CN104329289B

CN104329289B - 一种流体机械叶轮

Info

Publication number: CN104329289B
Application number: CN201410534614.8A
Authority: CN
Inventors: 张�浩; 龚敏; 杨建文; 陈德泉; 寿满光; 林永池; 张建国; 陈德利; 周海锋
Original assignee: SHANGHAI FUSITE FLUID MACHINE CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI FUSITE FLUID MACHINE CO Ltd
Priority date: 2014-10-11
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: CN104329289A

Abstract

本发明涉及一种新型流体机械叶轮，可应用于产生压力及回收压力的流体机械中，其主要特征包括，后盖板、前盖板及叶片，后盖板在叶片入口处呈圆柱形结构，并且与离心泵的轴向平行，后盖板与叶片入口圆滑连接，与叶片配合处呈凹形结构向叶轮中心部凹陷；前盖板处的叶片入口边与轴向方向垂直，后盖板与前盖板在叶片入口处通过圆弧状平滑曲线连接形成叶轮入口；叶片为设置在叶片入口与叶片出口之间的光滑曲面，对于叶轮的过流断面流出出口面积与流入入口面积比是0.75～0.95之间，设有2.3片，各叶片之间的重迭角度在5°以内，叶片的出口角度大于35°。与现有技术相比，本发明在提高效率的同时提升吸入性能、通过提高转速来提升能量回收效率、在输送含固体颗粒介质时减少内部磨损。

Description

一种流体机械叶轮

技术领域

本发明属于用于液体输送泵或能量回收涡轮机组件，尤其是涉及一种新型流体机械叶轮。

背景技术

传统低转速的离心泵的，出口面积设计更大，出口面积与进口面积比大约1.1～1.6。为了说明过去技术，将三维的叶轮的径向流动，以二维的模式说明(见图2)，如c图所示，由于出口面积增大，流速减小，动压转变为静压，但由于流速减少的不均匀，导致叶轮出口附近产生压力波动，漩涡会在A处产生。另外，从叶轮轴向看叶片和叶片之间重迭的角度较大，因为这个重迭，会产生循环流，比正常流过叶轮的液体停留时间更长，不仅从叶轮得不到更多的能量，反而降低能量传递效率。而传统技术泵的吸入性能是通过通过前述内部的漩涡A及内部循环流限制流过叶轮的流量，达到降低进口流速，才能提高泵的吸入性能，由于内部漩涡及循环流的存在，在低转速下大幅提升性能是很难实现的。

对于输送含固体颗粒介质的泵，其传统的叶轮设计思路是以前述低转速泵的叶轮设计为基础。为了解决固体颗粒对泵各部零件磨损造成的影响，磨损部分以加厚的形式设计以实现延长寿命的目的。

另外，由于包含固体颗粒的液体介质的运转在转速增加后出现数倍磨损，所以被设计成尽量低的转速。在低转速情况下，扭矩增大即叶片动力也增大，随液体行进的固体颗粒对叶片造成更大的磨损。而且由于转速降低导致叶轮外径增加，前述的内部漩涡进一步增加，反而增大了磨损。并且叶轮直径增大的同时，也加大了从叶轮外圆和壳体间隙通往叶片入口处的回流，增加了对壳体及叶轮外表面的磨损。

因为叶片入口的磨损而加厚入口，使入口的漩涡变大，这就使得前述叶轮下游部的大循环流更大，这样恶性循环是由于为了达到耐磨损的寿命极限而设计。在传统的技术条件下，只能通过使用可以与磨损对抗的超硬材料，没有其他解决问题的方法。

发明专利ZL94107695.4“流体机械用叶轮和应用该叶轮的流体机械”中，对离心式流体机械高速化条件下叶片形状及叶片进口安放角的设计进行了创新，但并没有解决高速化导致的汽蚀性能恶化问题及进一步提升效率的方法，本发明在专利ZL94107695.4的基础上，通过对叶片数、叶片出口安放角、叶片重叠角、进出口面积比的优化创新，消除了离心泵高速化带来的负面影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在提高效率的同时提升吸入性能、通过提高转速来提升能量回收效率、在输送含固体颗粒介质时减少内部磨损的新型流体机械叶轮。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种新型流体机械叶轮，应用于产生压力的流体机械，例如离心泵中，包括后盖板、前盖板及叶片，

所述的后盖板在叶片入口处呈圆柱形结构，并且与离心泵的轴向平行，后盖板与叶片入口圆滑连接，与叶片配合处呈凹形结构向叶轮中心部凹陷；

所述的前盖板处的叶片入口边与轴向方向垂直，后盖板与前盖板在叶片入口处通过圆弧状平滑曲线连接形成叶轮入口；

所述的叶片为设置在叶片入口与叶片出口之间的光滑曲面，设有2-3片，各叶片之间的重迭角度在5°以内，叶片的出口角度大于35°。

所述的后盖板处的入口角为0°。

叶轮的过流断面流出出口面积与流入入口面积比是0.75～0.95。

一种新型流体机械叶轮，应用于回收压力的流体机械，例如涡轮机中，包括后盖板、前盖板及叶片，

所述的后盖板在叶片出口处呈圆柱形结构，并且与离心泵的轴向平行，后盖板与叶片出口圆滑连接，与叶片配合处呈凹形结构向叶轮中心部凹陷；

所述的前盖板处的叶片出口边与轴向方向垂直，后盖板与前盖板在叶片出口处通过圆弧状平滑曲线连接形成叶轮出口；

所述的叶片为设置在叶片入口与叶片出口之间的光滑曲面，设有2-3片，各叶片之间的重迭角度在5°以内，叶片的入口角度大于35°。

所述的后盖板处的出口角为0°。

叶轮的过流断面流入入口面积与流出出口面积比是0.75～0.95。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可以通过高速大幅提升效率的同时，避免传统技术带来的汽蚀性能恶化，使用该技术时，泵的汽蚀余量与传统工况相当，通用性高，可在各行业的小流量工况替代原有设备，并实现节能、节省资源、降低环境污染等目标。

2、利用该叶轮技术设计的超小型高速高性能涡轮发电设备，可以实现未成充分开发的小水电资源的高效利用。

3、另外，利用该叶轮技术设计的流体机械的驱动电机，可通过电气控制实现发电机的功能。例如，在大型石化工程项目中，一台设备正转运行时作为泵或压缩机，反向运转时能为发电设备合理利用多余的介质能量，实现高效节能。

4、对于车、船、飞行器等动力交通工具，使用该技术设计的泵、压缩机、涡轮机等流体机械，既可实现小型化、轻量化，又可提高效率，具有提高空间利用效率、节能、高效等多重优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明和传统技术的叶轮内部流动的模式示意图；

图3为传统泵的效率与本发明的效率比较示意图；

图4为叶片的结构示意图；

图5为图4中A截面的结构示意图；

图6为图4中B截面的结构示意图；

图7为图4中C截面的结构示意图；

图8为图4中D截面的结构示意图；

图9为实例泵试验性能曲线；

图10为实例三维流动分析和实测泵性能的比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种新型流体机械叶轮，其结构如图1所示，应用于离心泵中，包括后盖板1、前盖板2及叶片3，后盖板1在叶片入口处呈圆柱形结构，并且与离心泵的轴向平行，后盖板1与叶片入口圆滑连接，与叶片配合处呈凹形结构向叶轮中心部凹陷；

前盖板2处的叶片入口边与轴向方向垂直，后盖板1与前盖板2在叶片入口处通过圆弧状平滑曲线连接形成叶轮入口；叶片3为设置在叶片入口与叶片出口之间的光滑曲面，设有2-3片，各叶片之间的重迭角度在5°以内，叶片的出口角度大于35°。后盖板1处的入口角为0°，叶轮的过流断面流出出口面积与流入入口面积比是0.75～0.95。

原理及效果：

关于本发明的叶轮的作用，图2进行了详细说明。图2将三维的叶轮的径向流动，以二维的流动来表示。图2a是关于本发明泵的说明图，线段pq的长度相当于入口面积，线段rs的长度相当于出口面积。这样叶轮的过流断面流出出口面积与流入入口面积比是0.75～0.95，叶轮的过流断面流入入口面积与流出出口面积比是0.75～0.95，由于缩小流动，也不会产生内部漩涡，pqsr的梯形图示的回转中心箭头方向旋转，出口rs的圆周速度最大，这里的能量传递最大。图2b表示本发明的涡轮，带有能量的流体(水)从入口rs流到出口pq，无产生漩涡的流动。和泵完全相同的梯形pqrs从回转中心，和泵相反方向运转，吸收流体带有的能量。

用二维表示的图2c是传统技术的泵，图2d是传统技术的涡轮机，产生能量的泵是扩大流动，吸收能量的叶轮是缩小流动，与本发明的流动正好相反。对传统泵来说，在叶轮大面积外周部产生脱流漩涡A，对传统涡轮机来说，小的出口面积导致流体流出困难，同样在叶轮外周部产生漩涡A’。

本发明和传统技术的能量传递用图2中pqsr和p'q'sr的梯形面积比较，可见本发明的梯形面积远大于传统技术，能量吸收的梯形pqsr和p"q"sr也一样，本发明的梯形明显大，明确表示了本发明的叶片的作用比传统叶片拥有更强能力。传统技术的叶轮(图2c、d)叶片径向流速m’很小，而且没有方法变大。本发明的叶轮在同样的出口面积(sr)及相同的圆周速度情况下，径向流速m可以变大(在图2中用m,m’表示)。2个径向流速m都可以变大，意味着外周部叶轮形状完全相同的情况下，叶轮内可以处理更大流量。

以上叙述，面积比0.75～0.95、叶片重迭-5°～+5°、叶片数量仅3片或2片、没有内部循环流，入口能力、出口能力平衡的叶轮，用于泵时可充分的将能量传给液体，用于涡轮机时可充分的吸收流体能量，将流体排出叶轮。可以实现流体机械汽蚀性能及效率的大幅改善。传统泵的效率与本发明的效率比较示意图如图3所示，在图3中特别小流量范围的流体机械的高效率改善(像虚线那样)，基于高转速就可以实现。

对于泵叶轮出口安放角而言，针对后述实施实例，泵的出口安放角改变时，根据理论上出口安放角对流量-扬程曲线的影响，出口安放角增加导致流量-扬程曲线变得平坦，最高效率点的位置朝流量增大的方向偏移，扬程增大的幅度远大于流量增大的幅度，效率显著提升，由此确认出口安放角在35°以上，而由于叶片数很少，增加叶片出口安放角不会导致流量-扬程曲线驼峰的出现。

泵的出口安放角即是涡轮机涡轮的入口安放角，叶片形状并不改变，涡轮机入口液流角的变化是由于涡轮机的工况很容易发生改变，由于正冲角对性能的影响远小于负冲角，为满足更大范围工况的涡轮机性能要求，因而取叶片角度在35°以上。

对于输送介质为气体的离心式旋转机械，由于气体有着可压缩性，同时无汽蚀问题，压缩机的入口直径可以很大，本发明提到的面积比可以做到0.75以下，但这样后，效率会劣化。由于气体的密度跟液体比起来小1/1000，叶片数是输送液体时的1.5～2倍，这就导致内部循环流大幅加大，加上外周部叶片安放角如果不扩大到60°，就无法继续有效传递能量，对于传统技术而言，要提高性能和效率是很难实现的。本发明的面积比0.75～0.95，叶片重迭-5°～+5°，叶片数量3或2片，外围叶片角度35°以上，可以简单容易的实现这个目的。如果密度再小点，就要在能量较高的外围处增设部分叶片。

以上叙述的4点要素(面积比、叶片重迭角度、叶片数、叶片出口安放角)经过严密设计后，就能最大化、高性能的实现高转速流体机械用的叶轮单位体积的能量传递密度。

以下说明输送含固体颗粒液体介质的泵使用本发明的叶轮后如何避免磨损。

1、泵无法直接对固体颗粒传递能量，主要是由泵工作介质(液体，大多是水)对固体颗粒传递能量。磨损是由固体颗粒对泵过流零件冲撞引起的，冲撞的颗粒数量越多，冲撞速度越大，磨损就越严重。以上说明的磨损机理对于内部循环流较大的传统叶轮来说，就是固体颗粒跟随更复杂的流体流动，与叶片、叶轮盖板产生激烈冲撞，造成局部性的磨损，这样造成更复杂、急剧的磨损。跟此相反，本发明的叶片几乎没有内部循环流，这样的磨损不会产生。

2、而且在叶轮高速运转后，同样的输出功率下，叶片对流体的扭矩变小，作用力也会变小，产生的磨损也相应减小。

3、再则，含有固体颗粒较多的液体泵运转后，其工作液体的粘性增加引起的叶片表面附面层加厚后也会产生同样的正面影响，但粘度增加会造成扬程的下降。而传统技术叶轮扬程下降的比例更大，为了弥补扬程损失，只有增加转速或增大叶轮直径，这都会导致磨损的加剧。本发明的叶轮扬程的下降比例约为传统技术泵下降比例的1/5，由于扬程与叶轮直径、转速的平方成正比，所以补偿扬程损失所引起的直径增加或转速增加是微不足道的，由此造成的磨损也是很小的。

4、从吸入性能这个方面来说，吸入性能不好的叶片，其吸入阻力会使得叶片入口处产生漩涡(对与涡轮机则是在出口)，并会使得叶轮下游的循环流增大。传统技术的叶片由于吸入性能差造成固体颗粒在叶片入口处集聚、旋转，从而引起磨损；甚至产生大漩涡，引起叶片下游更大的循环流，更加剧磨损。与此相反，本发明的叶片的吸入性能较好，入口的阻力较小，叶轮内部放大产生的循环流也小，磨损就不容易产生。

以上的四个作用原理说明，本发明的叶轮内部循环流几乎不存在、给予叶片力量小、造成的扬程下降非常小以及吸入性能非常好，在输送包含固体颗粒介质的流体时，可以将磨损减小到极限。

以下是使用本发明的叶轮的泵实例：

图1是泵叶轮的结构示意图，叶片是3片，叶片重叠5°，叶片出口安放角39°，叶片形状是专利ZL94107695.4所记载的叶片形状。

在结构上，泵轴由于转速提高导致扭矩变小，可将电机轴加长作为泵轴使用，这样减少轴承处及联轴器的损失，电机采用同步电机直接变频达到工作转速，避免使用机械升速装置导致功率损失。

图4是叶轮吸入口侧以及移除部分前盖板后看到的叶片形状，其中的叶片出口安放角θ可以为0-10°。图5-8是图4中A、B、C及D断面的轴面视图。

泵转速为10000rpm，泵的最高效率点流量是0.215m³/min，全扬程是30.3m，效率为80％。根据NPSHreq曲线，最高效率点的NPSHr为2m。

该泵的比转数：

n_{s} = \frac{3.65 n \sqrt{Q}}{H^{3 / 4}}

其中：n——转速(rpm)

Q——最高効率点流量(m³/s)

H——泵全扬程(m)

计算可得ns＝169，传统方法在该比转数能实现6m左右的NPSHr，换算至10000rpm的运行转速，NPSHr修正至10m，本发明的汽蚀余量约为传统方法的1/5。

用汽蚀比转数来表示泵吸入性能：

C = \frac{5.62 n \sqrt{Q}}{{NPSHr}^{3 / 4}}

其中：n——:转速(rpm)

Q——最高効率点流量(m³/s)

NPSHr——必须汽蚀余量(m)

计算可得C＝2000，这个数值显示泵吸入性能非常的好，对于传统设计方法来说，需要叶轮前增加诱导轮才能实现这样的汽蚀性能。

以上是证明本发明有效性的实例。

另外，图9为实施例实测性能曲线图，图10为实测性能与计算机仿真性能对比曲线图，使用CFD软件对该实施例的流场进行三维流动分析；根据理论计算的结果，泵扬程与实际测试结果基本一致，假设容积效率为95％、机械效率为90％，乘以根据理论计算得出的水力效率，得出泵的全效率也和实施例测试的结果80％基本一致。

用这个泵实施例的叶轮及壳体，作为流动相反的涡轮时，三维流动分析也取得跟试验基本一致的结果，可计算取得涡轮效率也一致，是86％。至此，理论计算也证实了本发明的叶轮的有效性。

Claims

1.一种流体机械叶轮，应用于产生压力的流体机械中，其特征在于，包括后盖板、前盖板及叶片，

2.根据权利要求1所述的一种流体机械叶轮，其特征在于，所述的后盖板处的入口角为0°。

3.根据权利要求1所述的一种流体机械叶轮，其特征在于，叶轮的过流断面流出出口面积与流入入口面积比是0.75～0.95。

4.一种流体机械叶轮，应用于回收压力的流体机械中，其特征在于，包括后盖板、前盖板及叶片，

5.根据权利要求4所述的一种流体机械叶轮，其特征在于，所述的后盖板处的出口角为0°。

6.根据权利要求4所述的一种流体机械叶轮，其特征在于，叶轮的过流断面流入入口面积与流出出口面积比是0.75～0.95。