樣機的效率作了多次測試。
作為例子，下面附上不同流率Q的13個測試結果，在這些例子中，所有新電動泵采用同樣的殼體-擴壓器，第一種葉輪的流率Q范圍是3250-5700升/分，第二種葉輪的流率Q2的范圍是5000-7000升/分。
權利要求
1，多級電動泵組，它由多級離心泵和與泵有直接連接的電動機組成，每一級包括泵，即葉輪和擴壓器，它們的通道分有葉片區和無葉片區，這二個區的邊界是輪蓋表面和輪轂表面，β角是表面各點切線角，其特征在于，令電動泵的Y軸為縱坐標，X軸為橫坐標，則對流量Q范圍為2500-8000升/分而言，葉輪和擴壓器的表面各點符合六階多項式Y＝f(x)＝AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，其中在擴壓器上a).輪轂無葉片區A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.6605，G＝20.45；b).輪蓋無葉片區A＝B＝C＝D＝E＝0，F＝0.7225，G＝55.648；c).輪轂有葉片區A＝9E-09，B＝7E-06，C＝-0.0019，D＝0.3064，E＝-26.923，F＝1256.3，G＝-24283；d).輪蓋有葉片區A＝1E-10，B＝-9E-08，C＝2E-05，D＝-0.0033，E＝0.2349，F＝-7.616，G＝174.28；e).輪轂無葉片區A＝0，B＝0，C＝-1E-05，D＝0.0073，E＝-1.7542，F＝186.27，G＝-7311.6；f).輪蓋無葉片區A＝0，B＝0，C＝0，D＝0.0053，E＝-2.6745，F＝446.37，-G＝24717；g).輪轂βA＝0，B＝0，C＝1E-06，D＝-0.0002，E＝0.0203，F＝-1.0819，G＝156.82；h).輪蓋βA＝0，B＝0，C＝3E-07，D＝-1E-04，E＝0.0101，F＝-0.7587，G＝175。
2，根據上述權利要求所述的多級電動泵，其特征在于，葉輪上a1).輪轂無葉片區A＝0，B＝0，C＝0，D＝6E-05，E＝0.0014，F＝-0.0146，G＝27.511；b1).輪蓋無葉片區A＝0，B＝0，C＝0，D＝0，E＝0，F＝0，G＝64.5；c1).輪轂有葉片區A＝0，B＝0，C＝5E-06，D＝-0.0014，E＝0.1535，F＝-6.3821，G＝121.24；d1).輪蓋有葉片區A＝-4E-08，B＝8E-06，C＝-0.0006，D＝0.0247，E＝-0.4771，F＝4.3023，G＝50.015；e1).輪轂βA＝0，B＝3E-09，C＝-9E-07，D＝0.0001，E＝-0.0042，F＝-0.0915，G＝34.402；f1).輪蓋βA＝0，B＝1E-09，C＝-5E-07，D＝6E-05，E＝-0.0044，F＝0.1822，G＝22.2
3，根據權利要求1所述的多級電動泵，其特征在于，葉輪上a2).輪轂無葉片區A＝0，B＝0，C＝0，D＝5E-05，E＝0.0013，F＝-0.0139，G＝27.511b2).輪蓋無葉片區A＝0，B＝0，C＝0，D＝0，E＝0，F＝0，G＝64.5c2).輪轂有葉片區A＝0，B＝0，C＝5E-06，D＝--0.0012，E＝0.1205，F＝--4.7599，G＝93.614；d2).輪蓋有葉片區A＝-0，B＝7E-07，C＝-0.0001，D＝0.0058，E＝-0.113，F＝0.8709，G＝62.273；e2).輪轂βA＝0，B＝0，C＝9E-08，D＝-3E-05，E＝0.0002，F＝0.0246，G＝41.062f2).輪蓋βA＝0，B＝0，C＝-6E-07，D＝0.0001，E＝-0.0126，F＝0.5887，G＝23.694。
全文摘要
多級電動泵組，它由多級離心泵及與泵直接連接的電動機組成，每一級包括泵，即葉輪和擴壓器，這二元件的通道有分葉片區和無葉片區，這些區的邊界是輪蓋表面和輪轂表面，β角是表面各點切線角，其特征在于，令電動泵的Y軸為徑向坐標，X軸為橫向坐標，則對流量Q范圍為2500－8000升/分而言，葉輪和擴壓器表面各點符合六階多項式，Y＝f(x)＝AX
文檔編號F04D29/44GK1530555SQ20031011344
公開日2004年9月22日 申請日期2003年11月10日 優先權日2003年3月13日
發明者西爾維婭·杜蘭阿維拉, 瑪麗亞埃萊娜·羅德里格斯埃納德斯, 埃萊娜 羅德里格斯埃納德斯, 西爾維婭 杜蘭阿維拉 申請人:因達爾·馬基納斯·希德爾奧利卡斯有限公司, 因達爾 馬基納斯 希德爾奧利卡斯有