CN100392253C - 离心泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心泵，它包括泵体、泵轴和叶轮，泵体的一端呈空腔状形成蜗壳，泵体的另一端内装设有泵轴，所述叶轮设于泵体的蜗壳内并装设于泵轴上，所述叶轮包括轮壳、腹板以及装设于腹板上的2块或2块以上的叶片，相邻叶片之间形成流道，所述蜗壳通过叶轮的流道与泵体上开设的进水口和出水口连通，所述叶片由主叶片和副叶片组成，所述主叶片和副叶片在叶轮的小半径端重叠在一块，随着叶轮半径的增大主叶片和副叶片之间的距离渐宽，主叶片和副叶片在叶轮的最大半径处通过一密封板相连。本发明是一种结构简单、能够提高离心泵的工作效率，能大大降低能耗的离心泵。
Description
技术领域
本发明主要涉及到一种离心泵。
背景技术
自从离心泵问世以来，其工作的核心部件叶轮的结构就一直建立在一个假设的理论基础之上的，就是使叶轮的叶片数量无限多，叶片的厚度无限小，从而达到消除水在叶轮内涡流以提高整个离心泵的工作效率以达到节能的效果。但在实际结构中，叶轮的叶片数量是寥寥无几的，即在离心泵整体设计的有效体积下，叶片的数量是有限的，而且叶片也存在一定的厚度。正因为理论与实际存在着此种差异，多少世纪以来，人们普遍认为这些无用功的消耗是属于正常的。以水泵为例，尽管有的水泵其运行效率不到50％，人们却坚持照样生产、照样使用，认为这是客观存在。事实并非如此，众所周知，水泵的工作是依靠叶轮的高速旋转给水产生沿半径方向的离心力来做功的，但是水在叶轮中还同时受到另一种与叶轮旋转相反的切线方向的“科里奥利”力(以下简称科氏力)和惯性力的作用，且产生加速度α1和α2，形成合力加速度α。(参见图4)。“科氏力”是真实存在，火车从地球的北极点出发沿着经线运行时，其右边(西边)一根钢轨磨损加大；同样，从南极点开出的火车，其左边(西边)一根钢轨磨损加大，这是因为地球往东边旋转所产生的“科氏”力作用造成的结果。而泥沙泵的叶轮和锅炉引风机的叶轮，参见图4所示，其叶片工作面F1磨损比非工作面F2要严重得多也证明了“科氏”力的存在。因此叶轮在高速旋转时，介质在叶轮中所受离心力将随着半径的增加而加大，“科氏”力则是随水在叶轮内半径方向的流速增加而加大的，而且其方向为叶轮旋转相反的切线方向；所谓惯性力是因为科氏力并不是在水泵叶轮的中心点开始，而是叶片进水口半径处开始，也就是说进水管道的水在进入叶轮的叶片流道以前并不旋转，直到水在进入叶片时才开始突然加速旋转，这种加速度的相反方向就会产生惯性力，惯性力和“科氏力”为同一方向。叶轮进水口处半径要比出水口处的半径小得多，也就是说两叶片之间的弧长，其出口处要比进口处大得多。长期以来，人们为了弥补此进出口弧长的差别，采用缩小叶轮出水口处的轴向宽度的办法来解决(参见图4)。无论叶轮出口轴向宽度缩小或不缩小，对传统的水泵叶轮都存在严重的缺点：
1.水在叶轮中除受到径向离心力外，还受到切向(横向)的“科里奥利”力和惯性力的作用。所以靠近叶片背面区域的水在“科氏”力和惯性力的作用下会拼命的往后面一块叶片的工作面方向“挤”去。因此，靠近叶片工作面附近的出口处，水流速度将会加快，从而使此处的摩擦阻力增大。此时出口附近的水其自身所产生的离心力已不够克服其加速流动所带来的阻力，还要依靠叶轮的中间半径处介质的离心力把出口附近的水“推”出去。而半径大处其水的离心力也大，那么正常情况下应该是大半径处水的离心力要去拉动小半径处的水，使水加快进入叶轮，因此就能提高进水口处的负压，从而提高水泵的进水扬程和流量。但是以上现象就恰恰相反。也有的其大半径处的较大离心力能满足靠近叶片工作面一段出口处水的加速流动所增加的摩擦阻力，但其再也无力去抽吸流道进口处的水流加速进入了只能靠流道中小半径处水的离心力来抽吸流道进口的水。因此发生此种过程无疑要影响水泵的流量。
2.由于靠近叶片背面的水被“科氏”力和惯性力所产生的加速度α1和α2拉向了另一叶片工作面附近去了，所以叶片背面附近的区域内将会形成“负压”区(如图4所示的“F3”区域)。此负压区会将叶轮以外蜗壳内的带正压的水拉进来形成涡流。此种现象就象水堰的溢流口流下的水所形成的“水雍”造成涡流一样的原理(如图4所示的“F4”区为“水雍”现象)。此现象每种离心泵(风机)的叶轮都存在，只是程度不同而已。
3.还有一种不良结构的离心泵叶轮，其流道出口与进口的过度收缩后的轴向宽度相等或出口略小点。这样的叶轮内靠近叶片工作面的水流将向外作加速运动。不能充分利用大半径处有着较大离心力来抽吸小半径处加速度进水。因为叶片背面附近区域的水同样受到“科氏”力和惯性力的影响而拼命往后面叶片工作面“挤”，此处同样形成了负压和空穴区。但是因为叶轮出口处流道轴向宽度较大，很容易使蜗壳内的水进入此负压空穴区内。所以流道出口一段的水不能形成对叶轮进口处的抽吸作用。此种现象就好象盆里盛着水，在其底部开一个小孔，此时孔口所流出的水作加速度往下流。如果在孔的出口处焊上一节内径与孔径相等的短管，此时管内水流就变成了匀速运动，而且比不焊管时的流量要大很多。这是因为短管内水柱对入口的抽吸作用造成的。如果所焊短管的直径加大2～3倍，管内水的流动就会变成与不焊管时一样作加速运动，其流量也变成与不焊管时一样大了。这是因为管的底部会在周围进入空气的缘故。此例与离心泵叶轮流道中水的流动很相似。所以应该设法避免水在叶轮流道进口一段以后不再作加速度运动。但流道进口处又恰恰相反，应设法使水有较大的加速度进入叶轮流道内。所以流道进口处的轴向宽度应加大些并且由大到小圆滑过度。更重要的是要设法杜绝叶片背面附近产生负压和空穴区的现象。
4.传统的叶轮外径出口处的轴向宽度变小，而且出口中心不在蜗壳中心，这样将造成以下缺点，前者既不能充分利用水离开叶轮外径时所具有动能，因为狭窄的喷水怎能冲动大管径水的前进，所以只能将动能转变为静压力水后，再由静压力将水压向出水管。又因叶轮出口处轴向宽度不在蜗壳中心，将会使流体沿着蜗壳流道一单侧横向作螺旋状旋转，对于那些小流量和高扬程的泵，此种现象就会特别严重，因此而消耗很多无用功。
从以上分析可知，对那些流量较大的和扬程不很高的水泵，以上几种现象较小，但还是存在影响。特别是叶片数量较多的叶轮，叶片背面负压的涡流较小，但叶片过密，其摩擦表面增加，也增加了摩擦损失。对那些流量较小，扬程又较高的水泵影响就会很大，值得特别提出的是对那些广泛用于工业生产中的纸浆泵、泥沙泵和一切输送含有固体物和悬浮物的液体容易将叶轮进水口堵塞的泵，因其叶片数量偏少，以上现象的影响就会更大一些，因此其运行效率也会很低。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、能够提高离心泵的工作效率，能大大降低能耗的离心泵。
为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种离心泵，它包括泵体、泵轴和叶轮，泵体的一端呈空腔状形成蜗壳，泵体的另一端内装设有泵轴，所述叶轮设于泵体的蜗壳内并装设于泵轴上，所述叶轮包括轮壳、腹板以及装设于腹板上的2块或2块以上的叶片，相邻叶片之间形成流道，所述蜗壳通过叶轮的流道与泵体上开设的进水口和出水口连通，其特征在于：所述叶片由主叶片和副叶片组成，所述主叶片和副叶片在叶轮的小半径端重叠在一块，随着叶轮半径的增大主叶片和副叶片之间的距离渐宽，主叶片和副叶片在叶轮的最大半径处通过一密封板相连。
所述流道为叶片的主叶片与相邻叶片的副叶片之间的空腔，从叶轮的小半径处至叶轮的大半径处流道的法向宽度处处相等。
所述叶轮出口的外圆周轴向宽度等于或大于蜗壳的内宽的一半，且叶轮出口的中心线与蜗壳的中心线重合。
所述主叶片和副叶片于叶轮小半径端重叠于一起的厚度等于叶轮大半径端一块主叶片或副叶片的厚度。
所述叶片的主叶片和副叶片与叶轮外径圆弧曲面组成一个曲面斜三角形，所述密封板设置于叶片的主叶片和副叶片与叶轮外径的重合处。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的离心泵叶轮安装于离心泵后，能使叶轮流道中的介质的所有流线几乎均处于平行的稳定流动，使该介质在叶轮各流道中无涡流、无旋流和无湍动。整个叶轮的结构就像用若干根方形弯管等分焊于一块圆形平板上一样，所以介质在叶轮内的流动就变成了弯管内的平稳流动。流道中的任一横截面上都接近均匀的压力流场。流道中除进口一段为过度加速流动外，流道的其余部分都接近等速流动。因此，在流道任何一个横截面上不存在有正压和负压的变化。所以完全消除了叶片背面的负压和空穴，从而避免了蜗壳内的水倒流到叶轮内形成“水雍”和涡流的现象发生；
2、本发明的离心泵，由于叶轮旋转所产生的离心力与“科氏”力和惯性力之合力的方向也几乎是向着后弯形方向。所以流道中流场的密度较均匀。前面说过，流道中的流速几乎相等，就好象管内流动一样。这样有利于叶轮流道内大半径处的较大离心力去抽吸小半径处流道中水流的作用。从而使流道进口处水的流速加快，水泵进水管中的真空度提高后，同时也就增加了水泵的流量，从而达到提高水泵的运行效率。
3、本发明的离心泵，因为各个流道的法向宽度近乎均相等，因此使叶轮的各个流道的横截面都几乎成了正方形，较传统的叶轮结构的狭窄流道中的湿周长大大减少，从而加大了流道中的水力半径，从而减少了流道中的水力摩擦损失；
4、本发明的离心泵，由于叶轮流道出水口的轴向宽度较传统的宽度加大了，所以出口处所喷出的水不再像传统的成为一块间断的薄形水饼。而是成为有较大宽度的间断喷出的方形水柱。从而消除了蜗壳内的单侧旋转螺旋状的涡流。另一方面，由于流道口轴向宽度的增加，就能充分利用流道出口处水在喷出时所具有的动能，不再因蜗壳两边水流的旋转将部分动能转变为势能，再由势能转变为动能的往返能量转换，从而也避免了一些能量损失。
附图说明
图1是本发明离心泵的结构示意图；
图2是本发明叶轮结构的正视示意图；
图3是本发明叶轮结构的侧向剖视示意图；
图4是现有技术中叶轮结构的示意图。
图例说明
1、泵轴 2、轴承座
3、轴承 4、密封层
5、蜗壳 6、出水口
7、叶轮 71、腹板
72、密封板 73、主叶片
74、副叶片 75、流道
76、轮壳 77、叶片
8、进水口 9、泵体
具体实施方式
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明的离心泵，它包括泵体9、泵轴1和叶轮7，泵体9一端的内部呈空腔状形成蜗壳5，该蜗壳5通过叶轮7的流道75与泵体9上开设的进水口8和出水口6连通，泵体9的另一端内装设有泵轴1，该泵轴1通过轴承座2和轴承3固定于泵体9内，并用密封层4将其与泵体9内另一端的蜗壳5隔开，不让水流入。叶轮7设于泵体9的蜗壳5内并装设于泵轴1上，叶轮7包括轮壳76、腹板71以及装设于腹板71上的2块或2块以上的叶片77，相邻叶片77之间形成流道75，该叶片77由主叶片73和副叶片74组成，主叶片73和副叶片74在叶轮7的小半径端重叠在一块，随着叶轮7半径的增大，主叶片73和副叶片74之间的距离渐宽，主叶片73和副叶片74在叶轮7的最大半径处通过一密封板72相连。在较佳实施例中，主叶片73和副叶片74于叶轮7小半径端重叠于一起的厚度等于叶轮7大半径端一块主叶片73或副叶片74的厚度。叶片77的主叶片73和副叶片74与叶轮7外径圆弧曲面组成一个曲面斜三角形，密封板72设置于叶片77的主叶片73和副叶片74与叶轮7外径的重合处，该密封板72用一块薄钢板制成，沿着叶轮7外径的曲面用铆钉封严，使水流不进入此斜三角形区内。该流道75为叶片77的主叶片73与相邻叶片7的副叶片74之间的空腔，这样的话还可进一步使从叶轮7的小半径处至叶轮7的大半径处流道75的法向宽度处处相等，整个叶轮7的结构就像用若干根方形弯管等分焊于一块圆形平板上一样，所以介质在叶轮7内的流动就变成了弯管内的平稳流动，流道75中的任一横截面上都接近均匀的压力流场，因此就能使叶轮7流道75中的介质的所有流线几乎均处于平行的稳定流动，使该介质在叶轮7各流道75中形成无涡流、无旋流和无湍动的流动，整个流道75中除进口一段为过度加速流动外，流道75的其余部分都接近等速流动。如上所述，在流道75任何一个横截面上就不再存在有正压和负压的变化，完全消除了叶片77背面的负压和空穴，从而避免了蜗壳5内的水倒流到叶轮7内形成“水雍”和涡流的现象发生。在较佳实施例中，可进一步使叶轮7出口的外圆周轴向宽度等于或大于蜗壳5的内宽的一半，且叶轮7出口的中心线与蜗壳5的中心线重合，这样对提高泵的运行效率更有利。如果这样结构，其进水口的过渡区将要有一段伸出壳体外面；且可使过度收缩后的流道75法向横截面与流道75出口处法向横截面基本相等，这样使叶轮7出口喷出的水的轴向宽度加大后将会消除蜗壳5中的横向螺旋状涡流。本发明的离心泵包括清水泵、污水泵、泥浆泵、纸浆泵、化工耐腐蚀泵、油泵等一切离心式泵。
Claims (8)
1.一种离心泵，它包括泵体(9)、泵轴(1)和叶轮(7)，泵体(9)的一端呈空腔状形成蜗壳(5)，泵体(9)的另一端内装设有泵轴(1)，所述叶轮(7)设于泵体(9)的蜗壳(5)内并装设于泵轴(1)上，所述叶轮(7)包括轮壳(76)、腹板(71)以及装设于腹板(71)上的2块或2块以上的叶片(77)，相邻叶片(77)之间形成流道(75)，所述蜗壳(5)通过叶轮(7)的流道(75)与泵体(9)上开设的进水口(8)和出水口(6)连通，其特征在于：所述叶片(77)由主叶片(73)和副叶片(74)组成，所述主叶片(73)和副叶片(74)在叶轮(7)的小半径端重叠在一块，随着叶轮(7)半径的增大主叶片(73)和副叶片(74)之间的距离渐宽，主叶片(73)和副叶片(74)在叶轮(7)的最大半径处通过一密封板(72)相连。
2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于：所述流道(75)为叶片(77)的主叶片(73)与相邻叶片(77)的副叶片(74)之间的空腔，从叶轮(7)的小半径处至叶轮(7)的大半径处流道(75)的法向宽度处处相等。
3.根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于：所述叶轮(7)出口处的外圆周轴向宽度等于或大于蜗壳(5)的内宽的一半，且叶轮(7)出口的中心线与蜗壳(5)的中心线重合。
4.根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于：所述主叶片(73)和副叶片(74)于叶轮(7)小半径端重叠于一起的厚度等于叶轮(7)大半径端一块主叶片(73)或副叶片(74)的厚度。
5.根据权利要求3所述的离心泵，其特征在于：所述主叶片(73)和副叶片(74)于叶轮(7)小半径端重叠于一起的厚度等于叶轮(7)大半径端一块主叶片(73)或副叶片(74)的厚度。
6.根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于：所述叶片(77)的主叶片(73)和副叶片(74)与叶轮(7)外径圆弧曲面组成一个曲面斜三角形，所述密封板(72)设置于叶片(77)的主叶片(73)和副叶片(74)与叶轮(7)外径的重合处。
7.根据权利要求4所述的离心泵，其特征在于：所述叶片(77)的主叶片(73)和副叶片(74)与叶轮(7)外径圆弧曲面组成一个曲面斜三角形，所述密封板(72)设置于叶片(77)的主叶片(73)和副叶片(74)与叶轮(7)外径的重合处。
8.根据权利要求5所述的离心泵，其特征在于：所述叶片(77)的主叶片(73)和副叶片(74)与叶轮(7)外径圆弧曲面组成一个曲面斜三角形，所述密封板(72)设置于叶片(77)的主叶片(73)和副叶片(74)与叶轮(7)外径的重合处。
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