CN103671254A - 一种减弱轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于减弱轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构。其特征在于轴流泵叶片叶顶加工成迷宫式的结构。该迷宫式的结构为锯齿形的，具有一定的间隙、高度、宽度、齿数及齿顶角度等。本发明的有益效果是：选择合适的锯齿形尺寸，轴流泵通过叶尖迷宫式结构，使得流体经过叶顶间隙时的能量损失增加，减少了泄漏量，从而减弱了叶顶泄漏流和泄漏涡，提高了轴流泵的水力效率和运行稳定性。

Description

一种减弱轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构

所属技术领域

本发明涉及到一种用于减弱轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构，叶顶设计为锯齿形的迷宫式结构，属于流体机械产品技术领域。

背景技术

轴流泵因其流量大、扬程低、结构简单、使用方便等特点，在农田排灌、防洪排涝、城市给排水、跨流域调水工程等方面得到了广泛应用，因此提高轴流泵的效率和运行稳定性具有重要的现实意义。在轴流泵叶轮中，由于轴流式叶轮的结构特征，叶轮叶片叶顶与转轮室之间不可避免存在间隙，虽然叶片顶部间隙的几何尺寸同整个流道相比很小，但却对叶片流道将近20％区域的流动产生影响。在轴流泵叶片工作面与吸力面之间的压力作用下，一部分流体介质越过叶顶间隙，形成泄漏流动。泄漏流与主流发生卷吸而形成叶顶泄漏涡，泄漏涡在向下游发展的过程中漩涡强度和尺度逐渐增大，堵塞主流，尤其在小流量工况，易诱导轴流泵进入旋转失速不稳定工况，因此，轴流泵叶顶泄漏涡对流场结构、能量传输、负荷能力及损失有着重要影响。泄漏流造成的损失与泄漏流量有关，泄漏流量越多，泄漏流造成的损失越大。因此通过某种方法将叶顶泄漏流阻碍在叶顶压力面侧，减小其向吸力面的泄漏量，使得更多的流体通过叶轮做功，可有效地降低叶顶泄漏流和泄漏涡对叶轮性能造成的不利影响，可提高泵的扬程和水力效率，并改善轴流泵的水力稳定性。

经检索，已公开的专利“一种轴流泵叶轮叶片(申请号：02133456.0)”，其设计出叶端及叶根部分采用了加长前倾的扭曲形状的叶片。但这种叶片形状较复杂，不易加工，增加了工作量，且还有可能不能满足叶轮原始设计；已授权专利“一种高效轴流泵叶轮(专利号：ZL200920043160.9)”，其通过调整叶片的不同圆周截面的翼型形状来获得较优的水力性能，但在叶轮叶片的叶顶区域仍采用的传统的结构。由此可见，目前轴流泵叶片的改善大都是对叶片形状的整体改变，尚未提出一种改善叶片叶顶形状以减弱叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构。本专利通过发明轴流泵叶轮叶顶端面结构，依靠间隙中的节流过程和空腔内的动能耗散来实现流体密封，结构简单，可有效减弱轴流泵叶片叶顶泄漏流和泄漏涡，最终提高轴流泵的水力性能和水力稳定性。

发明内容

为了解决上述轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡发生的问题，本发明目的在于提供一种轴流泵的叶片结构，用以减弱轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡，提高叶轮水力效率，改善轴流泵的运行稳定性。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：将轴流泵叶片的叶顶设计成迷宫式的端面结构，该迷宫式的端面结构型式为锯齿形，具有一定的节流间隙、高度、宽度、齿数及齿根角等参数特征。轴流泵叶轮叶片流道间的液体由于叶片压力面和吸力面之间的压差作用，通过叶顶间隙，从叶片压力面泄漏到吸力面，经过叶顶的锯齿形迷宫结构，能够增大流体流动阻力，使流经叶顶间隙的流体部分动能被消耗，能够达到减小泄漏量的效果，有效抑制叶顶泄漏涡的形成，减小了泄漏损失，提高了水力效率和运行稳定性。

本发明的叶片结构可通过数控加工实现制造，直接在轴流泵叶片叶顶端面处加工出锯齿状的迷宫式结构，加工方法成熟，简单方便，尤其适用于大型泵站的轴流泵叶轮叶片(叶轮直径1000mm以上)。

本发明的有益效果是，通过轴流泵叶片叶顶端面迷宫式结构，可将叶顶泄漏流阻碍在叶顶压力面侧，减小其向吸力面的泄漏量，使得更多的流体通过叶轮做功，微小的泄漏流诱导产生泄漏涡的能量可大幅降低，最大限度地降低叶顶泄漏流和泄漏涡对叶轮性能造成的不利影响，提高泵的扬程和水力效率，并改善轴流泵的水力稳定性。

附图说明

下面结合附图和对本发明进一步说明。

图1是轴流泵叶轮在泵壳内的示意图。

图2是附图1中，本发明所提及的一种减弱轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构局部放大示意图。

图3是图2的叶尖锯齿形迷宫式结构放大剖视图。

图中，1是叶轮叶片，2是叶轮轮毂，3是转轮室，4为叶轮间隙，5是叶顶，6是压力面，7是吸力面，8是锯齿形迷宫结构，9是叶顶泄漏流和泄漏涡，10是叶轮流道主流，11是轮毂面。

图3中，C表示叶顶间隙大小，H表示锯齿高度，W表示齿宽，α表示齿顶角，D₂表示叶片轮缘外径。

具体实施方式

轴流泵的部分示意图1中，包括了轴流泵的叶轮叶片(1)，叶轮轮毂(2)，转轮室(3)，叶轮间隙(4)以及叶顶(5)。本发明所述的锯齿形迷宫式结构设计于叶顶(5)，叶轮叶片(1)和转轮室(3)的壁面之间的距离即是叶轮间隙(4)。叶轮叶片通过固定件固定在叶轮轮毂(2)上。轴流泵叶轮叶片流道间的液体(10)由于叶片压力面(7)和吸力面(6)之间的压差作用，通过叶顶间隙(4)，从叶片压力面(7)泄漏到吸力面(6)，经过叶顶的锯齿形迷宫结构(8)，增大了流体流动阻力，使流经叶顶间隙的流体部分动能被消耗，从而减小叶顶间隙泄漏量，并抑制叶顶泄漏涡的形成。图2中叶轮叶片叶顶锯齿形迷宫结构(8)，其齿尖处流动截面小，流速增大，液体产生射流现象，压力能转化为动能，压力大幅度降低；当液体进入两个矩形齿之间的大空腔内部，由于空腔流动截面较大，液体流速降低，在叶顶锯齿形迷宫结构(8)的空腔内部形成大的旋涡，流体的部分动能被耗散掉。由于齿尖处的节流和密封腔室内的动能耗散作用，从而降低流体压力，达到密封的效果，从而降低了叶轮间隙(4)处的泄漏流，有效地抑制了叶顶泄漏流和泄漏涡(9)的形成。结合图3叶顶锯齿形迷宫式结构的主要参数，叶顶间隙C，取值为叶片轮缘外径的千分之一(即D₂/1000)；齿数由叶片外缘翼型的厚度确定，其等于厚度与宽度W的比值；锯齿高度H取叶片轮缘外径的千分之三至千分之五(即3D₂≤H≤5D₂/1000)；高度H与宽度S之比为(H/S)_opt≈0.5；齿顶角α取值范围为30°～35°。

Claims (3)

1.一种减弱叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构，应用于轴流泵叶轮，该叶片结构的叶顶端面为迷宫式的复杂结构，叶轮叶顶截面为锯齿形，具有合适的节流间隙、高度、宽度、齿数及齿顶角，与泵壳内壁保持一定距离，其能够降低形成涡的动力和能量，减小叶顶泄漏流动，有效地抑制叶顶泄漏涡的形成，提高轴流泵叶轮运行稳定性和水力效率。

2.根据权利要求1所述一种减弱叶顶泄漏涡的叶片结构，锯齿高度H取叶片轮缘外径的千分之三至千分之五(即3D₂≤H≤5D₂/1000)。

3.根据权利要求1所述一种减弱叶顶泄漏涡的叶片结构，锯齿高度H与宽度S之比为(H/S)_opt≈0.5，齿顶角α取值范围为30°～35°。

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