CN101368578A - 再生式泵的流道结构 - Google Patents

Abstract

一种再生式泵的流道结构，由封闭式叶轮的叶片流道与泵壳流道组成，一叶轮设有径向叶片，同侧相邻两叶片间的空间构成径向叶片流道，叶片流道包含：叶片入口，叶片入口根部圆弧，叶片侧板，叶片毂板，叶片出口与叶片根部；一圆弧形流道截面的泵壳，流道截面由流道内壁顶部，流道侧边内壁与流道底部内壁构成，其最大宽度靠近叶片入口部，流道内壁顶部靠近叶片出口部，其内径大于叶轮最大外径，流道顶部内壁与流道侧边内壁的夹角为钝角，流道侧边内壁朝流道最大截面宽度处延伸展开，并平滑连接流道底部内壁，流道底部内壁收合转向叶片入口，流道底部内壁与叶片入口根部圆弧保持平滑。本发明可改善再生式泵的噪音问题并可提高输出流量。

Description

再生式泵的流道结构

【技术领域】

本发明是关于一种低噪音的再生式泵封闭式叶轮与泵壳流道结构，特别是关于一种用来改善泵壳流道中流体与叶轮的叶片会产生激烈的流动干涉现象，此一流动干涉现象是再生式泵产生噪音的根源，并会降低泵输出流量，本发明的泵壳循环流道截面在叶片入口侧有最大的截面宽，能确保流道截面的回流流线在叶片出入口都有较佳的曲率半径，封闭式叶轮的叶片只对流道中循环流动的流体作功而不对回流的涡流区流体作功，使涡流区的漩涡流动速度降低，加上封闭式叶轮侧板的隔绝，进而减少叶片与涡流区的流动干涉现象，叶片出口是由叶片侧板斜向延伸到叶片毂板，使得流体在流出叶片出口时有最大的曲率半径，本发明能确保循环流体有合理的曲率半径并减少涡流区对循环流体的流动干涉，以达到降低噪音与提高输出流量的目标。

【背景技术】

再生式泵是目前家庭给水用水最常使用的装置，由于再生式泵具有体积小，能提供符合家庭需求的高压力与流量，例如，由地面加压送水到屋顶的水塔，或由水池抽送用水到室内使用等，有些泵也装置有压力开关与压力桶作为加压泵使用，虽然再生式泵使用广泛但高噪音与低流量却常为使用者诟病。

请参阅图1，再生式泵具备有一入水口8接水管或水源，一出水口9输出经过叶轮3加压后的流体，泵本体2是由泵壳5，泵壳背盖6，叶轮3与轴封4所组成，其中马达1的轴穿过泵壳背盖6与轴封4后直接驱动叶轮3。

请参阅图2，习知技术的再生式叶轮3为约略等厚度圆盘状的结构，叶片根部30的厚度t2与叶轮外缘厚度t1约略相等，在叶轮的外缘部份的两侧都设有数个径向叶片3a，同一侧的相邻两叶片间的空间构成一径向流道3b，叶片3a的结构包含有叶片入口32，叶片入口根部圆弧32a，叶片根部30，叶片侧缘33，叶片出口31与叶片毂板36所构成，叶轮3的中心轮毂的轴孔37上设有键槽39以顺利结合马达轴心，另外在轮毂与叶片根部30圆盘间有数个肋板38相连结，叶轮结构的轴心座标为z轴，径向座标为r轴，叶片径向流道3b之截面与泵壳流道7的截面都是以r-z面座标来描述。

请参阅图3，再生式泵的基本原理是利用叶轮切线速度u转动吸引流体由泵入水口8流入，如图中箭头所示，流体中的粒子的运动轨迹如入口流线76所示，经由叶轮3上的径向叶片3a第一次加压后的循环流线761，流出叶片后便具有r-z面速度cm与旋转方向的切线速度cu，二者速度分量的合即为流体的实际速度，其中切线速度cu是来自叶片3a对流体的作功，当流体离开径向流道3b后便进入泵壳流道7中，经过泵壳流道7内侧壁的引导，流体会再次流到叶轮3的叶片入口32，如循环流线762所示，并经叶片3a再次作功以提高流体切线速度cu，而r-z面速度cm则保持约略相同速度，流体会以相同方式被叶片3a重复加压多次才流出出水口9，如循环流线763，循环流线764，出口流线765所示，所以，当流体经多次叶轮日3加压后流体会具有接近叶轮切线速度u的流速并且具有较高的静压，这也是再生式泵能具备高输出压力的原因。

请参阅图4A、4B，习知技术的泵壳流道7截面是以长方形为主，流体在泵壳流道7截面的回流模式也就是r-z面速度cm流动模式，如图4A与图4B所示，泵壳流道7具圆弧状长方形截面，如图4A所示，流道顶部内壁7a，流道侧边内壁7b，流道底部内壁7c，最大截面宽B3位于流道侧边内壁7b中间部份，图4B矩行边长的等截面宽B3长方形，流道顶部内壁7a，流道侧边内壁7b，流道底部内壁7c，这些基本上以长方形为主的结构截面，其流道顶部内壁7a宽度都不足以让叶片外侧流线78与叶片内侧流线79有足够的空间进行转弯而造成流线曲率半径过小，这二种截面形状的流动模式说明如图4A、图4B，图4D所示，当流体由叶片3a之径向流道3b流出叶片出口31时，如叶片内侧流线79所示，流体必须直角转向流道顶部内壁7a并再以直角转向流道侧边内壁7b，如叶片外侧流线78所示，所以，叶片出口流线曲率半径R2会变的很小，必须作急速的U型转弯，而且叶片出口31的尖点35正好位于流线79的转弯处并产生激烈的流动干涉，叶片外侧流线78沿流道侧边内壁7b朝叶片入口32流去，并在流道底部内壁7c转向叶片内侧流线79时受限于截面的宽度，也必须作急速的U型转弯，而且流道根部圆弧32a激烈以轴向转向外径，此一激烈的U型转弯也是只能有很小的入口流线曲率半径R1，叶片内侧流线79与叶片外侧流线78共同结合成狭长型的回流模式，在回流模式的中间部会有一个长椭圆状涡流区77，而此一涡流区77会占有宽度已过窄的泵壳流道7之截面，并占有一部份的叶片径向流道3b之空间，这会使得叶片3a与涡流区77产生激烈的流动干涉而产生噪音。

为了改善上述问题进一步加大泵壳流道7之截面宽B3是可行的方案之一，如图4C及4D所示，流道顶部内壁7a，流道侧边内壁7b，流道底部内壁7c，最大截面宽B3位于流道侧边内壁7b接近叶片出口31部份，使流道顶部内壁7a与流道侧边内壁7b成圆弧状，其改善的效果可以由图4C与图4D来说明，图中的叶片内侧流线79在流出叶片出口31时，可以因此依流道圆弧内壁而大幅加大出口流线曲率半径R2，但是流道底部内壁7c的宽度与叶片根部30之厚度t2约略相等，这会使得流道内壁7c与叶片入口根部圆弧32a形成尖锐夹角，使得叶片外侧流线78转向叶片内侧流线79时仍要做激烈的U型转向，这样会使入口流线曲率半径R1过小，也将非常不利于流体平顺流入叶片入口32，虽然图4C与图4D的方案中叶片外侧流线78与叶片内侧流线79所构成的回流模式中，会有助于把涡流区77局部微幅往流道顶部内壁7a与侧边内壁7b的方向移动，并有局部移出叶片侧边缘33的效果，但在叶片入口32部宽度不足的问题仍会有高噪音问题，所以，只在叶片出口31侧有更大截面宽度时，只有局部改善的效果并不足以有效解决噪音问题。

以下针对习知技术的再生式叶轮3之叶片3a与流体的激烈流动干涉现象作进一步说明，如图2所示，为等厚度圆盘状叶轮3，叶片根部30的厚度t2与叶片出口31部叶轮外缘厚度t1约略相等，叶片侧缘33与叶片入口32成一径向直线，如图4D所示，此种设计使得叶片除了推动流体在泵壳流7道内的循环流动以外，也让叶片3a持续对涡流区77的流体作功，使截面回流的涡流区77流体以接近叶轮切线速度u的切线速度cu流动，也就是激烈的漩涡流动，虽然这样可以获取较高压力流体输出，但这种结构结实的涡流区77却会占有较多的泵壳流道7之空间，也占有一部份的叶片径向流道3b之空间使输出流量降低，也就是泵壳流道7的截面缺乏适当的设计时，会使得涡流区的漩涡流动加强，加上叶片入口根部圆弧32a作激烈的径向转弯，回流的流体也就被迫做激烈的U型转弯造成入口流线曲率半径R1与出口流线曲率半径R2都有过小的问题，这些流动状况正是流体与叶片3a产生激烈流动干涉的主要原因，这也是再生式泵有高噪音与低流量的原因。

由于再生式泵广为家庭给水用途，除了以上习知的方案以外，仍有许多方案被提出或实施以解决上述问题，例如以下的做法：

1.针对泵入水口流道的面积或结构作修正，以改善入口流线76的流动状况。

2.针对泵出水口流道的面积或结构作修正，以改善出口流线765的流动状况。

3.针对泵壳流道截面宽度作修正，例如圆形截面流道或加宽矩形截面流道等。

由以上的现有技术说明，可以了解到家庭用再生式泵虽然有一些实用的解决方案陆续被提出，但仍有以下缺点：

1.开放式叶轮的等厚度结构使叶片成径向直线状，径向直线叶片侧缘直接对涡流区作功加速漩涡流动。

2.流道截面上的回流模式中，回流区域中间的涡流区与叶片侧边及其尖点会产生流动干涉，严重影响泵性能与噪音。

3.流道截面上的回流模式中，叶片出入口流线的过小曲率半径，严重影响泵性能与噪音。

本发明将针对上述问题提出更有效的解决方案，使再生式泵更能符合未来的家庭需求。

【发明内容】

本发明的目的是在于提供一种再生式泵的流道结构，可达到降低噪音与提高输出流量的功效。

为了达到上述目的，本发明提供一种再生式泵的流道结构，其特征在于：该流道结构是由一封闭式叶轮的叶片流道与一泵壳流道所组成，

一圆盘状叶轮的外缘部份设有数个径向叶片，同一侧的相邻两叶片间的空间构成一径向叶片流道，叶片流道的结构包含有：轴向开口的叶片入口，叶片入口根部圆弧，叶片侧板，叶片毂板，叶片出口与叶片根部所构成；

一圆弧形流道截面的泵壳，流道截面由流道内壁顶部，流道侧边内壁与流道底部内壁所构成，其最大宽度是靠近叶片入口部，流道内壁顶部是靠近叶片出口部，其内径大于叶轮最大外径，流道顶部内壁与流道侧边内壁的夹角为钝角，流道侧边内壁斜向朝流道最大截面宽度处延伸展开，并在流道的最大截面宽度附近平滑连接流道底部内壁，流道底部内壁在通过最大截面宽度处逐渐收合转向叶片入口，并使流道底部内壁与叶片入口根部圆弧互相保持平滑。

本发明还提供一种再生式泵的叶轮的叶片流道结构，其特征在于：

一圆盘状叶轮的外缘部份设有数个径向叶片，同一侧的相邻两叶片间的空间构成一径向叶片流道，叶片流道的结构特征包含有：轴向开口的叶片入口，叶片入口根部圆弧，叶片侧板，叶片毂板，叶片出口与叶片根部所构成。

本发明还提供一种再生式泵的泵壳流道截面改良，其特征在于：

一圆弧形流道截面的泵壳，流道截面由流道内壁顶部，流道侧边内壁与流道底部内壁所构成，其最大宽度是靠近叶片入口部，流道内壁顶部是靠近叶片出口部，其内径大于叶轮最大外径，流道顶部内壁与流道侧边内壁的夹角为钝角，流道侧边内壁斜向朝流道最大截面宽度处成圆弧状延伸展开，并在流道的最大截面宽度附近平滑连接流道底部内壁，流道底部内壁在通过最大截面宽度处逐渐收合转向叶片入口，并使流道底部内壁与叶片入口根部圆弧互相保持平滑。

针对上述的现行技术缺点，本发明的创新的再生式泵的流道结构具有如下进步功效：

1.本发明提出一种泵壳循环流道截面改良，在叶轮之叶片入口侧有最大的流道截面宽度，使涡流区能维持完整结构而不与叶轮叶片产生流动干涉，配合创新的封闭式叶轮的侧板能隔绝涡流区而不使叶片对其作功，使漩涡流动速度降低并减少激烈流动干涉现象。

2.本发明提出一种叶轮结构改良，叶片入口根部厚度加大使其比叶轮外缘处更宽，能使叶片入口根部圆弧具有轴向的流道结构，此一叶片流道结构能确保叶片入口流线有最佳的曲率半径，另一方面也能有更多的轴向空间以容纳回流中间区域的涡流区。

3.本发明提出一种叶轮结构改良，叶片出口部靠近流道内壁顶部，叶片出口是斜向延伸到有最大外径的叶片毂板处，部份流体能由叶片侧板处提前向叶片外侧转弯，使得流体在流出叶片出口时有最佳的曲率半径，并且在叶片尖点的几何角度加大成钝角减少与涡流区的流动干涉。

【附图说明】

图1是习知技术的再生式泵结构图

图2是习知技术的再生式泵叶轮结构图

图3是再生式泵的流体加压机制说明图

图4A是习知技术的一种泵壳与叶轮流道结截面构图

图4B是习知技术的一种泵壳与叶轮流道截面结构图

图4C是习知技术的一种泵壳与叶轮流道截面结构图

图4D是习知技术的流道截面流线说明

图5是本发明的封闭式叶轮结构图

图6A是本发明的封闭式叶轮与泵壳流道截面结构图

图6B是本发明的流道截面流线说明

【具体实施方式】

为使本发明的特征，目的及功能有更进一步的认知与了解，兹配合图式详细说明如后：

请参阅图5，是本发明在封闭式叶轮的实施例之一，叶轮3为圆盘状的结构，在圆盘的外缘部份的两侧都设有数个径向叶片，同一侧的相邻两叶片间的空间构成一径向流道，叶片的结构包含有叶片入口32，叶片侧板34，叶片出口31与叶片毂板36所构成，叶轮3的中心轮毂的轴孔37上设有键槽39以顺利结合马达轴心，另外在轮毂与叶片根部30圆盘间有数个肋板38相连结，叶轮结构的轴向座标为z轴，径向座标为r轴，叶片径向流道3b之截面与泵壳流道7的截面都是以r-z面座标来描述.叶轮厚度分为外缘部份的圆盘厚度t1与叶片根部30之厚度t2，叶片根部30有较大厚度t2可以让叶片入口根部圆弧32a有独特的轴向圆弧结构，此种设计可以大幅改善图4所示过小入口流线曲率半径R1的缺点，叶片毂板36的外径大于叶片侧板34外径，叶片出口31为斜向外径延伸，并使得叶片尖点35成为钝角.叶片侧板34与叶片入口31都有轴向圆弧结构32a，34a可以强化叶片3a对循环流动流体的加压输送效能，并且可以隔离涡流区与叶片3a间的流动使干涉现象降到最低，叶片入口宽度B1与叶片出口宽度B2完全以确保r-z面流速分量cm保持约略相等为考量。

请参阅图6A、6B，是本发明在泵壳循环流道的实施例之一，图6A是本发明的封闭式叶轮在环型流道7运转时流道截面的r-z面速度分量cm回流模式的说明，图6B是本发明泵壳流道7截面的回流模式进一步说明，本发明的重点在于创新流道的结构及封闭式叶轮所组合的回流模式，一种泵壳流道7之截面的最大宽度B3是靠近叶片入口32部，使流道底部内壁7c的截面宽度能同时考量涡流区77与封闭式叶轮之叶片入口32结构，以确保叶片入口32处的叶片外侧流线78与叶片内侧流线79都能平顺并有较佳的流线曲率半径R1，另外，在结构上流道内壁底部7c与叶片入口根部圆弧32a的轴向圆弧互相接合成一平滑的曲面流道，加上封闭式叶轮的侧板34可以隔绝涡流区77与叶片3a间的流动干涉现象，并合理的容纳涡流区77使其能位于回流的中间区域，也就是涡流区77将不再占有循环流道或叶片流道的部份空间。

叶片出口31部靠近泵壳流道内壁顶部7a，叶片出口31是斜向外径延伸到最大外径的叶片毂板36处，部份流体能由叶片侧板34处提前向叶片外侧转弯，而且截面内壁顶部7a与截面内壁侧边7b的夹角是钝角，使得流体在流出叶片出口31时有最佳的曲率半径R2，并且在叶片尖点35的几何直角加大成钝角以减少流动干涉，所以，叶片内侧流线79转向叶片外侧流线78时不会产生激烈的U型转弯而有较大的叶片出口流线曲率半径R2。

叶片外侧流线78在流向叶片入口32时必须先沿流道内壁侧边7b流动，并流过最大宽度截面B3处再沿流道内壁底部7c转弯流向叶片入口32，也就是流道内壁侧边7b与叶片侧板34之间会因有最大宽度B3而有多出的空间以容纳涡流区77，叶片入口根部圆弧32a的轴向圆弧更能让叶片外侧流线78只需沿截面内壁底部7c转弯即可，所以，流体在流向叶片入口32时仍有足够空间维持最佳的叶片入口流线曲率半径R1，另外，叶片侧板34也配合叶片入口32有入口圆弧34a结构部份，使得叶片外侧流线78转向叶片入口32时叶片侧板入口圆弧34a结构也有助于隔绝涡流区77对叶片内侧流线79与叶片外侧流线78的干涉，接着叶片内侧流线79只需沿叶片入口根部圆弧32a的轴向圆弧流道由轴向转弯朝径向由叶片出口31流出。

回流流道中间部份近似长椭圆型的涡流区77的一边侧边是与光滑的叶片侧板34接触并作功驱动，涡流区的另一侧边77a是与循环流道的叶片外侧流线78接触并由流体带动，涡流区的侧边77a最后与叶片侧板之入口圆弧34a相接，也就是涡流区77是一种漩涡流动，当回流的涡流区77的流体由光滑的叶片侧板34以转速u的切线速度带动时，涡流区77会因滑动的关系而只有远低于叶轮切线速度u的流动切线流速cu，不会像开放式叶轮叶片直接对涡流区77的流体作功，并使涡流区77流体的切线速度cu会接近叶轮切线速度u，也就是封闭式叶轮的涡流区77不会有激烈的漩涡流动，且大幅减缓叶片与流体的流动干涉现象。

本发明的流道结构具有低噪音与高输出流量的优点，本发明的特征如下：

1.本发明的叶片入口流线具有较大的曲率半径，创新特征包含有泵壳流道截面在叶片入口侧有最大截面宽度，并且叶轮之叶片根部有较大的厚度，使叶片入口根部圆弧具有轴向的结构，以确保流体流入叶片入口有较大入口流线曲率半径。

2.本发明的叶片出口流线具有较大的曲率半径，本发明的优点包含有叶片出口是斜向外径延伸到最大外径的叶片毂板处，部份流体能由叶片侧板处提前向叶片外侧转弯有最佳的曲率半径，并且截面内壁顶部与截面内壁侧边成钝角的夹角，以确保流体流出叶片出口有较大曲率半径。

3.本发明的封闭式叶轮之叶片不会与涡流区流体产生激烈流动干涉，本发明的优点包含有封闭式叶轮其叶片侧板能与涡流区相互分隔，并且泵壳流道截面在叶片入口侧有最大截面宽度，使得截面宽度能容纳涡流区在叶片的侧边空间，以确保叶轮之叶片与涡流区流体的流动干涉降到最低。

归纳上述的说明，本发明同时具有上述众多效能与实用价值，并具提升经济价值效益，因此，本发明确实为一创意极佳的发明，且在相同技术领域中未见相同或类似之产品公开使用，本发明应已符合发明专利之要件，乃依法提出申请.惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例，当不能以之限制本发明的范围，即凡依本发明申请专利范围所作之变化及修饰，仍将不失本发明之要义所在，亦不脱离本发明之精神与范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

主要元件符号说明：

 

B1：叶片入口流道宽	35：叶片出口尖端点
		B2：叶片出口流道宽	36：叶片毂板
B3：泵壳流道截面最大宽	37：轴孔
		cm：液体在流道截面(r-z面)的流速	38：肋板
cu：液体在流道的切线流速	39：键槽
		R1：叶片入口侧流线曲率半径	4：轴封
R2：叶片出口侧流线曲率半径	5：泵壳
		r：径向座标	6：泵壳背盖
z：轴向座标	7：泵壳流道
		t1：叶轮外缘厚度	7a：流道顶部内壁
t2：叶片根部厚度	7b：流道侧边内壁
		u：叶轮切线速度	7c：流道底部内壁

 

1：马达	76：入口流线
		2：再生式泵	761：循环流线
3：叶轮	762：循环流线
		3a：叶片	763：循环流线
3b：径向流道	764：循环流线
		30：叶片根部	765：出口流线
31：叶片出口(trailing edge)	77：涡流区
		32:叶片入口(leading edge)	78：叶片外侧流线
32a：叶片入口根部圆弧	79：叶片内侧流线
		33:叶片侧缘(shroud edge)	8：入水口
34：叶片侧板(shroud plate)	9：出水口
		34a：叶片侧板入口圆弧

Claims (9)

1.一种再生式泵的流道结构，其特征在于：该流道结构是由一封闭式叶轮的叶片流道与一泵壳流道所组成，

一圆盘状叶轮的外缘部份设有数个径向叶片，同一侧的相邻两叶片间的空间构成一径向叶片流道，叶片流道的结构包含有：轴向开口的叶片入口，叶片入口根部圆弧，叶片侧板，叶片毂板，叶片出口与叶片根部所构成；

一圆弧形流道截面的泵壳，流道截面由流道内壁顶部，流道侧边内壁与流道底部内壁所构成，其最大宽度是靠近叶片入口部，流道内壁顶部是靠近叶片出口部，其内径大于叶轮最大外径，流道顶部内壁与流道侧边内壁的夹角为钝角，流道侧边内壁斜向朝流道最大截面宽度处延伸展开，并在流道的最大截面宽度附近平滑连接流道底部内壁，流道底部内壁在通过最大截面宽度处逐渐收合转向叶片入口，并使流道底部内壁与叶片入口根部圆弧互相保持平滑。

2.如权利要求1所述的再生式泵的流道结构，其特征在于：叶轮的叶片侧板也包含有轴向开口的入口圆弧结构部份。

3.如权利要求1所述的再生式泵的流道结构，其特征在于：叶片毂板的外径大于叶片侧板外径，叶片出口为斜向外径延伸由叶片侧板外径到叶片毂板外径。

4.如权利要求1所述的再生式泵的流道结构，其特征在于：圆盘状叶轮的外缘部份设有数个径向叶片，径向叶片可以单侧设置或两侧设置，其两侧设置的叶片的相对位置可以呈互相对称或互相错开。

5.如权利要求4所述的再生式泵的流道结构，其特征在于：圆盘状叶轮的外缘部份两侧设有对称的数个径向叶片，叶片毂板的外径比叶片侧板的外径小，使其两侧的对称叶片可以结合成一片叶片。

6.如权利要求1所述的再生式泵的流道结构，其特征在于：圆盘状叶轮的叶片根部的圆盘厚度比叶轮外缘部份的圆盘厚度大，叶片根部的厚度使叶片入口有轴向延伸的开口，以增加叶片入口根部圆弧的轴向结构。

7.如权利要求1所述的再生式泵的流道结构，其特征在于：流道的结构是用来泵送流体，该流体可为气体或液体。

8.一种再生式泵的叶轮的叶片流道结构，其特征在于：

一圆盘状叶轮的外缘部份设有数个径向叶片，同一侧的相邻两叶片间的空间构成一径向叶片流道，叶片流道的结构特征包含有：轴向开口的叶片入口，叶片入口根部圆弧，叶片侧板，叶片毂板，叶片出口与叶片根部所构成。

9.一种再生式泵的泵壳流道截面改良，其特征在于：

一圆弧形流道截面的泵壳，流道截面由流道内壁顶部，流道侧边内壁与流道底部内壁所构成，其最大宽度是靠近叶片入口部，流道内壁顶部是靠近叶片出口部，其内径大于叶轮最大外径，流道顶部内壁与流道侧边内壁的夹角为钝角，流道侧边内壁斜向朝流道最大截面宽度处成圆弧状延伸展开，并在流道的最大截面宽度附近平滑连接流道底部内壁，流道底部内壁在通过最大截面宽度处逐渐收合转向叶片入口，并使流道底部内壁与叶片入口根部圆弧互相保持平滑。

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