专利摘要

本发明公开了一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用，属于水利工程泵站技术领域。该方法的特征是：为确保导叶式混流泵装置在较低扬程的设计扬程工况具有良好的抗空化性能，在水泵选型时，尽可能采用较低的nD值；在泵装置的最高扬程工况，采用变频电源适当提高水泵转速，以使泵装置的工况点进入水泵的稳定工作区；以泵装置抗空化安全系数、水泵轴功率和叶轮直径三个主要因素的综合得分最高为依据，优选最适用于所述泵站的导叶式混流泵装置方案。本发明主要用于设计扬程较低、最高扬程较高，两者相差较大的大流量泵站。本发明的方法对保证设计扬程与最高扬程相差较大的大流量排涝泵站的安全、稳定运行具有重要意义。

权利要求

1.一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)针对拟应用本发明的大流量泵站泵装置的单泵设计流量、设计扬程和最高扬程，在目前国内经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的N个导叶式混流泵模型，并将它们顺次编号为i＝1,2,3,......,N；

(2)根据所述N个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D₀＝0.3m、转速n₀＝1450r/min的综合性能曲线，将各个导叶式混流泵模型正常运行范围内的叶片安放角由大到小依次编号为j＝1,2,3,......,M，并列出各导叶式混流泵模型的各个叶片安放角的最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j；

(3)根据统计分析研究结果，导叶式混流泵模型各叶片安放角在其运行范围内的水泵扬程H与流量Q、水泵效率η_水泵与流量Q、水泵临界空化余量NPSHc与流量Q分别用关系式(1)、(2)、(3)表达：

①水泵扬程H与流量Q之间二次三项式的关系

H＝A+BQ+CQ² (1)

式中，H为水泵扬程，m；Q为流量，m³/s；A、B和C分别为(1)式中零次项、一次项和二次项的系数；

运用关系式(1)根据导叶式混流泵某一运行工况点的扬程H计算该工况点的流量Q；

②水泵效率η_水泵与流量Q之间三次多项式的关系

η_水泵＝EQ+FQ²+GQ³(2)

式中，η_水泵为水泵效率，％；E、F和G分别为(2)式中一次项、二次项和三次项的系数；

运用关系式(2)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵效率η_水泵；

③水泵临界空化余量NPSHc与流量Q之间三次多项式的关系

NPSHc＝R+SQ+TQ²+UQ³ (3)

式中，NPSHc为水泵临界空化余量，m；R、S、T和U分别为(3)式中零次项、一次项、二次项和三次项的系数；

运用关系式(3)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵临界空化余量NPSHc；

(4)根据所述N个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，在水泵正常运行范围内，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地完成以下各步的工作：

①针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，根据所述泵站泵装置的设计扬程和单泵设计流量，以尽可能降低nD值为原则，选择合适的水泵叶轮直径D_i,j(单位为m)和水泵转速n_i,j(单位为r/min)，使所述泵装置设计扬程H_{泵装置设计扬程}工况点位于或尽可能接近于第i个导叶式混流泵模型、第j个叶片安放角能量性能的最高效率区，同时使该工况点的临界空化余量随之明显减小；

②在第①步工作的基础上，保持所选择的水泵叶轮直径D_i,j不变，通过提高水泵转速提高第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j，从而使所述泵装置最高扬程H_{泵装置最高扬程}工况点进入水泵稳定工作区；根据水泵比例律，按式(4)计算所需的水泵转速：

式中，k_H为安全系数，为确保最高扬程工况点位于稳定工作区，取安全系数k_H＝0.95；(n_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的水泵转速，r/min；

根据大功率变频电源高效工作对调频范围的要求，按(4)式算得的水泵转速需满足(n_{最高扬程工况点})_i,j≤1.35n_i,j的条件，若满足此条件则进行第③步工作，否则返回第①步进行下一个叶片安放角的计算；

③在第②步工作的基础上，根据导叶式混流泵相似律，将所述叶轮直径为D₀、转速为n₀的导叶式混流泵模型综合性能曲线换算为叶轮直径为D_i,j、转速为(n_{最高扬程工况点})_i,j的导叶式混流泵原型综合性能曲线；根据所述导叶式混流泵原型综合性能曲线，在水泵转速为(n_{最高扬程工况点})_i,j的条件下，计算第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j、水泵效率((η_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j和水泵临界空化余量((NPSHc)_{最高扬程工况点})_i,j；

④根据对泵装置的水力性能与泵装置中水泵的水力性能之间关系的大量研究结果，按式(5)对所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j进行修正，得到所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量：

((Q_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j＝k_Q((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j(5)

式中，k_Q为流量修正系数，k_Q＝0.89；((Q_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵原型在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量，m³/s；

⑤在第④步工作的基础上，应用CFD方法分别计算所述泵装置最高扬程工况点的进水流道水头损失((Δh_进水流道)_{最高扬程工况点})_i,j和出水流道水头损失((Δh_出水流道)_{最高扬程工况点})_i,j；根据泵装置流道效率的定义，计算所述泵装置最高扬程工况时的流道效率((η_流道)_{最高扬程工况点})_i,j；

⑥根据泵装置中泵装置效率η_泵装置与水泵效率η_水泵、流道效率η_流道之间的能量关系，计算所述泵装置最高扬程工况点的泵装置效率((η_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j；

⑦根据泵装置效率η_泵装置的定义，计算所述泵装置最高扬程工况点的水泵轴功率((P_泵轴)_{最高扬程工况点})_i,j；

⑧根据泵装置有效空化余量常规计算公式，计算最高扬程工况点的泵装置有效空化余量((NPSHa)_{最高扬程工况点})_i,j；根据泵装置抗空化安全系数的定义，计算最高扬程工况点的所述泵装置抗空化安全系数(k_抗空化)_i,j：

⑨将第j个叶片安放角的有关计算数据列入所属第i个导叶式混流泵原型的主要计算结果表；

⑩若j＜M，则令j＝j+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑨步的计算工作；若j＝M，则进入第(5)步骤；

(5)若i＜N，则令i＝i+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑩步的计算工作；若i＝N，则进入第(6)步骤；

(6)将N个导叶式混流泵原型的计算结果汇总列表，形成供所述泵装置选用的导叶式混流泵装置方案表；该表列出的主要项目包括：导叶式混流泵模型型号、叶片安放角、水泵叶轮直径、设计扬程工况点的水泵转速、最高扬程工况点的水泵转速、泵装置流量、水泵轴功率和泵装置抗空化安全系数；

(7)泵装置抗空化安全系数k_抗空化关系到泵装置的稳定运行，水泵轴功率P_泵轴决定了电机配套功率，叶轮直径D决定了水泵尺寸；k_抗空化、P_泵轴和D为影响泵装置方案优选的三大主要因素，根据它们对泵装置影响的重要性，分别给予0.55、0.25和0.20的权重；为便于对所述导叶式混流泵装置方案进行综合定量比较，分别以参与比选的所有泵装置方案的泵装置抗空化安全系数k_抗空化的最大值、水泵轴功率P_泵轴的最小值和水泵叶轮直径D的最小值为基准，计算各个因素的单项得分，并对各单项得分与各自权重的乘积求和，以计算泵装置方案的综合得分；

(8)按计算所得的综合得分的高低对所有参与比选的泵装置方案进行排名，选出综合得分最高的导叶式混流泵装置方案供所述泵站采用。

2.根据权利要求1所述的一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法，其特征是，步骤(7)中所述以参与比选的所有泵装置方案的泵装置抗空化安全系数k_抗空化的最大值为基准，按(6)式计算k_抗空化的单项得分：

式中，(X_抗空化)_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置抗空化安全系数的单项得分；[(k_抗空化)_i,j]_max为参与比选的所有泵装置方案的泵装置抗空化安全系数的最大值；

步骤(7)中所述以参与比选的所有泵装置方案的水泵轴功率P_泵轴的最小值为基准，按(7)式计算P_泵轴的单项得分：

式中，(X_泵轴)_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时水泵轴功率的单项得分；[(P_泵轴)_i,j]_min为参与比选的所有泵装置方案的水泵轴功率的最小值；

步骤(7)中所述以参与比选的所有泵装置方案的水泵叶轮直径D的最小值为基准，按(8)式计算D的单项得分：

式中，(X_叶轮直径)_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时水泵叶轮直径的单项得分；[D_i,j]_min为参与比选的所有泵装置方案的水泵叶轮直径的最小值；

对所述泵装置抗空化安全系数k_抗空化、水泵轴功率P_泵轴、叶轮直径D三大因素各单项得分与各自权重的乘积求和：

X_i,j＝(X_抗空化)_i,j×0.55+(X_泵轴)_i,j×0.25+(X_叶轮直径)_i,j×0.20 (9)

式中，X_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的所述三大因素的综合得分。

3.如权利要求1-2所述的避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法在设计扬程较低、最高扬程较高且两者相差较大的大流量泵站上的应用。

说明书

技术领域

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用，主要用于设计扬程较低、最高扬程较高，两者相差较大的大流量泵站。

背景技术

我国东部沿江地区一些大流量排涝泵站的设计扬程较低、最高扬程较高，两者相差较大。这种类型的泵站，若选用轴流泵装置，则在其设计扬程工况时可以得到很好的水力性能，但其在最高扬程工况时将进入水泵的不稳定工作区；若选用导叶式混流泵装置，则可保证水泵在最高扬程工况时稳定工作，但在其设计扬程工况时则可能因水泵空化性能较差而产生强烈振动。现有的方法是选用导叶式混流泵装置，采用这种方法的泵站虽可保证其在最高扬程工况运行时的稳定性，但不能保证其在设计工况运行时得到良好的水力性能，甚至有些泵站在较低扬程工况运行时会发生明显的汽蚀振动，严重影响到水泵机组的稳定运行。

发明内容

本发明的目的就是针对上述方法的缺陷，提供一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用，本发明以泵装置抗空化安全系数、水泵轴功率和叶轮直径等三个主要因素的综合得分最高为依据，通过计算优选最适合于所述泵站的导叶式混流泵及叶片安放角、叶轮直径和转速，以确保泵装置既能在扬程较高的最高扬程工况稳定工作，又能在扬程较低的设计扬程工况具有优良的水力性能。本发明的特征是：对于设计扬程较低、最高扬程较高的泵站，为确保导叶式混流泵装置在设计扬程工况具有良好的抗空化性能，在进行水泵选型时，尽可能采用较低的nD值；在最高扬程工况，通过采用变频电源提高水泵转速，使泵装置的最高扬程工况点进入水泵的稳定工作区；计算泵装置最高扬程工况点的流量、效率、水泵轴功率、临界空化余量和泵装置抗空化安全系数；在目前经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的导叶式混流泵模型，逐个导叶式混流泵模型地进行计算和排查，以泵装置抗空化安全系数、水泵轴功率和叶轮直径等三个主要因素的综合得分最高为判别依据，优选最适用于所述泵站的导叶式混流泵装置方案。本发明提供的方法对保证设计扬程与最高扬程相差较大的沿江地区大流量排涝泵站的安全、稳定运行具有十分重要意义。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

(1)针对拟应用本发明的大流量泵站泵装置的单泵设计流量、设计扬程和最高扬程，在目前国内经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的N个导叶式混流泵模型，并将它们顺次编号为i＝1,2,3,......,N；

(2)根据所述N个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D₀＝0.3m、转速n₀＝1450r/min的综合性能曲线，将各个导叶式混流泵模型正常运行范围内的叶片安放角由大到小依次编号为j＝1,2,3,......,M，并列出各导叶式混流泵模型的各个叶片安放角的最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j；

(3)根据统计分析研究结果，导叶式混流泵模型各叶片安放角在其运行范围内的水泵扬程H与流量Q、水泵效率η_水泵与流量Q、水泵临界空化余量NPSHc与流量Q可分别用以下关系式表达：

①水泵扬程H与流量Q之间二次三项式的关系

H＝A+BQ+CQ²(1)

式中，H为水泵扬程，m；Q为流量，m³/s；A、B和C分别为(1)式中零次项、一次项和二次项的系数；

可运用关系式(1)根据导叶式混流泵某一运行工况点的扬程H计算该工况点的流量Q；

②水泵效率η_水泵与流量Q之间三次多项式的关系

η_水泵＝EQ+FQ²+GQ³(2)

式中，η_水泵为水泵效率，％；E、F和G分别为(2)式中一次项、二次项和三次项的系数；

可运用关系式(2)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵效率η_水泵；

③水泵临界空化余量NPSHc与流量Q之间三次多项式的关系

NPSHc＝R+SQ+TQ²+UQ³(3)

式中，NPSHc为水泵临界空化余量，m；R、S、T和U分别为(3)式中零次项、一次项、二次项和三次项的系数；

可运用关系式(3)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵临界空化余量NPSHc；

(4)根据所述N个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，在水泵正常运行范围内，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地完成以下各步的工作：

①针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，根据所述泵站泵装置的设计扬程和单泵设计流量，以尽可能降低nD值为原则，选择合适的水泵叶轮直径D_i,j(单位为m)和水泵转速n_i,j(单位为r/min)，使所述泵装置设计扬程H_{泵装置设计扬程}工况点位于或尽可能接近于第i个导叶式混流泵模型、第j个叶片安放角能量性能的最高效率区，同时使该工况点的临界空化余量随之明显减小；

②在第①步工作的基础上，保持所选择的水泵叶轮直径D_i,j不变，通过提高水泵转速提高第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j，从而使所述泵装置最高扬程H_{泵装置最高扬程}工况点可以进入水泵稳定工作区；根据水泵比例律，按下式计算所需的水泵转速：

式中，k_H为安全系数，为确保最高扬程工况点位于稳定工作区，取安全系数k_H＝0.95；(n_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的水泵转速，r/min；

根据大功率变频电源高效工作对调频范围的要求，按(4)式算得的水泵转速需满足(n_{最高扬程工况点})_i,j≤1.35n_i,j的条件，若满足此条件则进行第③步工作，否则返回第①步进行下一个叶片安放角的计算；

③在第②步工作的基础上，根据导叶式混流泵相似律，将所述叶轮直径为D₀、转速为n₀的导叶式混流泵模型综合性能曲线换算为叶轮直径为D_i,j、转速为(n_{最高扬程工况点})_i,j的导叶式混流泵原型综合性能曲线；根据所述导叶式混流泵原型综合性能曲线，在水泵转速为(n_{最高扬程工况点})_i,j的条件下，计算第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j、水泵效率((η_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j和水泵临界空化余量((NPSHc)_{最高扬程工况点})_i,j；

④根据对泵装置的水力性能与泵装置中水泵的水力性能之间关系的大量研究结果，可按下式对所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j进行修正，得到所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量：

((Q_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j＝k_Q((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j(5)

式中，k_Q为流量修正系数，k_Q＝0.89；((Q_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵原型在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量，m³/s；

⑤在第④步工作的基础上，应用CFD方法分别计算所述泵装置最高扬程工况点的进水流道水头损失((Δh_进水流道)_{最高扬程工况点})_i,j和出水流道水头损失((Δh_出水流道)_{最高扬程工况点})_i,j；根据泵装置流道效率的定义，计算所述泵装置最高扬程工况时的流道效率((η_流道)_{最高扬程工况点})_i,j；

⑥根据泵装置中泵装置效率η_泵装置与水泵效率η_水泵、流道效率η_流道之间的能量关系，计算所述泵装置最高扬程工况点的泵装置效率((η_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j；

⑦根据泵装置效率η_泵装置的定义，计算所述泵装置最高扬程工况点的水泵轴功率((P_泵轴)_{最高扬程工况点})_i,j；

⑧根据泵装置有效空化余量常规计算公式，计算最高扬程工况点的泵装置有效空化余量((NPSHa)_{最高扬程工况点})_i,j；根据泵装置抗空化安全系数的定义，计算最高扬程工况点的所述泵装置抗空化安全系数(k_抗空化)_i,j：

⑨将第j个叶片安放角的有关计算数据列入所属第i个导叶式混流泵原型的主要计算结果表；

⑩若j＜M，则令j＝j+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑨步的计算工作；若j＝M，则进入第(5)步骤；

(5)若i＜N，则令i＝i+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑩步的计算工作；若i＝N，则进入第(6)步骤；

(6)将N个导叶式混流泵原型的计算结果汇总列表，形成供所述泵装置选用的导叶式混流泵装置方案表；该表列出的主要项目包括：导叶式混流泵模型型号、叶片安放角、水泵叶轮直径、设计扬程工况点的水泵转速、最高扬程工况点的水泵转速、泵装置流量、水泵轴功率和泵装置抗空化安全系数；

(7)泵装置抗空化安全系数k_抗空化关系到泵装置的稳定运行，水泵轴功率P_泵轴决定了电机配套功率，叶轮直径D决定了水泵尺寸；k_抗空化、P_泵轴和D为影响泵装置方案优选的三大主要因素，根据它们对泵装置影响的重要性，分别给予0.55、0.25和0.20的权重；为便于对所述导叶式混流泵装置方案进行综合定量比较，分别以参与比选的所有泵装置方案的泵装置抗空化安全系数k_抗空化的最大值、水泵轴功率P_泵轴的最小值和水泵叶轮直径D的最小值为基准，计算各个因素的单项得分，并对各单项得分与各自权重的乘积求和，以计算泵装置方案的综合得分；

(8)按计算所得的综合得分的高低对所有参与比选的泵装置方案进行排名，选出综合得分最高的导叶式混流泵装置方案供所述泵站采用。

本发明避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法，适用于设计扬程较低、最高扬程较高且两者相差较大的大流量泵站。

本发明的目的是这样实现的：

(1)针对拟应用本发明的大流量泵站泵装置的单泵设计流量、设计扬程和最高扬程，在目前国内经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的N个导叶式混流泵模型，并将它们顺次编号为i＝1,2,3,......,N；

(2)根据所述N个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D₀＝0.3m、转速n₀＝1450r/min的综合性能曲线，将各个导叶式混流泵模型正常运行范围内的叶片安放角由大到小依次编号为j＝1,2,3,......,M，并列出各导叶式混流泵模型的各个叶片安放角的最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j；

(3)根据所述N个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D₀＝0.3m、转速n₀＝1450r/min的综合性能曲线，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地列出其运行范围内的水泵扬程H_i，j与流量Q、水泵效率(η_水泵)_i,j与流量Q、水泵临界空化余量(NPSHc)_i,j与流量Q之间的关系式；

①第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时水泵扬程H_i,j与流量Q之间的二次三项式关系

H_i,j＝A_i,j+B_i,jQ+C_i,jQ²(6)

式中，H_i,j为第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时的水泵扬程，m；A_i,j、B_i,j和C_i,j分别为第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时的零次项、一次项和二次项的系数；

②第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时水泵效率(η_水泵)_i,j与流量Q之间的三次多项式关系

(η_水泵)_i,j＝E_i,jQ+F_i,jQ²+G_i,jQ³(7)

式中，(η_水泵)_i,j为第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时的水泵效率，％；E_i,j、F_i,j和G_i,j分别为第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时的一次项、二次项和三次项的系数；

③第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时水泵临界空化余量(NPSHc)_i,j与流量Q之间的三次多项式关系

(NPSHc)_i,j＝R_i,j+S_i,jQ+T_i,jQ²+U_i,jQ³(8)

式中，(NPSHc)_i,j为第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时的水泵临界空化余量，％；R_i,j、S_i,j、T_i,j和U_i,j分别为第i个导叶式混流泵模型第j个叶片安放角时的零次项、一次项、二次项和三次项的系数；

(4)根据所述N个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，在水泵正常运行范围内，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地完成以下各步的工作：

①针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，根据所述泵站泵装置的设计扬程和单泵设计流量，以尽可能降低nD值为原则，选择合适的水泵叶轮直径D_i,j(单位为m)和水泵转速n_i,j(单位为r/min)，使所述泵装置设计扬程H_{泵装置设计扬程}工况点位于或尽可能接近于所述导叶式混流泵、所述叶片安放角的最高效率区，同时使该工况点的临界空化余量随之明显减小；

②在第①步工作的基础上，保持所选择的水泵叶轮直径D_i,j不变，通过提高水泵转速提高第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j，从而使所述泵装置最高扬程H_{泵装置最高扬程}工况点可以进入水泵稳定工作区；根据水泵比例律，按下式计算所需的水泵转速：

式中，k_H为安全系数，为确保泵装置最高扬程工况点位于稳定工作区，取安全系数k_H＝0.95；(n_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的水泵转速，r/min；

根据大功率变频电源高效工作对调频范围的要求，按(9)式算得的水泵转速需满足(n_{最高扬程工况点})_i,j≤1.35n_i,j的条件，若满足此条件则进行第③步工作，否则返回第①步进行下一个叶片安放角的计算；

③在第②步工作的基础上，根据导叶式混流泵相似律，将所述叶轮直径为D₀、转速为n₀的导叶式混流泵模型综合性能曲线换算为叶轮直径为D_i,j、转速为(n_{最高扬程工况点})_i,j的导叶式混流泵原型综合性能曲线；根据所述导叶式混流泵原型综合性能曲线，在水泵转速为(n_{最高扬程工况点})_i,j的条件下，计算第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j、水泵效率((η_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j和水泵临界空化余量((NPSHc)_{最高扬程工况点})_i,j；

根据水泵相似律，逐个导叶式混流泵、逐个叶片安放角地将所述水泵扬程H_i,j与流量Q、水泵效率(η_水泵)_i,j与流量Q、水泵临界空化余量(NPSHc)_i,j与流量Q之间的关系式换算至叶轮直径为D_i,j、水泵转速为(n_{最高扬程工况点})_i,j时的表达式：

根据关系式(10)，可求得H_i,j＝H_{最高扬程工况点}时所对应的第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j；

将((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j代入式(11)，可算得第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵效率((η_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j；

将((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j代入式(12)，可算得第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵临界空化余量((NPSHc)_{最高扬程工况点})_i,j；

④按下式对所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j进行修正，得到所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量：

((Q_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j＝0.89((Q_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j(13)

式中，((Q_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量，m³/s；

⑤在第④步工作的基础上，应用CFD方法分别计算第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的进水流道水头损失((Δh_进水流道)_{最高扬程工况点})_i,j和出水流道水头损失((Δh_出水流道)_{最高扬程工况点})_i,j；根据泵装置流道效率的定义，计算所述泵装置最高扬程工况点的流道效率：

式中，((η_流道)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的流道效率，％；((Δh_流道)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的进水流道和出水流道水头损失之和，即((Δh_流道)_{最高扬程工况点})_i,j＝((Δh_进水流道)_{最高扬程工况点})_i,j+((Δh_出水流道)_{最高扬程工况点})_i,j；

⑥根据泵装置中泵装置效率η_泵装置与水泵效率η_水泵、流道效率η_流道的能量关系，按下式计算所述泵装置最高扬程工况点的泵装置效率：

((η_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j＝((η_水泵)_{最高扬程工况点})_i,j×((η_流道)_{最高扬程工况点})_i,j×100％(15)

式中，((η_泵装置)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时中泵装置最高扬程工况点的泵装置效率，％；

⑦根据泵装置效率η_泵装置的定义，按下式计算所述泵装置最高扬程工况点的水泵轴功率：

式中，((P_泵轴)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的水泵轴功率，kW；ρ为水的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；

⑧根据泵装置有效空化余量常规计算公式，按下式计算所述泵装置最高扬程工况点的泵装置有效空化余量：

式中，((NPSHa)_{最高扬程工况点})_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的泵装置有效空化余量，m； 为所述泵装置前池最低运行水位，m； 为所述泵装置水泵叶轮中心高程，m；

根据泵装置抗空化安全系数的定义，计算最高扬程工况点的所述泵装置抗空化安全系数：

式中，(k_抗空化)_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的泵装置抗空化安全系数；

⑨将第j个叶片安放角的各有关计算数据列入所属的第i个导叶式混流泵原型的主要计算结果表；该表列出的数据包括：导叶式混流泵模型型号、叶片安放角、水泵叶轮直径、泵装置设计扬程工况点的水泵转速及流量、泵装置最高扬程工况点的水泵转速、流量、水泵效率、进水流道水头损失、出水流道水头损失、流道效率、泵装置效率、水泵轴功率、泵装置有效空化余量、水泵临界空化余量和泵装置抗空化安全系数；

⑩若j＜M，则令j＝j+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑨步的计算工作；若j＝M，则进入第(5)步骤；

(5)若i＜N，则令i＝i+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑩步的计算工作；若i＝N，则进入第(6)步骤；

(6)将N个导叶式混流泵原型的计算结果汇总列表，形成供所述泵装置选用的导叶式混流泵装置方案表，该表列出的主要技术参数指标包括：导叶式混流泵模型型号、叶片安放角、水泵叶轮直径、泵装置设计扬程工况点的水泵转速、泵装置最高扬程工况点的水泵转速、流量、水泵轴功率和泵装置抗空化安全系数；

(7)泵装置抗空化安全系数k_抗空化关系到泵装置的稳定运行，水泵轴功率P_泵轴决定了电机配套功率，叶轮直径D决定了水泵尺寸；k_抗空化、P_泵轴和D为影响泵装置方案优选的三大主要因素，根据它们对泵装置影响的重要性，分别给予0.55、0.25和0.20的权重；

以参与比选的所有泵装置方案的泵装置抗空化安全系数k_抗空化的最大值为基准，计算k_抗空化的单项得分：

式中，(X_抗空化)_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置抗空化安全系数的单项得分；[(k_抗空化)_i,j]_max为参与比选的所有泵装置方案的泵装置抗空化安全系数的最大值；

以参与比选的所有泵装置方案的水泵轴功率P_泵轴的最小值为基准，计算P_泵轴的单项得分：

式中，(X_泵轴)_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时水泵轴功率的单项得分；[(P_泵轴)_i,j]_min为参与比选的所有泵装置方案的水泵轴功率的最小值；

以参与比选的所有泵装置方案的水泵叶轮直径D的最小值为基准，计算D的单项得分：

式中，(X_叶轮直径)_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时水泵叶轮直径的单项得分；[D_i,j]_min为参与比选的所有泵装置方案的水泵叶轮直径的最小值；

对所述三大因素各单项得分与各自权重的乘积求和：

X_i,j＝(X_抗空化)_i,j×0.55+(X_泵轴)_i,j×0.25+(X_叶轮直径)_i,j×0.20(22)

式中，X_i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的所述三大因素的综合得分；

(8)按计算所得的综合得分的高低对所有参与比选的导叶式混流泵装置方案进行排名，选出综合得分最高的泵装置方案供所述泵站采用。

与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：

第一，有效解决了设计扬程与最高扬程相差较大的大流量导叶式混流泵装置在扬程较低的设计工况产生振动的问题。

第二，通过采用较低的nD值进行水泵选型，大大改善了泵装置设计工况的水力性能。

第三，不再需要叶片角度调节机构，从而简化了机组结构，可降低故障率、提高机组正常运行的可靠性。

第四，可利用变频调速进行机组的软起动和软停机，以改善水泵机组启动和停机时的瞬态特性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

某大流量泵站的泵装置，其设计扬程和最高扬程分别为3.38m和7.95m，单泵设计流量为33m³/s，前池最低运行水位 为3m，水泵叶轮中心高程 为0.1m。因该泵站最高扬程与最低扬程相差较大，故本实施例选用导叶式混流泵装置，以保证水泵在最高扬程工况时能稳定工作；同时，为了避免水泵在扬程较低的设计扬程工况时因水泵空化性能差而产生强烈振动，拟应用本发明的方法对该站的导叶式混流泵装置进行计算和优选。

应用本发明对所述导叶式混流泵装置方案进行计算和优选的步骤如下：

1.针对本实施例大流量泵站的单泵设计流量、设计扬程和最高扬程，在目前国内经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选择了TJ04-HLD-02、TJ11-HL-01和TJ11-HL-02等3个型号可能适用的导叶式混流泵模型，将它们顺次编号为i＝1，2，3；

2.根据上述3个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D₀＝0.3m、转速n₀＝1450r/min的综合性能曲线，将型号为TJ04-HLD-02(i＝1)的导叶式混流泵模型正常运行范围内叶片安放角为0°、－2°、－4°、－6°和－8°依次编号为j＝1,2,3,4,5，将型号为TJ11-HL-01(i＝2)的导叶式混流泵模型正常运行范围内叶片安放角为0°、－2°、－4°、－6°和－8°依次编号为j＝1,2,3,4,5，将型号为TJ11-HL-02(i＝3)的导叶式混流泵模型正常运行范围内叶片安放角为0°、－2°、－4°、－6°和－8°依次编号为j＝1,2,3,4,5；将所述3个导叶式混流泵模型各个叶片安放角的最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j列于表1；

表1本实施例3个导叶式混流泵模型各叶片安放角的最高稳定工作扬程(D₀＝0.3m、n₀＝1450r/min)

3.根据所述3个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地列出其运行范围内的水泵扬程H_i,j与流量Q、水泵效率(η_水泵)_i,j与流量Q、水泵临界空化余量(NPSHc)_i,j与流量Q之间的关系式；

(1)TJ04-HLD-02(i＝1)导叶式混流泵模型

①5个叶片安放角的水泵扬程H_1,j与流量Q之间二次三项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：H_1,1＝A_1,1+B_1,1Q+C_1,1Q²＝13.38+28.81Q-67.34Q²

叶片安放角为-2°(j＝2)时：H_1,2＝A_1,2+B_1,2Q+C_1,2Q²＝12.69+30.84Q-77.42Q²

叶片安放角为-4°(j＝3)时：H_1,3＝A_1,3+B_1,3Q+C_1,3Q²＝6.55+59.97Q-121.25Q²

叶片安放角为-6°(j＝4)时：H_1,4＝A_1,4+B_1,4Q+C_1,4Q²＝3.92+75.12Q-158.02Q²

叶片安放角为-8°(j＝5)时：H_1,5＝A_1,5+B_1,5Q+C_1,5Q²＝5.11+70.66Q-171.4Q²

②5个叶片安放角的水泵效率(η_水泵)_1,j与流量Q之间三次多项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：(η_水泵)_1,1＝E_1,1Q+F_1,1Q²+G_1,1Q³＝197.59Q+203.12Q²-567.09Q³

叶片安放角为-2°(j＝2)时：(η_水泵)_1,2＝E_1,2Q+F_1,2Q²+G_1,2Q³＝229.36Q+155.15Q²-609.11Q³

叶片安放角为-4°(j＝3)时：(η_水泵)_1,3＝E_1,3Q+F_1,3Q²+G_1,3Q³＝238.61Q+256.95Q²-873.19Q³

叶片安放角为-6°(j＝4)时：(η_水泵)_1,4＝E_1,4Q+F_1,4Q²+G_1,4Q³＝235.79Q+544.86Q²-1572.4Q³

叶片安放角为-8°(j＝5)时：(η_水泵)_1,5＝E_1,5Q+F_1,5Q²+G_1,5Q³＝253.76Q+624.31Q²-1973.1Q³

③5个叶片安放角的水泵临界空化余量(NPSHc)_1,j与流量Q之间三次多项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：

(NPSHc)_1,1＝R_1,1+S_1,1Q+T_1,1Q²+U_1,1Q³＝20.25-49.05Q+100.87Q²-63.75Q³

叶片安放角为-2°(j＝2)时：

(NPSHc)_1,2＝R_1,2+S_1,2Q+T_1,2Q²+U_1,2Q³＝30.04-126.79Q+279.73Q²-190.28Q³

叶片安放角为-4°(j＝3)时：

(NPSHc)_1,3＝R_1,3+S_1,3Q+T_1,3Q²+U_1,3Q³＝19.56-28.16Q-35.09Q²+127.8Q³

叶片安放角为-6°(j＝4)时：

(NPSHc)_1,4＝R_1,4+S_1,4Q+T_1,4Q²+U_1,4Q³＝25.64-96.57Q+153.6Q²-31.18Q³

叶片安放角为-8°(j＝5)时：

(NPSHc)_1,5＝R_1,5+S_1,5Q+T_1,5Q²+U_1,5Q³＝33.53-139.77Q+174.96Q²+38.47Q³

(2)TJ11-HL-01(i＝2)导叶式混流泵模型

①5个叶片安放角的水泵扬程H_2,j与流量Q之间二次三项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：H_2,1＝A_2,1+B_2,1Q+C_2,1Q²＝11.073+12.041Q-52.553Q²

叶片安放角为-2°(j＝2)时：H_2,2＝A_2,2+B_2,2Q+C_2,2Q²＝10.548+14.413Q-63.543Q²

叶片安放角为-4°(j＝3)时：H_2,3＝A_2,3+B_2,3Q+C_2,3Q²＝10.561+12.823Q-69.816Q²

叶片安放角为-6°(j＝4)时：H_2,4＝A_2,4+B_2,4Q+C_2,4Q²＝10.314+11.828Q-79.352Q²

叶片安放角为-8°(j＝5)时：H_2,5＝A_2,5+B_2,5Q+C_2,5Q²＝10.047+10.421Q-91.108Q²

②5个叶片安放角的水泵效率(η_水泵)_2,j与流量Q之间三次多项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：(η_水泵)_2,1＝E_2,1Q+F_2,1Q²+G_2,1Q³＝277.87Q+149.2Q²-830.57Q³

叶片安放角为-2°(j＝2)时：(η_水泵)_2,2＝E_2,2Q+F_2,2Q²+G_2,2Q³＝309.27Q+138.01Q²-1006.1Q³

叶片安放角为-4°(j＝3)时：(η_水泵)_2,3＝E_2,3Q+F_2,3Q²+G_2,3Q³＝348.16Q+86.905Q²-1170.9Q³

叶片安放角为-6°(j＝4)时：(η_水泵)_2,4＝E_2,4Q+F_2,4Q²+G_2,4Q³＝385.86Q+94.12Q²-1559.1Q³

叶片安放角为-8°(j＝5)时：(η_水泵)_2,5＝E_2,5Q+F_2,5Q²+G_2,5Q³＝418.93Q+176.47Q²-2248.9Q³

③5个叶片安放角的水泵临界空化余量(NPSHc)_2,j与流量Q之间三次多项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：

(NPSHc)_2,1＝R_2,1+S_2,1Q+T_2,1Q²+U_2,1Q³＝21.998-85.546Q+197.16Q²-113.38Q³

叶片安放角为-2°(j＝2)时：

(NPSHc)_2,2＝R_2,2+S_2,2Q+T_2,2Q²+U_2,2Q³＝16.401-37.926Q+31.925Q²+75.215Q³

叶片安放角为-4°(j＝3)时：

(NPSHc)_2,3＝R_2,3+S_2,3Q+T_2,3Q²+U_2,3Q³＝13.983-13.264Q-86.549Q²+252.6Q³

叶片安放角为-6°(j＝4)时：

(NPSHc)_2,4＝R_2,4+S_2,4Q+T_2,4Q²+U_2,4Q³＝12.539-0.5754Q-170.01Q²+418.15Q³

叶片安放角为-8°(j＝5)时：

(NPSHc)_2,5＝R_2,5+S_2,5Q+T_2,5Q²+U_2,5Q³＝11.952+2.0137Q-218.46Q²+566.8Q³

(3)TJ11-HL-02(i＝3)导叶式混流泵模型

①5个叶片安放角的水泵扬程H_3,j与流量Q之间二次三项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：H_3,1＝A_3,1+B_3,1Q+C_3,1Q²＝10.91+29.9Q-98.0Q²

叶片安放角为-2°(j＝2)时：H_3,2＝A_3,2+B_3,2Q+C_3,2Q²＝11.36+26.75Q-102.82Q²

叶片安放角为-4°(j＝3)时：H_3,3＝A_3,3+B_3,3Q+C_3,3Q²＝11.49+24.9Q-112.88Q²

叶片安放角为-6°(j＝4)时：H_3,4＝A_3,4+B_3,4Q+C_3,4Q²＝10.52+31.32Q-148.37Q²

叶片安放角为-8°(j＝5)时：H_3,5＝A_3,5+B_3,5Q+C_3,5Q²＝11.06+25.15Q-161.7Q²

②5个叶片安放角的水泵效率(η_水泵)_3,j与流量Q之间三次多项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)时：(η_水泵)_3,1＝E_3,1Q+F_3,1Q²+G_3,1Q³＝228.91Q+626.93Q²-1722.7Q³

叶片安放角为-2°(j＝2)时：(η_水泵)_3,2＝E_3,2Q+F_3,2Q²+G_3,2Q³＝224.11Q+816.69Q²-2215Q³

叶片安放角为-4°(j＝3)时：(η_水泵)_3,3＝E_3,3Q+F_3,3Q²+G_3,3Q³＝243.84Q+944.83Q²-2782.4Q³

叶片安放角为-6°(j＝4)时：(η_水泵)_3,4＝E_3,4Q+F_3,4Q²+G_3,4Q³＝255.7Q+1310.1Q²-4143.7Q³

叶片安放角为-8°(j＝5)时：(η_水泵)_3,5＝E_3,5Q+F_3,5Q²+G_3,5Q³＝290.72Q+1526.7Q²-5494.2Q³

③5个叶片安放角的水泵临界空化余量(NPSHc)_3,j与流量Q之间三次多项式的关系分别为

叶片安放角为0°(j＝1)：

(NPSHc)_3,1＝R_3,1+S_3,1Q+T_3,1Q²+U_3,1Q³＝16.61-23.12Q-4.28Q²+64.06Q³

叶片安放角为-2°(j＝2)：

(NPSHc)_3,2＝R_3,2+S_3,2Q+T_3,2Q²+U_3,2Q³＝7.47+58.7Q-255.3Q²+319.56Q³

叶片安放角为-4°(j＝3)：

(NPSHc)_3,3＝R_3,3+S_3,3Q+T_3,3Q²+U_3,3Q³＝10.29+32.52Q-191.72Q²+279.4Q³

叶片安放角为-6°(j＝4)：

(NPSHc)_3,4＝R_3,4+S_3,4Q+T_3,4Q²+U_3,4Q³＝20.53-23.3Q-205.51Q²+514.96Q³

叶片安放角为-8°(j＝5)：

(NPSHc)_3,5＝R_3,5+S_3,5Q+T_3,5Q²+U_3,5Q³＝13.74+1.86Q-187.96Q²+416.38Q³

4.根据所述3个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，在水泵正常运行范围内，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地完成以下各步的工作：

(1)针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，根据所述泵站泵装置的设计扬程和单泵设计流量，以尽可能降低nD值为原则，选择合适的水泵叶轮直径D_i,j(单位为m)和水泵转速n_i,j(单位为r/min)，使所述泵装置设计扬程H_{泵装置设计扬程}工况点位于或尽可能接近于所述导叶式混流泵、所述叶片安放角的最高效率区，同时使该工况点的临界空化余量随之明显减小；本实施例的水泵叶轮直径D_i,j和水泵转速n_i,j的选择结果列于表2；

(2)针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，在第(1)步工作的基础上，保持所选择的水泵叶轮直径D_i,j不变，通过提高转速提高所述导叶式混流泵的最高稳定工作扬程(Hmax)_i,j，从而使所述泵装置的最高扬程H_{泵装置最高扬程}工况点可以进入水泵稳定工作区；根据水泵比例律，按(9)式计算所需的水泵转速(n_{最高扬程工况点})_i,j；

①TJ04-HLD-02(i＝1)导叶式混流泵

叶片安放角为0°(j＝1)时：

叶片安放角为-2°(j＝2)时：

叶片安放角为-4°(j＝3)时：

叶片安放角为-6°(j＝4)时：

叶片安放角为-8°(j＝5)时：

②TJ11-HL-01(i＝2)导叶式混流泵

叶片安放角为0°(j＝1)时：

叶片安放角为-2°(j＝2)时：

叶片安放角为-4°(j＝3)时：

叶片安放角为-6°(j＝4)时：

叶片安放角为-8°(j＝5)时：

③TJ11-HL-02(i＝3)导叶式混流泵

叶片安放角为0°(j＝1)时：

叶片安放角为-2°(j＝2)时：

叶片安放角

一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。