一种带副叶片的新型全贯流泵及其设计方法
技术领域
本发明属于流体机械领域，涉及一种全贯流泵及其设计方法，特别是涉及一种带副叶片的新型全贯流泵及其设计方法。
背景技术
全贯流泵是一种将潜水电机和贯流技术相结合的一种新型的电机泵，具有流量大、扬程低、水力损失小、结构紧凑和安装方便等特点。与轴流泵相比，叶片的轮缘与电动机的转子相连，通过电机的定子与转子的电磁作用，使其变成转子的一部分。然而目前的全贯流泵运行效率远不如轴流泵，影响其效率的主要原因是电机定子与转子之间的间隙回流水，这也是目前亟需解决的问题。间隙回流是在叶轮进出口的压差作用下，形成从叶轮出口流向叶轮进口的水流。间隙回流虽有冷却电机的作用，但会与电机转子外缘产生较大的摩擦损失，增加摩擦扭矩，导致效率的下降；同时还会扰乱叶轮进口处的流场，影响水泵叶轮的进口条件，造成水力损失，从而导致扬程和效率的下降。
发明内容
本发明的目的是针对传统全贯流泵从叶轮出口流向叶轮进口的间隙回流干扰叶轮进口的流场、影响水泵进水的条件、增加水力损失和效率下降的问题，提出一种带副叶片的新型全贯流泵及设计方法，通过在转子外缘设置副叶轮，以此改变间隙进出口的压力，调整间隙回流的方向(叶轮进口流向出口)，使得间隙回流不影响水泵叶轮进水条件，利用后置导叶回收多余的环量，从而提高水泵的装置性效率。
本发明的技术方案：一种带副叶片的新型全贯流泵，包括泵体外壳；其特征在于：所述全贯流泵还由轮毂、定子、主叶片、副叶片和转子组成；所述主叶片固定设置在所述轮毂上，所述转子的内壁与所述主叶片的外缘连接固定，所述泵体外壳内壁上设有凹槽，所述凹槽内卡接设有定子，所述定子的内壁与转子的外壁之间设有间隙，所述副叶片设置在所述间隙内，所述副叶片通过螺栓与所述转子的外壁连接固定。
所述定子与转子之间的间隙不大于6mm。
所述副叶片的轮缘与定子的内壁之间设有间隙，间隙值不大于0.1mm。
所述副叶片沿转子的圆周方向均匀设置，副叶片的叶片数为8片。
所述副叶片的轮缘叶栅稠密度l/t为0.9，叶片根部的叶栅稠密度为1.3倍的叶片轮缘叶栅稠密度。
一种带副叶片的新型全贯流泵的设计方法，其特征在于，所述设计方法如下：
(1)针对全贯流泵叶轮出口轮缘处的压力高，进口轮缘处的压力低，在压力差的作用下，叶轮出口轮缘处的水流会顺着定转子的间隙回流到叶轮进口处，会与电机转子外缘产生较大的摩擦损失，增加摩擦扭矩，会扰乱叶轮进口处的流场，影响水泵叶轮的进口条件，造成水力损失，从而导致扬程和效率的下降；电机定子与转子间的间隙尺寸过大，增大了副叶片的抽水能力，水泵轴功率增大，效率下降；过小的间隙尺寸，不能保证副叶片的抽水能力，且副叶片安装不方便，在设计过程中需要考虑副叶片的抽水能力，需要通过改变副叶片的叶片数z以及叶栅稠密度l/t，提高副叶片的做功能力，调整间隙回流的方向，从而消除回流对进口流场的影响；
(2)利用定子与转子间的空隙，通过螺栓将副叶片固定在转子的外缘，主叶片、副叶片、轮毂和转子共同形成水泵的整体部件；由于主叶轮和副叶轮运行条件相同，处于同个工作环境下，副叶轮和主叶轮有着相同的进水条件，两叶轮的轴向速度Vm以及圆周分速度Vu相同，对于叶弦安放角βL，副叶片只与主叶片进出口的液流角和冲角有关，其中液流角与速度三角形有关，因此副叶片采用和叶轮相同的叶弦安放角βL进行设计；
(3)以叶轮转速n＝950r/min，设计流量Q＝390L/s，设计扬程H＝3.2m，叶轮直径D＝350mm，轮毂直径d＝140mm，叶片数z＝4的叶轮为设计参数，叶轮设计采用圆弧法，忽略排挤系数ψ，水力效率ηh和出口圆周分速v'u2修正系数ζ，对叶弦安放角βL取轮毂和轮缘两个断面进行设计，设计过程如下：
(3-1)计算轴面速度vm；
容积损失ηv为0.98，vm＝4Q/π(D2-d2)ηv＝5.08m/s，其中vm1＝vm2；
(3-2)计算牵连速度u；
u＝Dπn/60；
(3-3)计算圆周分速vu；
vu2＝gH/u，其中vu1＝0；
(3-4)计算进口叶片角β1；
β1＝β'1+△β1，β'1＝arctan(vm/u)；
进口冲角取值范围0°～3°，从轮毂到轮缘线性增加；
(3-5)计算出口叶片角β2；
β2＝β'2+△β2，β'2＝arctan(vm/(u-vu2))；
出口冲角选用范围0°～3°；
(3-6)计算叶弦安放角βL；
βL＝(β1+β2)/2；
(4)将上述叶弦安放角带入副叶轮中，计算型线半径R，R＝l/2sin((β1-β2)/2)；
副叶轮同样选取副叶轮根部和外缘两个断面，叶片数z＝8，副叶轮径向高度h＝6mm，转子厚度单边m＝12mm；
(5)通过在转子外缘安装副叶轮，实现调整间隙回流的方向，使得间隙内水流的方向与叶轮内方向一致，减小回流对叶轮进口的影响，为了保证副叶轮在间隙内的抽水能力，通过增加叶片数和叶栅稠密度，增加了副叶轮的做功能力。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种带副叶片的新型全贯流泵及其设计方法，结构上由轮毂、定子、主叶片、副叶片和转子连接组成，通过在转子外缘设置副叶轮，以此改变间隙进出口的压力，调整间隙回流的方向(叶轮进口流向出口)，使得间隙回流不影响水泵叶轮进水条件，使得间隙内的水流与叶轮内的方向一致，避免了间隙回流对叶轮进口处流场的影响，减小了水力损失，改善了原有的进水条件，进一步提高了水泵的装置效率和扬程。
附图说明
图1为原全贯流泵结构示意图。
图2为本发明结构示意图。
图3为图2中A-A处全剖结构示意图。
图4为本发明中主叶片断面图。
图5为本发明中副叶片端面图。
图6为本发明中副叶片a'-a'断面型线图。
图7为本发明中副叶片b'-b'断面型线图。
图中：主叶片1、转子2、定子3、轮毂4、泵体外壳5、副叶片6、螺栓7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，原全贯流泵叶轮室由主叶片1、转子2、定子3、轮毂4、泵体外壳5这几部分组成，如图1所示，图中箭头方向表示水流的方向。主叶片1根部与轮毂固定，主叶片1外缘与转子内壁焊接在一起，叶片顶部无叶顶间隙，使得转子和叶轮成为水泵的旋转部件，工作时水流从转子的内腔流过。又由于叶轮出口处压力高，叶轮进口压力低，在压力的作用下，出口轮缘处的水流顺着定转子间的空隙回流到叶轮进口轮缘处，形成与转子内腔相反的流向，该间隙回流势必会对叶轮进口的流场产生影响。
如图2-3所示，一种带副叶片的新型全贯流泵，副叶片6通过螺栓7固定在转子2外缘上，转子2外缘预留副叶轮安装孔沿圆周方向均匀分布，安装孔数由副叶轮叶片数决定。
如图2-3所示，一种带副叶片的新型全贯流泵，副叶片具有以下特征：
(1)副叶轮叶片根部固定在转子外缘，叶片置于间隙内，其外缘至转子外缘的高度受到制约，设计时可以忽略轮毂比。叶片外缘垂直于转子外缘的径向高度h为6mm，电机定子与转子的间隙为6mm。
(2)副叶片轮缘与电机定子的间隙设置为0.1mm。
(3)副叶片沿圆周方向均匀布置8片。
(4)副叶片轮缘叶栅稠密度l/t为0.9，叶片根部的l/t为1.3倍的叶片轮缘l/t。
(5)副叶轮与叶轮共同组成水泵的工作部件，二者转速相同均为n＝950r/min。
在定子与转子电磁作用下，带动主叶片1与副叶片6同步旋转，水流经过主叶片1获得能量，向叶轮出口流出；间隙内在副叶片6的作用下，使得叶轮进口轮缘处的间隙压力大于出口，在压力作用下，水流从叶轮进口轮缘处流入间隙，经过副叶片6获得能量向间隙出口流出，水流的方向与主叶片1内的水流方向一致。避免了间隙回流对叶轮进口的影响，从而使两股水流在叶轮出口处交汇，并利用后置导叶消除水流的环量。
如图2-7所示，一种带副叶片的新型全贯流泵，以叶轮转速n＝950r/min，设计流量Q＝390L/s，设计扬程H＝3.2m，叶轮直径D＝350mm，轮毂直径d＝140mm，叶片数z＝4的叶轮为设计参数，叶轮设计采用圆弧法，忽略排挤系数ψ，水力效率ηh和出口圆周分速v'u2修正系数ζ，对叶弦安放角βL取轮毂和轮缘两个断面进行设计，设计过程如下：
(3-1)计算轴面速度vm；
容积损失ηv为0.98，vm＝4Q/π(D2-d2)ηv＝5.08m/s，其中vm1＝vm2；
(3-2)计算牵连速度u；
u＝Dπn/60；
(3-3)计算圆周分速vu；
vu2＝gH/u，其中vu1＝0；
(3-4)计算进口叶片角β1；
β1＝β'1+△β1，β'1＝arctan(vm/u)；
进口冲角取值范围0°～3°，从轮毂到轮缘线性增加；
(3-5)计算出口叶片角β2；
β2＝β'2+△β2，β'2＝arctan(vm/(u-vu2))；
出口冲角选用范围0°～3°；
(3-6)计算叶弦安放角βL；
βL＝(β1+β2)/2。
其计算结果如表(1)所示
表(1)
将上述叶弦安放角带入副叶轮中，计算型线半径R，R＝l/2sin((β1-β2)/2)；
副叶轮同样选取副叶轮根部和外缘两个断面，叶片数z＝8，副叶轮径向高度h＝6mm，转子厚度单边m＝12mm。
其计算结果如表(2)所示
表(2)
通过在转子外缘安装副叶轮，实现调整间隙回流的方向，使得间隙内水流的方向与叶轮内方向一致，减小回流对叶轮进口的影响，为了保证副叶轮在间隙内的抽水能力，通过增加叶片数和叶栅稠密度，增加了副叶轮的做功能力。
