CN103982468B - 一种离心泵蜗壳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心泵蜗壳，包括内腔和隔舌，其特征在于：在所述内腔中设置两挡板，两所述挡板和隔舌将所述内腔分割成三个分布均匀的蜗室。每个蜗室产生的径向力呈120°对称分布，能够起到平衡径向力的作用。本发明可广泛应用于高扬程、大流量泵站中大型离心泵中。

Description

一种离心泵蜗壳

技术领域

本发明涉及一种离心泵蜗壳，特别是关于一种应用于高扬程、大流量泵站中的消除径向力的大型离心泵蜗壳。

背景技术

水泵的径向力是指叶轮四周的流场对叶轮产生的半径方向的作用力。对于蜗壳式离心泵，在标准工况下，叶轮周围的液体压力是对称分布的，通常情况下，理论径向力为零。但是在水泵的实际运行当中，实际工况是不会与设计的理论工况相同的，所以，设计的径向力平衡被打破，产生径向力。当流量小的时候，径向力指向隔舌的位置，当流量偏大的时候，指向隔舌相反的方向。

径向力不但使泵轴受到交变应力的作用，同时使得泵轴的绕度增加，其大小直接影响水泵运行的稳定性。同时，对于旋转着的轴，径向力是个交变载荷，较大的径向力会使轴因疲劳而破坏。严重时，可导致叶轮和密封环、轴套与泵盖或泵体接触产生偏磨现象，另外,径向力的作用会使轴封间隙变得不均匀,而轴封间隙过大是导致某些泵泄漏的主要原因。由于径向力与叶轮的出口直径、叶轮的出口宽度成正比。因此它的影响将随着泵尺寸的增大而增大，同时也随着扬程的增加而增大。所以，径向力的平衡是十分重要的，特别是对于尺寸较大、扬程较高的泵。

离心泵蜗壳泵的径向力平衡，传统方法采用双蜗壳来实现，在双蜗壳中每一蜗室虽没有完全消除径向力，但两个蜗室相隔180对称布置，作用于叶轮上的径向力是互相平衡的。但是对于高扬程大流量的大型离心泵而言，分隔成两个蜗室后，蜗室还是相对较大，径向力互相平衡作用产生的误差较大，使得径向力的减小的效果有限，仍然存在径向力较大的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够明显减小大尺寸离心泵的径向力、改善蜗壳内流态的离心泵蜗壳。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种离心泵蜗壳，包括内腔和隔舌，其特征在于：在所述内腔中设置两挡板，两所述挡板和隔舌将所述内腔分割成三个分布均匀的蜗室。

两所述挡板中，其中一所述挡板的形状与起点位于与所述隔舌呈逆时针120°的蜗壳进口处且过蜗壳中心对称截面的流线的形状一致，另一所述挡板的形状与起点位于与所述隔舌呈顺时针120°的蜗壳进口处且过蜗壳中心对称截面的流线形状一致。

两所述挡板的厚度为蜗壳出口直径的1/25～1/23。

两所述挡板的重叠区域的长度为靠近蜗壳出口一侧的所述挡板长度的1/10，靠近蜗壳出口一侧的所述挡板与所述隔舌的重叠区域的长度为所述隔舌到蜗壳出口距离的一半。

两所述挡板满足粗糙度要求：Ra<6.3μm。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在内腔中设置两弧形挡板将内腔分割成三个分布均匀的蜗室，能够使每个蜗室产生的径向力呈120°对称分布，从而起到平衡径向力的作用。2、本发明挡板采用过蜗壳中心对称截面的流线形状，可以保证蜗壳内部流场沿流线流动，不遭到破坏，减小由水流冲击、涡流产生的能量损失。3、本发明挡板厚度采用蜗壳出口直径的1/25～1/23，该厚度大致为单挡板蜗壳中的挡板厚度的2/3，能够保证结构刚度，又不会因过厚导致流速升高而增加摩擦损失。4、本发明两挡板的重叠区域以及挡板与隔舌的重叠区域均经过筛选而确定，能够兼顾和平衡两方面的损失(蜗壳内部脱流损失、蜗壳内壁与水流摩擦损失)，以保证综合损失最小。本发明可广泛应用于高扬程、大流量泵站中大型离心泵中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为径向力二力呈180°对称示意图。

图3为径向力三力呈120°对称示意图。

图4是本发明与单挡板双蜗室蜗壳中心对称截面流线分布对比示意图；

其中：图(a)是本发明中心对称截面流线分布示意图；图(b)是单挡板双蜗室蜗壳中心对称截面流线分布示意图；

图5是本发明与单挡板双蜗室蜗壳过叶轮中心与蜗壳出口平行的过流截面流线分布对比示意图；

其中：图(a)是本发明的过叶轮中心与蜗壳出口平行的过流截面流线分布示意图；图(b)是单挡板双蜗室蜗壳的过叶轮中心与蜗壳出口平行的过流截面流线分布示意图；

图6是本发明与单挡板双蜗室蜗壳的各项性能对比示意图；

其中：图(a)是本发明与单挡板双蜗室蜗壳的效率对比示意图；图(b)是本发明与单挡板双蜗室蜗壳的扬程对比示意图；图(c)是本发明与单挡板双蜗室蜗壳的平均径向力对比示意图；图(d)是本发明与单挡板双蜗室蜗壳的径向力脉动幅值对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明离心泵蜗壳包括内腔1和隔舌2，在内腔1中设置两挡板3、4，两挡板3、4和隔舌2将内腔1分割成三个分布均匀的蜗室，每个蜗室产生的径向力呈120°对称分布，起到平衡径向力效果。

上述实施例中，挡板3的形状与起点位于与隔舌2呈逆时针120°的蜗壳进口处且过蜗壳中心对称截面的流线的形状一致；挡板4的形状与起点位于与隔舌2呈顺时针120°的蜗壳进口处且过蜗壳中心对称截面的流线的形状一致。上述流线形状是通过对该离心泵设计工况进行数值模拟计算所得到的，这样可以保证蜗壳内部流场沿流线流动，不遭到破坏，减小由水流冲击、涡流产生的能量损失。

上述实施例中，挡板3、4厚度可采用蜗壳出口直径的1/25～1/23，该厚度大致为单挡板蜗壳中的挡板厚度的2/3。挡板3、4厚度如果太薄会影响该挡板的强度，如果太厚会减小蜗壳的过流面积，造成流速升高增加摩擦损失。因此挡板厚度需在满足结构刚度的基础上，尽量取薄，经过多次厚度的选择和验证，本实施例挡板厚度能保证结构刚度，且厚度在满足结构刚度基础上，取值最小。

上述实施例中，两挡板3、4的重叠区域的长度采用挡板3长度的1/10，挡板3月隔舌2的重叠区域的长度采用隔舌2到出口距离的一半。这样设置是因为：若两挡板3、4重叠区域过短会导致脱流，致使内部流动混乱，产生涡流，增加蜗壳内部的损失；若两挡板3、4重叠区域过长，则挡板3、4长度变长，占用蜗壳内墙的面积增大，致使水流与蜗壳的接触面积变大，进而摩擦损失也相应增大。经过多次计算比较分析，采用上述数值，能够兼顾和平衡两方面的损失，保证了综合损失最小。

上述实施例中，挡板3、4的粗糙度应满足：Ra<6.3μm，以减少摩擦损失。

本发明的原理如下：

离心泵蜗壳是按设计流量设计的，此刻液体在叶轮周围压水室中的速度和压力是均匀的，轴对称的，故作用于叶轮上的径向合力为零，理论上在设计流量下无径向作用力。由于设计是在许多假定的条件下进行的，与实际流动有偏差，所以即使是在设计流量下其叶轮外围的速度和压力也不是均匀的，轴不对称的，故其径向力也不为零。当离心泵在偏离设计流量条件下运行时，蜗壳形线与实际叶轮出流的流线出现偏离，造成叶轮外围的速度和压力不均匀，不对称分布，其偏离设计流量越大，这种叶轮外围的速度和压力不均匀和不对称越严重。单挡板双蜗室蜗壳可以在一定程度上改善偏离设计流量情况下的叶轮外围的速度和压力不均匀和不对称性，但对于大型离心泵而言，其双蜗室依然偏大，单蜗室流体产生的径向力依然较大。单挡板蜗壳把流体分为两部分，对叶轮产生两个呈180°对称的径向力，如图2所示，理论上可以起到平衡径向力的效果。但是实际运行时，产生的两个力大小并不完全相等，且方向也会偏离180°。使得两个蜗室内流体对叶轮的径向力合理不能完全抵消，误差较大，叶轮周围的流速和压力的分布还有改进的空间。三蜗室蜗壳将蜗壳按流动特性分为三个部分，对叶轮产生的3个呈120°对称的径向力，如图3所示，其单个蜗室内流体体积小于单挡板蜗壳单个蜗室内的体积，故其单个径向力小于单挡板蜗壳。且三力呈120°对称的方向虽会有一定程度偏离，但其偏离误差从理论上来说优于二力呈180°对称。而且液体离开叶轮后受更好的引导和束缚，破坏了蜗壳中涡流形成的条件，使流动更加均匀，特别对于小流量情况，可以明显改善流道的扩散情况，使叶轮外围的速度和压力不均匀和不对称性得到进一步的改善。故从理论上来说双挡板蜗壳对于径向力的减小效果优于单挡板离心泵蜗壳，CFD流动模拟计算也证明了这一点。

图4给出本发明与传统的单挡板双蜗室蜗壳中心对称截面流线分布的对比情况。图5给出本发明与传统的单挡板双蜗室蜗壳过转轮中心与蜗壳出口平行的过流截面流线分布的对比情况。从图4中可以看到，本发明蜗壳内水流在双挡板的引导下，流线相比单挡板双蜗室蜗壳分布更加均匀，流态得到了的改善。从图5(b)可以看出，过流截面存在较大的涡流，大涡的存在，使压力脉动剧烈，致使叶轮四周流体产生的压力分布不均，从而导致径向力脉动幅值增大。通过增加挡板对流动加以引导，从图5(a)中可以看出，涡流情况得到改善，涡的尺寸明显减小，改善了压力脉动，从而大大降低了径向力脉动幅值。

经数值模拟验证，本发明与单挡板双蜗室蜗壳相比，其径向力和脉动幅值均有了明显的降低，图6给出了相同流量下本发明与单挡板双蜗室蜗壳在效率、扬程、平均径向力和径向力脉动幅值的对比情况。在小流量时，本发明的平均径向力和径向力脉动幅值均明显小于单挡板双蜗室蜗壳；在整个工况内，本发明的最大平均径向力和径向力幅值均小于单挡板双蜗室蜗壳。蜗壳内壁和流场产生的摩擦损失，与水流的速度的平方和蜗壳内壁的面积成正比，因此随着挡板的增多，蜗壳内壁面积增大，使摩擦损失增加，尤其在大流量工况时，随着水流速度的增加，可能导致水泵的效率的下降。从图中可以看出，增加了一个挡板后，效率和扬程与单板蜗壳相比并无明显变化，在小流量时甚至优于单挡板蜗壳，在大流量时虽然有所降低，但是降低程度不大。因此增加挡板后并没有影响该水泵的能量特性，但是大幅度提高了稳定性。申请人也对三挡板四蜗室蜗壳进行了研究，其减小径向力效果相比双挡板四蜗室蜗壳并不明显，但是能量特性却下降明显。故其他多挡板蜗壳对径向力的减小效果不能显著提高，且能量特性也不能得到保证。因此双挡板三蜗室蜗壳在大型离心泵应用中为消除径向力且不影响能量特性的合理选择。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种离心泵蜗壳，包括内腔和隔舌，其特征在于：在所述内腔中设置两挡板，两所述挡板和隔舌将所述内腔分割成三个分布均匀的蜗室；两所述挡板的重叠区域的长度为靠近蜗壳出口一侧的所述挡板长度的1/10，靠近蜗壳出口一侧的所述挡板与所述隔舌的重叠区域的长度为所述隔舌到蜗壳出口距离的一半。

2.如权利要求1所述的一种离心泵蜗壳，其特征在于：两所述挡板的厚度为蜗壳出口直径的1/25～1/23。

3.如权利要求1或2所述的一种离心泵蜗壳，其特征在于：两所述挡板满足粗糙度要求：Ra<6.3μm。