CN103671233B - 用于离心泵的叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于离心泵的叶轮。所述离心泵的叶轮包括带有至少一个实心且刚性的工作叶片(36)和至少一个实心且刚性的后叶片(38)的护罩(34)，所述至少一个工作叶片(36)具有前缘区域(46)、后缘区域(48)、中心区域(C)、侧缘、压力面(42)和抽吸面(44)，所述至少一个实心且刚性的后叶片(38)具有后缘区域、侧缘、压力面和抽吸面。所述至少一个工作叶片(36)的后缘区域(48)借助于倒圆加工被倒圆成具有比中心区域(C)中的厚度大的厚度。

Description

用于离心泵的叶轮
技术领域
本发明涉及用于离心泵的叶轮。本发明的叶轮在泵送纤维悬浮液时是适用的。本发明的叶轮尤其适用于向制纸机或者制板机的压头箱泵送例如制纸坯料等纤维悬浮液。
背景技术
离心泵用于泵送各种各样的液体和悬浮液。例如，用于泵送干净液体的泵极大地不同于用于泵送悬浮液或者甚至像片的显著大型实心颗粒的泵。当泵送液体时，通常有价值的是压头和效率比。但是当泵送悬浮液或者液体中的固体时，固体的性能开始起到重要作用。固体颗粒越大，则它们在设计泵时的作用就越大。在一些应用中，待泵送的固体颗粒应该被小心地处理，即使得泵送不会破坏颗粒。在一些其它应用中，目的可能相反。比如，在泵送污水泥浆时，泵常常设置有某种破坏器件，以将固体裂成较小颗粒。并且有时，待泵送的流体包含有趋于堵塞泵的固体颗粒。在这种情况下，待泵送的流体包含长的细丝、丝状物、串状物或者其它较长的柔性物体，其容易地附着至叶轮叶片的前缘，并开始聚集其它物体，使得较粗的绳状物体得以形成。这种物体不但长得越来越大，逐渐堵塞叶片通路，而且容易侵入叶轮叶片与泵壳之间的空隙，增大旋转叶轮所需的功率，并对联接泵与驱动电机之间的泵的轴和叶轮叶片两者造成机械应力。
借助于离心泵被泵送的流体的再一种类型是造浆和造纸工业的纤维悬浮液。在这种情况下，悬浮液的纤维或者颗粒相对较小，即纤维的长度为1毫米的若干分之一到大约10毫米的程度。这种纤维悬浮液通常不能堵塞泵，然而已了解到的是纤维趋于附着至普通离心泵的叶轮叶片的前缘。这里，普通离心泵被假设具有传统水泵的叶片，即这样的叶片，其前缘被削尖，即比叶片厚度的其余部分薄。纤维附着至叶片的前缘的问题已在GB-A-1412488中论述过。该问题已通过以下方法得到解决：将叶片的前缘加厚，使得加厚前缘的直径大于叶片的其余部分的厚度。该结构特征与通过改变叶轮叶片的入口角度实现的增大的湍流一起防止了纤维附着至叶片的前缘。
一方面，以上论述的GB文献未教导与纤维附着至叶片的前缘有关的实际问题，并且另一方面，甚至没有意识到在叶片的后缘也会出现相似问题。因此，使纤维向叶片的前缘和后缘的附着变得如此明显的是纤维在附着至边缘时导致若干纤维的絮状物、丝状物或者串状物有时从边缘被释放，并在工艺中被泵进一步泵送。当工艺是比如造浆和造纸工业的制纸或者制板工艺时，絮状物、丝状物或者串状物进入纸幅形成台，并在最终产品中保持可见，或者它们也可能在最终产品中造成孔，或者作为一种最糟的情况，造成纸幅破损。
在研究用于泵送纤维悬浮液的叶轮时观察到的另一问题涉及叶轮的再其它的边缘区域。换言之，已观察到：虽然普通离心泵的工作叶片和后叶片的截面实际上是矩形的，但是叶片在它们的自由端具有两个相对尖锐的边缘(适用于半开叶轮)。相似地，护罩的前缘和后缘也可能具有尖锐边缘。此外，双吸叶轮的中心壁通常在其外周缘处具有尖锐边缘。在所进行的实验中了解到尖锐边缘趋于聚集纤维。附着至边缘的纤维允许新纤维也附着至在先纤维的侧面或者附着至在先纤维自身。由叶片在静止涡室/壳体附近的移动引起的湍流产生容易地开始将纤维缠绕在一起然后形成丝状物的湍流。当这种丝状物从比如造浆和造纸工业的制纸或制板工艺的压头箱进给泵中的边缘被释放时，丝状物进入纸幅形成台，并在最终产品中保持可见，或者它们也可能在最终产品中造成孔，或者作为一种最糟的情况，造成纸幅破损。
发明内容
因而，本发明的一个目的是开发出一种新型的用于离心泵的叶轮，其能够避免以上论述的问题中的至少一个。
本发明的另一目的是开发出这样一种新颖的用于离心泵的叶轮，其不允许纤维附着至其叶片的前缘和后缘。
本发明的再一目的是开发出这样一种新颖的用于离心泵的叶轮，其不允许纤维附着至其叶片、护罩或者盘的其它边缘。
本发明的目的中的至少一个通过以下这种用于离心泵的叶轮得以实现：所述叶轮包括带有至少一个实心且刚性的工作叶片的轮毂，所述至少一个实心且刚性的工作叶片具有前缘区域、后缘区域、中心区域、侧缘、压力面和抽吸面，所述至少一个实心且刚性的工作叶片的前缘区域设置有倒圆或者加厚部分，所述倒圆或者加厚部分具有的厚度比所述中心区域中的厚度大，其中，所述至少一个实心且刚性的工作叶片的后缘区域借助于倒圆加工被倒圆成具有比所述中心区域中的厚度大的厚度。
本发明的叶轮的其它特征化特征所附的从属技术方案中变得明显。
附图说明
以下参考附图更详细地描述用于离心泵的叶轮，附图中：
图1示意性地示出了离心泵的局部截面，
图2示意性地示出了如从进入流体的方向看到的现有技术的离心泵的叶轮，
图3示意性地示出了图2的叶轮的叶片的后段，以论述与叶片的后缘有关的问题，
图4示意性地示出了如从引入流体的方向看到的依据本发明的一种优选实施例的叶轮，
图5示出了依据本发明的一种优选实施例的叶轮的局部截面，和
图6示意性地示出了如从朝向叶轮的轴线的方向看到的叶轮的局部截面。
具体实施方式
图1是作为局部截面的离心泵的大体图示。离心泵50包括叶轮2，所述叶轮2紧固在轴(未示出)上，以在涡室52内围绕轴线A旋转，所述涡室52具有入口54和与螺旋部56相切地配置的出口。涡室52被紧固至泵壳58，所述泵壳58容纳泵50的密封件和轴承(未示出)。叶轮2具有轮毂4和在半开叶轮中的圆盘形护罩6，所述护罩6也称为背板，从轮毂4向外延伸。至少一个实心且刚性的泵送叶片或者工作叶片8被配置成从轮毂4向外延伸。在半开叶轮中，实心且刚性的工作叶片被配置在护罩6的前侧，即面对入口52中的进入流体的那侧。如有必要，一个或多个实心且刚性的后叶片10已经被配置在护罩6的背面上，从轮毂4向外延伸。轮毂4还设置有中心开口12，用于离心泵的轴。叶轮的工作叶片8具有前缘区域18和后缘区域20。工作叶片被配置在涡室52内，以便在工作叶片8与涡室52之间留出前间隙60。然而，如果是封闭叶轮的问题，即在工作叶片的两侧具有有时被称为前板和后板的护罩的叶轮，则可以在前护罩与涡室之间找到前间隙。在泵50的壳体58与后叶片10之间留出相应的后间隙62。如果没有后叶片，则可以在护罩6与壳体之间找到间隙。并且如果也没有护罩，则后间隙在工作叶片与壳体58之间。
图2示意性地示出了从流体进入泵的方向看到的现有技术离心泵的叶轮。叶轮2由以下部件形成：轮毂4和圆盘形的护罩6；位于护罩6的前侧即面对进入流体那侧的实心且刚性的泵送叶片或者工作叶片8；和位于护罩6的背面上的实心且刚性的后叶片10(以虚线示出)。工作叶片8可以沿径向向外延伸至护罩6的周缘，但是也可以沿径向延伸到护罩6外，或者沿径向保持在护罩6的周缘内。后叶片10通常延伸至护罩6的外周缘，但是也可以不到达外周缘。轮毂4还设置有中心开口12，用于将叶轮2紧固在离心泵的轴上。每个工作叶片8具有两个面或者侧。先导侧表面或者面14被称为压力面，因为它通过沿叶轮的旋转方向以及沿径向向外推动流体而发挥功能，由此使得叶片表面14处的压力增大。相反侧被称为抽吸面表面或者面16，因为叶片表面16处的压力减小。叶轮2的工作叶片8具有前缘区域18和后缘区域20，以及介于两者间的中心区域C。现有技术工作叶片8的前缘区域18处的叶片是倒圆的，并且具有比叶片8的其余部分的厚度或者中心区域C的厚达大的厚度。工作叶片8的后缘区域20处的叶片通常是削尖的，即它的厚度比工作叶片8的其余部分的厚度或者中心区域C的厚度小。工作叶片8在其中心区域C也可以如图1所示那样具有从前缘区域18向后缘区域20连续减小的厚度，或者叶片的厚度可以在两个边缘区域之间的中心区域C处是恒定的。
图3示出了图2的叶轮的工作叶片8的后段，示意性地论述与工作叶片8的后缘区域20有关的问题。在工作叶片的抽吸面16下方示出的弯曲箭头示出了两个工作叶片之间的流体流动的方向。已观察到的是，流体流动与后缘区域20处的工作叶片8的抽吸面表面16分离达到以下程度：使流动转向相反方向，并开始沿工作叶片8的抽吸面表面16沿径向向内流动。因此，产生了再循环流动。自然地，向内流动的原因是工作叶片8的抽吸面表面16处的压力降低。
当泵送干净液体时，该现象不是值得特别考虑的问题，但是当液体承载比如纤维时，问题变得严重。与再循环流动一起移动的纤维容易被工作叶片8的尖锐后缘20’捕获。逐渐地，通过附着至边缘20’以及附着至彼此的纤维，产生了纤维絮状物或者串状物或者丝状物。有时，絮状物或者丝状物通过沿压力面表面14的流体流动而从边缘20’松开，然后在工艺中被进一步泵送。如果泵是制纸机或者制板机的压头箱进给泵，则释放出的絮状物和丝状物随制纸或者制板坯料一起流动至压头箱，并进一步流动到制纸机或者制板机的纸幅形成区段上。当进入纸幅时，絮状物或者丝状物通过在最终产品中可见或者在纸幅中导致孔或者作为最糟的一种可能造成纸幅破损，而降低最终产品的品质。
图4示意性地示出了解决上述问题的依据本发明的一种优选实施例的叶轮32。叶轮32由以下部件形成：带有圆盘形护罩36的轮毂34；位于护罩36的前侧即面对进入流体那侧的实心且刚性的泵送叶片或者工作叶片38；和位于护罩36的背面上的实心且刚性的后叶片40(以虚线示出)。实心且刚性的工作叶片38可以沿径向向外延伸至护罩36的周缘，但是也可以沿径向延伸到护罩36外，或者沿径向保持在护罩36的周缘内。护罩36还设置有中心开口42，用于将叶轮紧固在离心泵的轴上。每个实心且刚性的工作叶片38具有两个面或者侧。先导侧或者面44被称为压力面，因为它通过沿叶轮的旋转方向以及沿径向向外推动流体而发挥功能，由此使得叶片表面处的压力增大。相反侧被称为抽吸面表面或者面46，因为叶片表面处的压力减小。叶轮的工作叶片具有前缘区域48和后缘区域50。在前缘区域48，每个工作叶片38设置有倒圆或者加厚的部分，其优选但并非必须位于叶片38的抽吸面46那侧。换言之，每个叶片的压力面或者面44从其前缘起是流线型的。倒圆或者加厚的部分的截面对其相当一部分来说优选但并非必须是圆形的。
本发明的叶轮32与图1的现有技术叶轮的区别在于：每个实心且刚性的工作叶片38的后缘区域50是倒圆的，并且具有比叶片38的中心区域C即工作叶片的处于前缘区域48与后缘区域50之间的区域大的厚度。每个工作叶片38的后缘区域50处的倒圆优选但并非必须配置在叶片38的压力面44上。倒圆优选但并非必须在其截面上主要是圆形的。实际上，通过术语“倒圆”，应明白防止纤维附着至所谈及的边缘的所有形状。因此，优选但并非必须地，叶片的加厚部分平滑地即以流线型的方式连结至叶片的中心部分，以防止流动损失。限定后缘区域50处的工作叶片38的倒圆的直径或者厚度的一种方法是在叶轮的液压效率与防止纤维附着至叶片的边缘的能力之间找到平衡。所进行的实验显示了倒圆的直径优选至少为1.1×中心区域处的工作叶片的厚度的程度，更优选至少为1.3×工作叶片的厚度，这取决于纤维或者颗粒的长度/尺寸分布。倒圆防止与被倒圆了的后缘相遇的纤维绕后缘形成会促进纤维附着至前缘的尖锐弯曲。既然后缘被倒圆了，敷在后缘的表面上的任何纤维就会被后缘区域附近的最轻微的湍流轻易地擦离表面。
作为附加特征，其可以与以上论述的与倒圆工作叶片的后缘有关的发明一起被使用，但并非必须被使用，图4还示出了实心且刚性的后叶片40是如何在它们的后缘处被倒圆了的。每个后叶片40的后缘区域处的倒圆优选但并非必须配置在后叶片40的压力面上。倒圆优选但并非必须在其截面上主要是圆形的。实际上，通过术语“倒圆”，应明白防止纤维附着至所谈及的边缘的所有形状。因此，优选但并非必须地，叶片的加厚部分平滑地即以流线型的方式连结至叶片的中心部分，以防止流动损失。所进行的实验显示了倒圆的直径(或者表明叶片在其最厚点处的厚度的相应测量值)优选至少为1.1×中心区域处的后叶片的厚度的程度，更优选至少为1.3×后叶片的厚度，这取决于纤维或者颗粒的长度/尺寸分布。倒圆防止与被倒圆了的后缘相遇的纤维绕后缘形成会促进纤维附着至前缘的尖锐弯曲。既然后缘被倒圆了，敷在后缘的表面上的任何纤维就会被后缘区域附近的最轻微的湍流轻易地擦离表面。
图5示出了依据本发明的一种优选实施例的叶轮的局部截面。该图示出了实心且刚性的工作叶片38的加厚了的前缘和后缘是如何不抑制相邻叶片之间的流通面积的。比如，如果前缘处的倒圆在工作叶片38的压力面44上，则最小流通面积A1将位于倒圆与前一工作叶片38的抽吸面46之间。由此，流通面积将明显更小，因为倒圆48在抽吸面46上。相似地，如果后缘处的倒圆定位在叶片38的抽吸面46上，则最小流通面积A2将位于倒圆与后一工作叶片38的压力面44之间。由此，流通面积将明显更小，因为倒圆50在压力面44上。因此，将倒圆48/50定位在工作叶片38的某个面上会带来进一步的优点，或者实际上，避免缺点。
图6示出了从叶轮的朝向其轴线的那侧看到的本发明的叶轮32的局部截面。换言之，该图示出了依据本发明的再一优选实施例的护罩36、实心且刚性的工作叶片38和实心且刚性的后叶片40的外缘。研究叶片的形状的背景是以下事实：与前缘和后缘同样地，与待泵送流体一起移动的纤维趋于还附着至沿流体流动的方向延伸的叶片的尖锐边缘。在具有半开叶轮的现有技术离心泵中，叶片的侧缘(处于流动方向上的边缘从现在起被称为侧缘)实际上是矩形的。既然纤维已附着至这种边缘，流动带来新的纤维，其附着至第一纤维的侧面或者附着至纤维自身。由于涡室壁的封闭性，所以流动是带有一定无障碍循环的湍流，由此使得附着至边缘或者彼此的纤维轻易地开始缠绕并形成较长的丝状物，其有时会松开并向工艺被进一步泵送。如果泵是制纸机或者制板机的压头箱进给泵，则松开的丝状物随制纸或者制板坯料一起流动至压头箱，并进一步流动到制纸机或者制板机的纸幅形成区段上。当进入纸幅时，絮状物或者丝状物通过在最终产品中可见或者在纸幅中导致孔或者作为最糟的一种可能造成纸幅破损，而降低最终产品的品质。
对于以上限定出的问题的第一解决办法原则上与已经结合图4论述过的相同，即将叶片的边缘倒圆。换言之，面对涡室的每个工作叶片38的边缘38’被倒圆，使得纤维向边缘的附着被明显地妨碍。相似地，出于相同的目的，面对泵壳的每个后叶片40的边缘40’也被倒圆。边缘处的倒圆可以进行成使得叶片的厚度在倒圆处不增大，但是自然地也可以如结合图4的实施例所论述的那样通过倒圆使厚度增大。所进行的实验显示了叶片的两个自由边缘(实际上，如果更详细地观察具有矩形截面的叶片，则看起来叶片的自由边缘(不是可能附接至护罩的那个)实际上具有两个边缘)应该被倒圆成具有工作叶片或者后叶片的厚度的至少四分之一的半径。
对于以上限定出的问题的另一解决办法是增大前间隙和后间隙中的至少一个，因为间隙越大，则趋于将附着的纤维缠绕成丝状物的湍流就越弱，并且可能被附着的纤维就越容易松开，并且纤维向边缘的附着就越困难。换言之，由于用于泵送纤维悬浮液的普通离心泵中的间隙一直是1毫米的程度，所以间隙被增大为至少2毫米，可能高达4毫米。更一般地说，已考虑了间隙应该大于设计成用于净化水的常规泵中的。
鉴于以上情况，应该明白的是，作为离心泵叶轮的所有可能变型的一种示例，以上描述论述了并且附图示出了单吸半开叶轮，即具有位于一个轴向方向上的吸入孔或者流体入口和位于工作叶片的一侧的护罩的叶轮。然而，本发明可以应用于所有类型的离心叶轮。换言之，叶轮也可以是双吸叶轮，即在叶轮的两个相反轴向侧都具有吸入孔或者流体入口的叶轮。叶轮也可以是封闭叶轮(在工作叶片的两侧都有护罩)或者开放叶轮(完全没有护罩)。更进一步，双吸叶轮可以设置有：轮毂盘，即位于叶轮的径向中心线平面处的壁；和护罩盘，通常被称为护罩，配置在工作叶片的外缘。所进行的实验显示了护罩或者盘的两个自由边缘(实际上，如果更详细地观察在其自由边缘处具有矩形形状的任何护罩或者盘，则看起来自由边缘实际上具有两个边缘)应该被倒圆成具有工作叶片或者后叶片的厚度的至少四分之一的半径。
因而，显然的是，叶轮可以具有若干其它元件，如护罩、盘等，其具有纤维材料可能附着至的前缘和后缘。因此，将以上提及的前缘和后缘倒圆的上述原理也适用于所有这些边缘。
如从以上描述可以看出的，已开发出了一种新颖的叶轮构造。虽然在本文通过示例方式结合目前被认为是优选实施例的实施例描述了本发明，但是应该明白的是本发明并不局限于所公开的实施例，而是旨在覆盖其特征的各种组合和/或变型以及落于如所附权利要求书限定出的发明的范围内的其它应用。

Claims (17)

1.一种用于离心泵的叶轮，所述叶轮包括带有至少一个实心且刚性的工作叶片(38)的轮毂(36)，所述至少一个实心且刚性的工作叶片(38)具有前缘区域(48)、后缘区域(50)、中心区域(C)、处于中心区域(C)处的厚度、侧缘、压力面(44)和抽吸面(46)，所述至少一个实心且刚性的工作叶片(38)的前缘区域(48)设置有倒圆的部分，所述倒圆的部分具有的厚度比所述中心区域(C)中的厚度大，其特征在于，所述至少一个实心且刚性的工作叶片(38)的后缘区域(50)借助于倒圆加工被倒圆成具有比所述中心区域(C)中的厚度大的厚度。
2.如权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述后缘区域(50)处的倒圆被配置在所述工作叶片(38)的压力面(44)上。
3.如权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，所述倒圆在其截面上是圆形的。
4.如权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述工作叶片(38)在其后缘区域(50)处的厚度为1.1×所述工作叶片在其中心区域(C)处的厚度的程度。
5.如权利要求3所述的叶轮，其特征在于，所述倒圆具有的直径至少为1.1×所述工作叶片在其中心区域(C)处的厚度。
6.如权利要求3所述的叶轮，其特征在于，所述倒圆具有的直径至少为1.3×所述工作叶片在其中心区域(C)处的厚度。
7.如权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述前缘区域(48)处的倒圆被配置在所述至少一个工作叶片(38)的抽吸面(46)上。
8.如权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮具有至少一个后叶片(40)，所述至少一个后叶片(40)具有后缘区域、侧缘、压力面和抽吸面，所述至少一个后叶片(40)的后缘区域被倒圆有圆角。
9.如权利要求8所述的叶轮，其特征在于，所述至少一个后叶片(40)的倒圆在其截面上是圆形的。
10.如权利要求9所述的叶轮，其特征在于，所述至少一个后叶片(40)的倒圆具有的直径至少为1.1×所述后叶片的厚度。
11.如权利要求9所述的叶轮，其特征在于，所述至少一个后叶片(40)的倒圆具有的直径至少为1.3×所述后叶片的厚度。
12.如权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述至少一个工作叶片(38)的侧缘(38’)被倒圆。
13.如权利要求8所述的叶轮，其特征在于，所述至少一个后叶片(40)的侧缘(40’)被倒圆。
14.如权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述轮毂还包括护罩并且所述护罩的后缘被倒圆。
15.如权利要求12所述的叶轮，其特征在于，所述工作叶片的侧缘被倒圆成使得边缘处的半径是所述工作叶片的厚度的至少四分之一。
16.如权利要求13所述的叶轮，其特征在于，所述后叶片的侧缘被倒圆成使得边缘处的半径是所述后叶片的厚度的至少四分之一。
17.如权利要求14所述的叶轮，其特征在于，所述护罩的后缘被倒圆成使得边缘处的半径是所述护罩的厚度的至少四分之一。
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