CN103925238B - 外摆线离心泵叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外摆线离心泵叶轮，包括轮盘和固定于轮盘一端面的叶片；所述叶片的尾段渐变为沿轮盘径向延伸的外摆线结构；本发明的外摆线离心泵叶轮，叶片尾段型线为贴近流体运动规律的外摆线，并将叶轮设计为半开放式，相比一般的离心泵，能减少叶轮出口处的损失，减轻部分回流现象，提高泵水效率。

Description

外摆线离心泵叶轮

技术领域

本发明涉及一种离心泵叶轮，尤其涉及一种外摆线离心泵叶轮。

背景技术

离心泵是利用叶轮旋转而使水产生的离心力来工作的，在市政管网、地铁工程、自来水厂、无负压设备、化工厂、发电厂、煤矿、污水处理站等行业的给水系统、消防系统和暖通系统上广泛应用；离心泵启动前必须使泵壳和吸水管内充满水，然后启动电机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，水在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入水泵的压水管路，水泵叶轮中心处，由于水在离心力的作用下被甩出后形成真空，吸水池中的水便在大气压力的作用下被压进泵壳内，叶轮通过不停地转动，使得水在叶轮的作用下不断流入与流出，达到了输送水的目的；叶轮是离心泵的核心部分，它可使水获得动能而产生流动；现有技术中离心泵叶轮叶片为平面螺旋状，出口处损失大，有部分回流现象，存在泵水效率低的问题。

因此，为解决上述问题，需要对离心泵叶轮结构加以改进，减少叶轮出口处的损失，减轻部分回流现象，提高泵水效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种外摆线离心泵叶轮，能减少叶轮出口处的损失，减轻部分回流现象，提高泵水效率。

本发明的外摆线离心泵叶轮，包括轮盘和固定于轮盘一端面的叶片；所述叶片的尾段渐变为沿轮盘径向延伸的外摆线结构；

进一步，所述叶片的前段迎流面型线参数方程为：

$x_1=(r_{11}+r_{12})\sin {\mathrm{\Φ}}_1-r_{12}(1+h_1)\sin (1+\frac{r_{11}}{r_{12}}){\mathrm{\Φ}}_1;$

$y_1=(r_{11}+r_{12})\cos {\mathrm{\Φ}}_1-r_{12}(1+h_1)\cos (1+\frac{r_{11}}{r_{12}}){\mathrm{\Φ}}_1;$

尾段迎流面型线参数方程为：

$x_2=(r_{21}+r_{22})\cos (C_1{\mathrm{\Φ}}_2-D_1)-r_{22}{h}_2\cos \left[(1+\frac{r_{21}}{r_{22}})(C_2{\mathrm{\Φ}}_2-D_2)\right]$

$y_2=(r_{21}+r_{22})\sin (C_1{\mathrm{\Φ}}_2-D_1)-r_{22}{h}_2\sin \left[(1+\frac{r_{21}}{r_{22}})(C_2{\mathrm{\Φ}}_2-D_2)\right];$

进一步，所述叶片的前段背流面型线参数方程为：

$x_3=(r_{31}+r_{32})\sin {\mathrm{\Φ}}_3-r_{32}(1+h_3)\sin (1+\frac{r_{31}}{r_{32}}){\mathrm{\Φ}}_3$

$y_3=(r_{31}+r_{32})\cos {\mathrm{\Φ}}_3-r_{32}(1+h_3)\cos (1+\frac{r_{31}}{r_{32}}){\mathrm{\Φ}}_3;$

尾段背流面型线参数方程为：

$x_4=(r_{41}+r_{42})\cos (C_3{\mathrm{\Φ}}_4-D_3)-r_{42}{h}_4\cos \left[(1+\frac{r_{41}}{r_{42}})(C_4{\mathrm{\Φ}}_4-D_4)\right]$

$y_4=(r_{41}+r_{42})\sin (C_3{\mathrm{\Φ}}_4-D_3)-r_{42}{h}_4\sin \left[(1+\frac{r_{41}}{r_{42}})(C_4{\mathrm{\Φ}}_4-D_4)\right].$

进一步，所述叶片的前段迎流面与尾段迎流面之间以及前段背流面与尾段背流面之间均相接为圆滑过渡曲面；

进一步，所述叶片包括沿轮盘周向均匀相间排列的长叶片和短叶片；所述短叶片前端相对于长叶片前端缩进形成用于沿轮盘周向为流体让位的让位口；

进一步，所述轮盘上设有轴向贯通的通孔；

进一步，所述通孔一一对应的设于长叶片前端背流侧；

进一步，所述长叶片前段与尾段的长度比为15：1；所述短叶片尾端与长叶片尾端位于同一圆周；短叶片前段和尾段之间的分界点与长叶片前段和尾段之间的分界点位于同一圆周。

本发明的有益效果是：本发明的外摆线离心泵叶轮，叶片尾段型线为贴近流体运动规律的外摆线，并将叶轮设计为半开放式，相比一般的离心泵，能减少叶轮出口处的损失，减轻部分回流现象，提高泵水效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的立体视图；

图4为伸长外摆线原理图；

图5为缩短外摆线原理图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为图1的俯视图，图3为本发明的立体视图，图4为伸长外摆线原理图，图5为缩短外摆线原理图，如图所示：本实施例的外摆线离心泵叶轮，包括轮盘1和固定于轮盘1一端面的叶片2；所述叶片2的尾段3渐变为沿轮盘1径向延伸的外摆线结构；轮盘1为圆盘结构，其中心处设有轮毂4，轮毂4向叶片2所在的一侧轴向延伸，本实施例中轮盘1与叶片2结合成为半开放式叶轮；将叶片2划分为两段，分别为靠近轮毂4的前段5和远离轮毂4的尾段3；叶片2的前段5为平面螺旋结构，尾段3渐变为沿轮盘1径向延伸的外摆线结构是指尾段3由前段5的平面螺旋型结构渐变为沿轮盘1径向延伸的外摆线型结构，能推动流体沿轮盘1的径向向外流动，能减少叶轮出口处的损失，减轻部分回流现象，提高泵水效率。

本实施例中，所述叶片2的前段5迎流面型线参数方程为：

$x_1=(r_{11}+r_{12})\sin {\mathrm{\Φ}}_1-r_{12}(1+h_1)\sin (1+\frac{r_{11}}{r_{12}}){\mathrm{\Φ}}_1$

$y_1=(r_{11}+r_{12})\cos {\mathrm{\Φ}}_1-r_{12}(1+h_1)\cos (1+\frac{r_{11}}{r_{12}}){\mathrm{\Φ}}_1;$

尾段3迎流面型线参数方程为：

$x_2=(r_{21}+r_{22})\cos (C_1{\mathrm{\Φ}}_2-D_1)-r_{22}{h}_2\cos \left[(1+\frac{r_{21}}{r_{22}})(C_2{\mathrm{\Φ}}_2-D_2)\right]$

$y_2=(r_{21}+r_{22})\sin (C_1{\mathrm{\Φ}}_2-D_1)-r_{22}{h}_2\sin \left[(1+\frac{r_{21}}{r_{22}})(C_2{\mathrm{\Φ}}_2-D_2)\right];$

叶片2为贴近流体运动规律的摆线结构，尤其是叶片2尾段3设计一段摆线过渡曲线，能提高出口压力角，可减少出口处的损失及部分回流现象；其中x_*(*＝1，2)表示第*条型线的横坐标,y_*(*＝1，2)表示第*条型线的纵坐标；r_*1(*＝1，2)表示第*条型线的基圆的半径,r_*2(*＝1，2)表示第*条型线的母圆的半径；Φ_*(*＝1，2)表示第*条型线的母圆沿基圆纯滚动的角度；h₁为母圆外的轨迹点到母圆的距离与母圆半径的比值，而h₂为母圆内的轨迹点到母圆圆点的距离与母圆半径的比值(参见下面给出的伸长外摆线和缩短外摆线原理图说明，叶片2的前段5型线与伸长外摆线原理图相对应，尾段3型线与缩短外摆线原理图相对应)；C_*和D_*(*＝1，2)为常数，其作用是改变尾段摆线方程的相位，使尾段曲线与前段曲线相交；本发明所涉及摆线型线方法，可针对不同尺寸的离心泵叶轮开展叶片型线设计，根据泵设计手册确定轮盘1外径D₂后，则摆线的基圆r₁₁取值为取母圆r₁₂＝4r₁₁，h₁＝0.25(确定轨迹点的位置)，摆线基圆外径Φ₁的取值范围可以表示为Φ₁∈[0,1.2π]；尾段曲线须满足两个条件：1)与前段曲线相交，以保证叶片型线连续2)与叶轮外径对应的圆相交后，该点处的摆线切线与圆切线的夹角满足泵设计所要求的叶片出口角β₂要求，因此，尾段曲线方程中的参数相对固定，下面给出其中参数的经验取值。

为方便设计，尾段曲线的基圆半径和母圆半径取值相同，r₂₁＝r₁₁，r₂₂＝r₁₂， C₁＝0.15，C₂与D₂按如下关系确定取值。

$C_2(1+\frac{r_1}{r_2})=C_1,(1+\frac{r_1}{r_2})D_2=D_1.$

本实施例中，所述叶片2的前段5背流面型线参数方程为：

$x_3=(r_{31}+r_{32})\sin {\mathrm{\Φ}}_3-r_{32}(1+h_3)\sin (1+\frac{r_{31}}{r_{32}}){\mathrm{\Φ}}_3$

$y_3=(r_{31}+r_{32})\cos {\mathrm{\Φ}}_3-r_{32}(1+h_3)\cos (1+\frac{r_{31}}{r_{32}}){\mathrm{\Φ}}_3$

尾段3背流面型线参数方程为：

$x_4=(r_{41}+r_{42})\cos (C_3{\mathrm{\Φ}}_4-D_3)-r_{42}{h}_4\cos \left[(1+\frac{r_{41}}{r_{42}})(C_4{\mathrm{\Φ}}_4-D_4)\right]$

$y_4=(r_{41}+r_{42})\sin (C_3{\mathrm{\Φ}}_4-D_3)-r_{42}{h}_4\sin \left[(1+\frac{r_{41}}{r_{42}})(C_4{\mathrm{\Φ}}_4-D_4)\right];$

x_*(*＝3，4)表示第*条型线的横坐标；y_*(*＝3，4)表示第*条型线的纵坐标；r_*1(*＝3，4)表示第*条型线的基圆半径,r_*2(*＝3，4)表示第*条型线的母圆的半径；Φ_*(*＝3，4)表示第*条型线的母圆沿基圆纯滚动的角度；h₃为母圆外的轨迹点到母圆的距离与母圆半径的比值，而h₄为母圆内的轨迹点到母圆圆点的距离与母圆半径的比值(参见下面给出的伸长外摆线和缩短外摆线原理图说明，叶片2的前段5型线与伸长外摆线原理图相对应，尾段3型线与缩短外摆线原理图相对应)；C_*和D_*(*＝3，4)为常数，其作用是改变尾段摆线方程的相位，使尾段曲线与前段曲线相交；背流面曲线在几何形状上要求与迎流面曲线相似，背流面曲线与相应的迎流面曲线之间应保持大致均匀的间距s，即叶片的厚度s。因此，令r₃₁＝r₁₁，r₃₂＝r₁₂，Φ₃＝Φ₁，只需让h₃按关系近似取值并根据实际厚度需求修正即可；同样的，在迎流面尾段曲线的基础上，对h₄根据待设计的叶片厚度进行修正，即可得到所需的背流面尾段曲线。令r₄₁＝r₂₁，r₄₂＝r₂₂，Φ₄＝Φ₂，C₃＝C₁，C₄＝C₂，D₃＝D₁，D₄＝D₂，只需让h₄按近似取值(s为叶片厚度)，并根据叶片厚度保持均匀的要求，对h₄的值进行修正即可。

图4为伸长外摆线原理图，半径为r₂、圆心为O₂的动圆Ⅱ沿半径为r₁、圆心为O₁的不动圆Ⅰ的圆周纯滚动(按逆时针方向)，位于圆心O2半径延长线上距离动圆圆心为(r2+h＇)的点在不动面上绘出伸长外摆线abc。其中，动圆Ⅱ和不动圆Ⅰ为分别称为摆线abc的母圆和基圆，绘制摆线abc的点称为摆线的轨迹点。

图5为缩短外摆线原理图，半径为r₂、圆心为O₂的动圆Ⅱ沿半径为r₁、圆心为O₁的不动圆Ⅰ的圆周纯滚动(按逆时针方向)，在动圆Ⅱ内部距离动圆Ⅱ的圆心O2为h＇的点在不动面上绘出缩短外摆线abc。其中，动圆Ⅱ和不动圆Ⅰ为分别称为摆线abc的母圆和基圆，绘制摆线abc的点称为摆线的轨迹点。

摆线是一种曲率变化均匀而且圆滑的曲线，具有最速落径的特性，当物体在流体中沿着摆线运动时，所受流体的阻力最小，根据牛顿第三定律，流体所受到物体的阻力也最小，离心泵工作时，叶片推动流体做圆周运动，流体在离心力的作用下，沿叶片向出口方向运动，根据上述原理可知，流体沿摆线叶片运动时所受叶片的阻力最小，由此泵内叶片阻力导致的流体的能量损失也最小。因此，本发明所采用的叶轮型线设计方法设计的外摆线叶片，与现有技术中的平面螺旋状叶片和200710169227.9的专利所公开的叶片结构相比，可有效减少流体能量损失，从而增加泵扬程，达到提升效率和降低功耗的目的。

本实施例中，所述叶片2的前段5迎流面与尾段3迎流面之间以及前段5背流面与尾段3背流面之间均相接为圆滑过渡曲面；能减少水流的摩擦损失，提高泵水效率。

本实施例中，所述叶片2包括沿轮盘1周向均匀相间排列的长叶片2a和短叶片2b；所述短叶片2b前端相对于长叶片2a前端缩进形成用于沿轮盘1周向为流体让位的让位口6；长叶片2a前端和短叶片2b前端是指相应的长叶片2a前段5和短叶片2b前段5靠近轮毂4的一端，轮毂4外侧壁为喇叭筒状外锥面，长叶片2a前端沿平面螺旋结构延伸至轮毂4外侧壁并固接为一体；短叶片2b前端延伸至轮毂4根部并且以轴向高度渐变的形式缩进进而与轮毂4之间形成所述让位口6，低比转速离心泵特点是扬程高、流量小，按照传统设计方法，低比转速离心泵常会出现效率低、扬程-流量曲线易出现驼峰、大流量易过载等问题，由离心泵的欧拉方程可知,要实现高扬程,可增大叶轮直径和叶片出口角,提高转速及增加叶片数等。这些措施在增加泵扬程的同时却又带来新的问题,叶轮直径增大,泵的圆盘损失增大；增大叶片出口角,则相应的叶片包角减小,叶片变短,叶槽狭长,平面扩散严重；过高的泵转速将使叶轮内液体质点所受的离心力和哥氏力增大,叶片进口易产生二次回流,叶片出口吸力面与压力面速度梯度过大,出口区域易产生尾流；而过多的叶片数Z则会增加叶片进口的排挤，本实施例的长短叶片设计法从改善叶轮内部流场、压力场出发,在长叶片间设置短叶片可有效地防止出口区域尾流的产生和发展,增大了有限叶片修正系数；同时，使得叶轮流道进口处不出现回流区域，可有效增加泵扬程、减小叶轮外径,改善流速分布并提高泵性能，能避免叶轮进口处排挤现象，且流道内不易产生二次流及尾流现象，降低水力损失及离心泵功率。

本实施例中，所述轮盘1上设有轴向贯通的通孔7；能使泵腔内的部分流体流入并润滑轴承，同时利于保持轮盘1两侧压力均衡。

本实施例中，所述通孔7一一对应的设于长叶片2a前端背流侧，各通孔7沿轮盘1周向均匀布置，位于相邻的长叶片2a和短叶片2b之间，利于保证叶轮的静平衡。

本实施例中，所述长叶片2a前段5与尾段3的长度比为15：1；所述短叶片2b尾端与长叶片2a尾端位于同一圆周；短叶片2b前段5和尾段3之间的分界点与长叶片2a前段5和尾段3之间的分界点位于同一圆周。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种外摆线离心泵叶轮，其特征在于：包括轮盘和固定于轮盘一端面的叶片；所述叶片的尾段渐变为沿轮盘径向延伸的外摆线结构；

所述叶片的前段迎流面型线参数方程为：

$x_1=(r_{11}+r_{12}){\mathrm{sin\Φ}}_1-r_{12}(1+h_1)sin(1+\frac{r_{11}}{r_{12}}){\mathrm{\Φ}}_1$

$y_1=(r_{11}+r_{12}){\mathrm{cos\Φ}}_1-r_{12}(1+h)cos(1+\frac{r_{11}}{r_{12}}){\mathrm{\Φ}}_1;$

尾段迎流面型线参数方程为：

$x_2=(r_{21}+r_{22})cos(C_1{\mathrm{\Φ}}_2-D_1)-r_{22}{h}_{2}cos\[(1+\frac{r_{21}}{r_{22}})(C_2{\mathrm{\Φ}}_2-D_2)\]$

$y_2=(r_{21}+r_{22})sin(C_1{\mathrm{\Φ}}_2-D_1)-r_{22}{h}_{2}sin\[(1+\frac{r_{21}}{r_{22}})(C_2{\mathrm{\Φ}}_2-D_2)\];$

其中x_*(*＝1，2)表示第*条型线的横坐标,y_*(*＝1，2)表示第*条型线的纵坐标；r_*1(*＝1，2)表示第*条型线的基圆的半径,r_*2(*＝1，2)表示第*条型线的母圆的半径；Φ_*(*＝1，2)表示第*条型线的母圆沿基圆纯滚动的角度；h₁为母圆外的轨迹点到母圆的距离与母圆半径的比值，而h₂为母圆内的轨迹点到母圆圆点的距离与母圆半径的比值；C_*和D_*(*＝1，2)为常数；

所述叶片的前段背流面型线参数方程为：

$x_3=(r_{31}+r_{32}){\mathrm{sin\Φ}}_3-r_{32}(1+h_3)sin(1+\frac{r_{31}}{r_{32}}){\mathrm{\Φ}}_3$

$y_3=(r_{31}+r_{32}){\mathrm{cos\Φ}}_3-r_{32}(1+h_3)cos(1+\frac{r_{31}}{r_{32}}){\mathrm{\Φ}}_3;$

尾段背流面型线参数方程为：

$x_4=(r_{41}+r_{42})cos(C_3{\mathrm{\Φ}}_4-D_3)-r_{42}{h}_{4}cos\[(1+\frac{r_{41}}{r_{42}})(C_4{\mathrm{\Φ}}_4-D_4)\]$

$y_4=(r_{41}+r_{42})sin(C_3{\mathrm{\Φ}}_4-D_3)-r_{42}{h}_{4}sin\[(1+\frac{r_{41}}{r_{42}})(C_4{\mathrm{\Φ}}_4-D_4)\]$

x_*(*＝3，4)表示第*条型线的横坐标；y_*(*＝3，4)表示第*条型线的纵坐标；r_*1(*＝3，4)表示第*条型线的基圆半径,r_*2(*＝3，4)表示第*条型线的母圆的半径；Φ_*(*＝3，4)表示第*条型线的母圆沿基圆纯滚动的角度；h₃为母圆外的轨迹点到母圆的距离与母圆半径的比值，而h₄为母圆内的轨迹点到母圆圆点的距离与母圆半径的比值；C_*和D_*(*＝3，4)为常数。

2.根据权利要求1所述的外摆线离心泵叶轮，其特征在于：所述叶片的前段迎流面与尾段迎流面之间以及前段背流面与尾段背流面之间均相接为圆滑过渡曲面。

3.根据权利要求2所述的外摆线离心泵叶轮，其特征在于：所述叶片包括沿轮盘周向均匀相间排列的长叶片和短叶片；所述短叶片前端相对于长叶片前端缩进形成用于沿轮盘周向为流体让位的让位口。

4.根据权利要求3所述的外摆线离心泵叶轮，其特征在于：所述轮盘上设有轴向贯通的通孔。

5.根据权利要求4所述的外摆线离心泵叶轮，其特征在于：所述通孔一一对应的设于长叶片前端背流侧。

6.根据权利要求5所述的外摆线离心泵叶轮，其特征在于：所述长叶片前段与尾段的长度比为15：1；所述短叶片尾端与长叶片尾端位于同一圆周；短叶片前段和尾段之间的分界点与长叶片前段和尾段之间的分界点位于同一圆周。