CN1034044A - 一种低比转数离心泵用的翼形叶轮 - Google Patents

Abstract

一种适应用于低比转数离心泵的翼形叶轮，其叶 轮是由轮毂和安装在轮毂上的一个、两个或多个翼形 片构成。翼形轮片的内部为液体的流道，其横断面是 流线形，沿流道方向是向后弯曲的。该设计可以大大 地减小叶轮的摩擦损失，提高泵的效率，适用于Ns≤ 80的高扬程小流量的低比转数离心泵，特别是Ns为 10-50的低比转数离心泵。

Description

本发明属于液体输送领域，具体的说是一种低比转数离心泵用的具有翼形轮片的翼形叶轮。

现有的离心泵的结构形式虽然很多，但其主要部件的结构形式是相近的，一般包括泵体、叶轮、密封环、泵轴和轴承体等主要部分，其叶轮是由前盖板、后盖板，叶片和轮毂组成，外型呈园盘状。当原动机带动叶轮旋转时，叶轮中的叶片强迫液体作旋转运动，使液体能量增加（包括动能和压能），产生了扬程。叶轮中的液体一边随叶轮作园周运动，一边沿着由叶轮的叶片和前压盖板组成的叶轮流道向外流动，泵体将叶轮中流出的具有很大动能和压能的液体收集起来，引向吐出口，并将液体的一部分动能转变成为压能。当叶轮在泵体内的液体中转动时，由于液体存在粘性，叶轮的盖板与液体之间存在摩擦力，叶轮转动时，就会产生一定摩擦损失，即园盘摩擦损失，消耗掉一定的有效功率，盘摩擦损失功率的大小与叶轮直径的五次方成正比，低比转数离心泵（Ns＜80）是一种高扬程小流量的泵，一般来说，扬程越高，要求的叶轮直径就越大，园盘摩擦损失功率也急剧增加，当比较数Ns＝30时，园盘摩擦损失接近于有效功率的30%。另外在设计中，为保证其高扬程，小流量，需要把叶轮直径选的很大，而叶轮的出口宽选的很小，这一方面增加了液体在流道中的水力损失，另一方面使结构比例也极不协调，增加了加工难度，因而园盘状叶轮是不适用于高扬程小流量的低比转数泵的工作状况的，它的效率是很低的，影响它在工程上的应用。

本发明的目的在于提供一种具有翼形轮片式结构的翼形叶轮，使该叶轮的园盘摩擦损失和水力损失可以明显减少，从而在高扬程小流量的工作状况下，同样可以获得高效率。

本发明所述的翼形叶轮由轮毂和前轮片盖和后轮片盖构成的，其特征在于叶轮不同于传统的园盘状叶轮，而是在轮毂上连接着一个，两个或多个由前轮片盖和后轮片盖组成的具有空心通道的翼形轮片所构成，轮片内的空心通道作为叶轮的流道，为了进一步降低能量损失，该轮片的横断面设计为流线形结构。这样它将传统园盘状叶轮内园周流道变成为一个、两个或多个集合的流道，从轴向看，翼型轮片内流道形状和园盘状叶轮中相邻叶片间的流道形状相近，因而，可以在翼形轮片式叶轮内得到和园盘状叶轮内相近的液体流线和运动状态，根据叶轮直径计算公式 $D_2=\frac{60u_2}{\mathrm{\πu}}$ 和 $H=\frac{1}{K_u^2}\frac{u_2^2}{2g}$ 及叶轮的流道面积计算公式F＝ (Q)/(V₁AY_V) （式中U2是叶轮出口园周速度，B2是轮片流道的出口安放角），可以得出与园盘状叶轮直径及流道面积相近的翼形叶轮的直径和流道面积。翼形叶轮与园盘状叶轮相比，既满足了低比转数泵对高扬程小流量的要求，又增大了流道的水力半径，减小了水力损失，而且园盘摩擦损失也可以大大地减少。对于园盘状叶轮，在半径为r处，沿半径方向取dr厚度的叶轮环，其两个侧面的摩擦力矩为M₁＝K₁PU²r²dr，对于翼形叶轮，在相同的半径r处，沿半径方向取相同的dr厚度的流线型柱体，其侧面的摩擦力矩为M₂＝ 1/2 AP（式中A是轮片数，P是流线型柱体的阻力，其计算公式为P＝ 1/2 C₀CPU₂dr式中C₀是流线型柱体在泵体内运动时的阻力系数，它和流线形柱体的断面形状、轮片数、泵体宽及栅距有关，A个轮片时栅距 (2πr)/(A) C是流线形柱体的弦长）M₂＝ 1/4 AC_Dcpu²rdr利用上述公式，比较两种叶轮的摩擦力矩，可以得出，当r＞ (AC_DC)/(4k₁) r₀时，M₁＞M₂，即在叶轮直径r＞r₀部分，适于采用翼形轮片式结构。当r＜ (AC_DC)/(4k₁) r₀时，M₁＜M₂，即在叶轮半径r∠r₀部分适于采用园盘状结构，对每一个叶轮，都存在一个r₀，当比转数高时，r₀大，当比转数小时，r₀小。当r₀∠D₂时，叶轮适于采用翼形轮片式结构。

本发明的翼形叶轮主要是根据给定的扬程H，流量Q和转速n等参数来进行设计的，其主要几何参数的计算依据和取值范围如下：

1、叶轮的入口直径D₀，它取决于设计流量Q、容积效率Yv，叶轮的入口速度系数Kv₀和扬程H，其值可用下式计算 $D_0=\sqrt{\frac{4Q}{\mathrm{\π}{Y}_V{u}_0}}$ Kv₀的取值范围为007-0.25。

2、轮片数A，一般来说，泵的比转数较高，轮片个数就多，比转数小，轮片数就少，一般可取一个、两个、或多个，但采用一个轮片时需考虑配重动平衡问题。

3、轮片入口直径D₁，一般来说应该D₁≥D₀。

4、轮片的进口面积F1，它取决于流量Q，容积效率Yv，轮片数A和轮片进口速度V₁，其计算公式F₁＝ (Q)/(V₁AY_V) 一般取V₁≥V。

5、轮片的前缘线和后缘线的入口安放角B₁，它是由液体进入叶轮时相对速度的液流角B₁₀和冲角△B来确定，其计算公式为B₁＝B₁₀+△B，而B₁₀是由轮片入口处的园周速度U₁和轮片入口速度V₁来计算：

冲角△B一般为0°-35°。

6、轮片流道的前缘线和后缘线的出口安放角B₂一般为20°-60°最好选用25°-45°。

7、叶轮直径D2它是由扬程H、转速n和叶轮出口园周速度系数Ku₂来确定，其计算公式为 $D_2=\frac{60u_2}{\mathrm{\πu}}$ u₂=K_U2 $\sqrt{\mathrm{2gH}}$ Ku₂一般为1.01-1.25。

8、轮片的出口面积F₂按下式确定

$V_{\mathrm{m\; 2}}\mathrm{=Kv}{}_2\sqrt{\mathrm{2gH}}$ Kv₂轮片的出口轴面速度系数，一般为0.08-0.20。

9、轮片盖度S可根据叶轮的强度，寿命和工作条件来确定，一般为1-4mm。

10、轮片的出口断面形状，它是影响叶轮摩擦损失的因素之一，流线形断面的厚度D和弦长C取决于轮片的出口面积F和轮片盖厚S，一般来说D/C为0.07-0.35。

11、轮片的特征尺寸r₀，其值为r₀= (AC_DC)/(4k₁)

现结合附图对本发明所述的翼形叶轮的结构和工作原理进行详细说明

附图1为本发明实施的离心泵的剖面结构示意图

附图2为本发明实施的离心泵的左视剖面示意图

附图3所表示的三个截面A-A、B-B、C-C分别是图2所示的叶轮在A-A、B-B、C-C处的园周剖面图

附图4为本发明的硪恢志哂腥鲆硇温制囊堵值闹魇油?

附图5为附图4叶轮的左视剖面图

由附图1可以看出，本发明所实施的离心泵的整体结构和组装方式与传统的离心泵相近，即叶轮通过轴（9）和键（8）连接，而安装在泵体（2）的中心。轴（9）的另一端通过由轴承体（图中未画出）与原动机相联，泵体（2）和吸入口（1）与吐出口（3）为整体结构，密封环（4）安装在吸入口（1）的内部，它与叶轮（5）的轮毂相配合实现密封，泵后盖（7）和泵体（2）用螺栓连接在一起，叶轮（5）是由叶轮（5）的轮毂和连结在其上的轮片（6）构成。

由附图2、3、4、5、6可以看出，本发明所述的翼形叶轮（5）的结构形状与传统的园盘状叶轮结构大不相同，它将前盖板和后盖板等部分组成的园盘状叶轮改变成在轮毂上连接一个、两个或多个翼形轮片（6）的翼形叶轮，轮片（6）内为液体流道，横断面成流线形，轮片（6）沿流道方向向后弯曲。

当原动机开启后，其通过轴（9）带动叶轮（5）转动，翼形轮片（6）强迫其内部的液体一起旋转，使液体的能量增加（包括动能和压能）产生了扬程，叶轮（5）中的液体一边随着叶轮（5）作园周运动，一边沿叶轮（5）的轮片（6）的流道向外流动，泵体（2）将从轮片（6）中流出的具有很大动能和压能的液体收集起来，引向吐出口（3），并将液体的一部分动能转变为压能。液体连续地从泵内流出。

由于本发明所述的翼形叶轮是将原来的园盘状结构改变或一个、两个或多个翼形轮片，使整个园周长度的流道集中一个、两个、或多个流道。虽然流道面积变化不大，但叶轮的表面积明显减小若干倍，因而摩擦损失也就相应地减少了若干倍，从而有效的提高了离心泵的效率。对于比较数为N_S＜80的泵，特别是比转数在50-10的泵，因其叶轮直径大，流道面积小，r°小，采用翼形轮片式叶轮对于提高泵的效率将尤为突出。当然采用翼形轮片式叶轮将会增加一个形状阻力问题，但是由于选用了流线形形状，因而形状阻力增加不大。

本发明所述的翼形叶轮，可选用薄金属板，经过冲压成型后制成轮片，然后再与轮毂焊接在一起，也可用整体铸转造的方法制造。其原材料和加工成本，不高于园盘状叶轮。

实施例1按本发明所提出的翼形叶轮的设计原理设计的比转数为30的离心泵，该泵的设计参数为扬程H＝18m，流量Q＝13.5m³/h，转速n＝2850rpm，其结构形式参见图1、2、3。根据本发明计算原理计算出叶轮的主要尺寸如下：叶轮入口直径计算D₀＝60mm，轮片为F1＝450mm²，其断面的厚度与弦长之比为0.25，前缘线和后缘线的入口安放角为0°和60°，出口安放角分别为35°和30°，叶轮的直径D2＝230mm，轮片的出口面积F2＝480mm²，其出口的厚度与弦长的比值为0.1。

其泵体采用蜗形泵体，泵内宽度L＝60mm。轮片的壁厚为1mm，实验表明：最高效率为59.4%，同与相同设计参数的园盘状叶轮相比，其叶轮的摩擦损失减少了17%。

实施例2，

根据本发明所提出设计原理设计的比转数为60的离心泵，其叶轮结构可参见图4、5，它的泵体为导叶式泵体（图中未画出）。

该泵的设计参数为扬程H＝50m，流量Q＝42m³/h，转速n＝2900rpm，由于该泵比转数较大，叶轮直径在小于160mm范围内仍采用传统的园盘状结构，直径大于160mm范围均匀分布三个轮片，其主要设计尺寸为：叶轮入口直径D₀＝80mm，叶片入口边直径D₁＝90mm，叶片入口面积F₁＝521mm²，轮的前缘线和后缘线的入口安放角B₁＝25，叶轮的直径为D₂＝200mm，前后缘线出口安放角分别为30°和32°，轮片的出口面积为F₂＝862mm²，其出口断面厚度与弦长之比为0.09，轮片的壁厚为1.5mm，导叶式泵体的宽度为65mm，实验表明：该泵效率为74%，与相同设计参数的园盘状叶轮的离心泵相比，其叶轮的摩擦损失减少了4%。

Claims (5)

1、一种低比转数离心泵用的翼形叶轮，其特征在于叶轮是由轮毂和连接在其上的相互分离开的或孤立的一个、两个或多个翼形轮片所构成。

2、如权利要求1所述的翼形叶轮，其特征在于所说叶轮的翼形轮片的内部为液体的流道，其横断面呈流线形，轮片沿流道方向是向后弯曲的。

3、如权利要求1所述的翼形叶轮，其特征在于翼形轮片的前缘线和后缘线的出口安放角为20°-60°。

4、如权利要求1所述的翼形叶轮，其特征在于翼形轮片的流线形横断面的最大厚度与弦长之比为0.07-0.35。

5、如权利要求1所述的翼形叶轮，其特征在于所说的叶轮适用于比转数小于80的离心泵，特别适用于比转数为10-50的离心泵。

Images