CN100520080C - 离心式叶轮和泵设备 - Google Patents

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Abstract

一种离心式叶轮，包括：多个叶片(3)；多个用于从所述叶轮入口(1)将流体传输到所述叶轮出口(2)的流路(P)；以及用于形成所述流路(P)的一个轮罩(4)和一个毂盘(5)，每个所述流路(P)形成于两个相邻的所述叶片(3)之间。所述轮罩(4)的曲线(L3)弯曲成在从叶片入口(A)到所述叶片(3)的一个预定位置(C)的区域内朝所述毂盘(5)突伸，且所述曲线(L3)弯曲成在从所述叶片的所述预定位置(C)到叶片出口(B)的区域内朝所述毂盘(5)的相反侧突伸。

Description

离心式叶轮和泵设备
技术领域
本发明涉及一种离心式叶轮和一种泵设备，尤其涉及一种用于离心泵如蜗形管式离心泵中的离心式叶轮，以通过离心力将动能施加到流体上对流体进行增压，还尤其涉及一种具有这种离心式叶轮的泵设备。
背景技术
在图1A和1B所示的离心式叶轮中，可对叶片110的入口宽度B1和出口宽度B2、离心式叶轮的入口直径D0和出口直径D2、以及叶片110的入口角β1和出口角β2进行设计以满足所需流率和所需泵扬程(pump head)。在传统的离心式叶轮中，需要将叶片110的宽度从入口宽度B1逐渐变化到出口宽度B2，还需要将叶片110的角度从入口角β1逐渐变化到出口角β2。
图2A和2B为子午面剖视图，示出了上述结构的传统离心式叶轮。如图2A和2B所示，该离心式叶轮具有多个设置在轮罩120和毂盘130之间的叶片110(在图2A和2B中只示出了一个叶片)。叶片110在离心式叶轮的周向上以等间隔成角度布置。由相邻两叶片110、轮罩120和毂盘130形成流路140，使流体能流经流路140。在图2A所示的传统离心式叶轮中，轮罩120整体弯曲成朝毂盘130突伸以形成曲线L1。在图2B所示的传统离心式叶轮中，轮罩130朝毂盘130笔直倾斜，形成直线L2。
但是，如图2A和2B所示，如果在轮罩120处形成曲线L1或直线L2，则在离心式叶轮的流率小且泵扬程高即比速(Ns)小的情况下，流路140的子午长度会变长，且子午面横截面内整个流路140的宽度会变小。结果，流体流经流路140的相对速度变大，且因此流路140中的磨擦损失增加，这样降低了叶轮性能。
发明内容
本发明意欲克服上述缺点，因此，本发明的目的在于提供一种离心式叶轮，其能减少流路中的内部损失，以便即使在离心式叶轮比速小的情况下也具有优异的性能，本发明的目的还在于提供一种具有这种离心式叶轮的泵设备。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种离心式叶轮，包括：多个设置在叶轮入口和叶轮出口之间的叶片；多个用于随着所述离心式叶轮的旋转将流体从所述叶轮入口传输到所述叶轮出口的流路，每个所述流路形成于两个相邻的所述叶片之间；以及用于形成所述流路的一个轮罩和一个毂盘；其中，在所述离心式叶轮的子午线平面剖面中，形成所述流路的所述轮罩的曲线弯曲成在从叶片入口到所述叶片的一个预定位置的区域内朝所述毂盘突伸，且所述曲线弯曲成在从所述叶片的所述预定位置到叶片出口的区域内朝所述毂盘的相反侧突伸。
在本发明的一个优选方面，所述叶片的所述预定位置在子午面中位于靠近所述叶片的中心。
根据本发明，与传统离心式叶轮相比，可减少流体流以流路的相对速度，具体而言，在传统的离心式叶轮中，流体流经流路的子午速度在从叶片入口到叶片出口的区域内基本恒定，与此相反，在本发明的离心式叶轮中，在从叶片入口到一个预定位置(即靠近叶片中心的位置)的区域内流路变宽，因而大大减少了流体流经流路的子午速度，因此，减少了流路中的内部损失，因而即使在离心式叶轮的比速较小时也可以得到优异的叶轮性能。
在本发明的一个优选方面，形成于所述毂盘侧和所述轮罩侧的流线在从所述离心式叶轮轴向上看时彼此相对应。
在本发明的一个优选方面，所述相邻两叶片间的距离从所述叶片入口到所述叶片的预定位置逐渐增加，并从述叶片的所述预定位置朝所述叶片出口减少。
根据本发明，因为与传统的离心式叶轮相比，流体速度减少的区域可以延伸到流路的下游侧，可以减少流体和流路之间的摩擦，另外，因为叶片出口处速度分布的非均匀性得到改善，流体中产生的剪应力就减少，因此流路P的下游区域处的损失减少。这里速度分布的非均匀性指的是在垂直于流体流动方向的方向上流体速度的非均匀性。
根据本发明的另一方面，提供一种离心式叶轮，包括：多个设置在叶轮入口和叶轮出口之间的叶片；多个用于随着所述离心式叶轮的旋转将流体从所述叶轮入口传输到所述叶轮出口的流路，每个所述流路形成于两个相邻的所述叶片之间；以及用于形成所述流路的一个轮罩和一个毂盘；其中，所述相邻两叶片间的距离从所述叶片入口到所述叶片的一个预定位置逐渐增加，并从述叶片的所述预定位置朝所述叶片出口减少。
在本发明的一个优选方面，所述叶片的所述预定位置在子午面中位于靠近所述叶片的中心。
在本发明的一个优选方面，形成于所述毂盘侧和所述轮罩侧的流线在从所述离心式叶轮轴向上看时彼此相对应。
根据本发明的另一方面，提供一种泵设备，包括：离心式叶轮；用于容纳所述离心式叶轮的壳体；以及可旋转的主轴，所述离心式叶轮连接到主轴上。
附图说明
图1A为常用离心式叶轮的剖视图；
图1B为常用离心式叶轮的子午面剖视图；
图2A为传统离心式叶轮的子午面剖视图，其中叶轮的轮罩弯曲成朝毂盘突伸；
图2B为传统离心式叶轮的子午面剖视图，其中叶轮的轮罩朝毂盘笔直倾斜；
图3为根据本发明第一实施例的离心式叶轮的子午面剖视图；
图4为图3所示离心式叶轮的剖视图；
图5A为本发明离心式叶轮的流体的相对速度与传统离心式叶轮的比较图；
图5B为本发明离心式叶轮的特征曲线与传统离心式叶轮的特征曲线比较图；
图6A到6E为本发明的离心式叶轮的结构示例，图6A示出了比速为120的离心式叶轮；图6B示出了比速为140的离心式叶轮；图6C示出了比速为200的离心式叶轮；图6D示出了比速为240的离心式叶轮；图6E示出了比速为280的离心式叶轮；以及
图7为具有本发明离心式叶轮的泵设备示例的垂直剖视图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明一个实施例的离心式叶轮。图3为本发明第一实施例的离心式叶轮的子午面剖视图，图4是图3所示离心式叶轮的剖视图。
如图3和图4所示，离心式叶轮包括多个叶片3(图4中只示出了相邻的两个叶片3)、一个轮罩(末梢)4、以及一个毂盘5。叶片3沿离心式叶轮的轴向设置在轮罩4和毂盘5之间，且设置在位于离心式叶轮中央侧的叶轮入口1和位于离心式叶轮周向侧的叶轮出口2之间。叶片3在离心式叶轮周向上以等间隔成角度布置且螺旋式向外延伸。在相邻的叶片3之间形成多个流路P，以便随着离心式叶轮的旋转，使流体穿过流路P从叶轮入口1传输到叶轮出口2。具体而言，由相邻的叶片3、轮罩4和毂盘5围绕成的空间分别构成流路P。图3和图4中只示出了一个流路P。如图4所示，此实施例的离心式叶轮为二维叶轮，其毂盘5一侧和轮罩4一侧的流线在从离心式叶轮轴向上看时是彼此相对应的。具体而言，各叶片3在垂直于毂盘5表面的方向上从毂盘5延伸到轮罩4。
在图3所示离心式叶轮的子午面的剖视图中，形成流路P的轮罩4的曲线L3弯曲成在子午面中从叶片入口A到靠近叶片3中心的位置C(以下称为近中心位置C)的子午长度M1的区域内朝毂盘5突伸，从而使流路P从叶片入口A到近中心位置C变宽。曲线L3还弯曲成在从近中心位置C到叶片出口B的子午长度M2的区域内朝毂盘5的相反侧突伸，从而流路P在近中心位置C的下游区域处变宽，且在叶片出口B附近急剧变窄。
通过这种结构，由于流路P在从叶片入口A到近中心位置C的区域内变宽，流体流经流路P的子午速度大大减少，因此流路P中流体的相对速度与传统离心式叶轮相比可减少。另外，因为流路P在叶片出口B附近变窄，从离心式叶轮中排出的流体的流率减少，因而可得到需要的流率。图5A为本发明离心式叶轮的流体的相对速度与传统离心式叶轮相比的图，图5B为本发明离心式叶轮的特征曲线与传统离心式叶轮相比的图。在图5A和图5B中，实线表示本发明离心式叶轮，虚线表示传统离心式叶轮。
如图5A所示，根据本发明的离心式叶轮，与传统离心式叶轮相比，在从叶片入口A到叶片出口B的区域内流体的相对速度减少，因此，由于流路P中的内部损失减少，即使叶轮的比速很小，也可得到优异的叶轮性能。另外，如图5A所示，在本发明的离心式叶轮中，因为与传统离心式叶轮相比，在叶片出口B处的流体相对速度不会改变，欧拉扬程(Euler head)也不会改变，因此轴输出功率不会增加，提高了泵的效率，如图5B所示。欧拉扬程定义为由欧拉方程给出的理论扬程。
在图4所示的剖视图中，相邻叶片3之间的距离设定为使叶片入口A处的距离a1小于近中心位置C处的距离a2(a1<a2)，且叶片出口B处的距离a3小于距离a2(a3<a2)，从而相邻叶片3间的距离从叶片入口A朝近中心位置C逐渐增加，且从近中心位置C朝叶片出口B减少。因为叶片入口A处的距离a1和近中心位置C处的距离a2都较大，所以与传统离心式叶轮相比，流体速度减少的区域可以延伸到流路P的下游侧。因此，与传统离心式叶轮相比，本发明的离心式叶轮可以减少流体和流路P间的流体磨擦。另外，因为距离a3小于距离a2，叶片出口B处速度分布的非均匀性得到改善。相应地，流体中产生的剪应力就减少，因此流路P的下游区域处的损失减少。
本发明离心式叶轮的形状可以使用三维逆向设计法来进行再现。该三维逆向设计法是一种设计技术，其中规定出叶片负载分布，且通过数值计算来确定能实现所规定叶片负载分布的叶片几何形状。三维逆向设计法的理论在下列文献中有详细描述：Zangeneh，M.，1991，“A Compressible Three-Dimensional Design Method forRadial and Mixed Flow Turbomachinery Blades”，Int.J.NumericalMethods in Fluids，Vol.13，pp.599-624。图6A到6E为本发明离心式叶轮结构的示例，并示出了比速从图6A到图6E逐渐增加的离心式叶轮的变化例。图6A示出的离心式中轮的比速为120；图6B示出的离心式叶轮的比速为140；图6C示出的离心式叶轮的比速为200；图6D示出的离心式叶轮的比速为240；图6E示出的离心式叶轮的比速为280。
在离心式叶轮中，存在着由于在流体和流路内表间的流体磨擦而产生的磨擦损失、以及由于流速分布的非均匀性而产生的混合损失。总之，比速越低，磨擦损失越高。根据本发明，因为流体流过流路的相对速度可以较小，所以可减少磨擦损失。因此，本发明的离心式叶轮在小比速叶轮中也是很有效的，且可以用本发明离心式叶轮与主轴相连来构建具有优异泵性能的泵设备。
图7为具有本发明离心式叶轮的泵设备示例的垂直剖视图。图7所示的泵设备只是本发明应用的一个示例，本发明的离心式叶轮可以用于各种泵设备。
图7所示的泵设备包括具有电机10的电机部分12，组装有本发明离心式叶轮14的泵部分16。主轴18从电机部分12延伸到泵部分16，且离心式叶轮14固定到主轴18下端部。通过这种结构，由电机部分12的电机10产生的驱动力通过主轴18传递到泵部分16的离心式叶轮14上，从而使离心式叶轮14与主轴18一起旋转。
泵部分16包括具有抽吸口20和排出口22的壳体24，和容置于壳体24中的中间壳体25。离心式叶轮14容置在中间壳体25中，处于离心式叶轮14的叶轮入口1朝下的状态。中间壳体25在其下部具有开口部25a，以使中间壳体25的内部与壳体24的内部相通。抽吸口20位于壳体24的一个侧部且与壳体24内部相通，排出口24位于壳体24的相反侧部且与中间壳体25的内部相通。壳体罩26设在中间壳体25和电机部分12之间，以罩住中间壳体25的开口。机械密封28设在壳体罩26的中部，以防止泵部分16中的增压流体进入电机部分12。
在具有这种结构的泵设备中，电机10的驱动力传递给固定到主轴18下端部的离心式叶轮14中，且通过离心式叶轮14的旋转将动能施加到壳体24中的流体(液体)上。因此，当对电机10加能，使离心式叶轮14旋转时，流体从抽吸口20吸入壳体24内部，并被增压，然后从排出口22排出。
虽然已参考其实施例对本发明进行了描述，但是在不偏离本发明精神和范围的前提下可对本发明进行各种修改和变化。
如上所述，根据本发明，与传统的离心式叶轮相比，流体流经流路的相对速度减少了。因此，可以减少流路中的内部损失，且因而即使在离心式叶轮具有小比速时也可以获得优异的叶轮性能。
工业应用
本发明可应用于离心式叶轮和泵设备中，尤其适用于离心泵如蜗形管式离心泵中所用的离心式叶轮中，以通过离心力将动能施加给流体，对流体进行增压，还尤其适用于具有这种离心式叶轮的泵设备中。

Claims (5)

1.一种离心式叶轮，包括：
多个设置在叶轮入口和叶轮出口之间的叶片；
多个用于随着所述离心式叶轮的旋转将流体从所述叶轮入口传输到所述叶轮出口的流路，每个所述流路形成于两个相邻的所述叶片之间；以及
用于形成所述流路的一个轮罩和一个毂盘；
其中，在所述离心式叶轮的子午面横截面中，形成所述流路的所述轮罩的曲线弯曲成在从叶片入口到所述叶片的一个预定位置的区域内朝所述毂盘突伸，从而所述流路从所述叶片入口到所述预定位置变宽，且所述曲线弯曲成在从所述叶片的所述预定位置到叶片出口的区域内朝所述毂盘的相反侧突伸，从而所述流路在所述预定位置的下游区域中变宽，且在所述叶片出口附近急剧变窄。
2.根据权利要求1所述的离心式叶轮，其中，所述叶片的所述预定位置在子午面中靠近所述叶片的中心。
3.根据权利要求1或2所述的离心式叶轮，其中，形成于所述毂盘侧和所述轮罩侧的流线在从所述离心式叶轮轴向上看时彼此相对应。
4.根据权利要求1或2所述的离心式叶轮，其中，所述相邻两叶片间的距离从所述叶片入口到所述叶片的预定位置逐渐增加，并从述叶片的所述预定位置朝所述叶片出口减少。
5.一种泵设备，包括：
根据权利要求1-4中任一项所述的离心式叶轮；
用于容纳所述离心式叶轮的壳体；以及
可旋转的主轴，所述离心式叶轮连接到所述主轴上。
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