CN104595244A - 一种非均匀叶片式导流装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种非均匀叶片式导流装置，能够最大程度地减少池内涡流、提高叶轮进口流动均匀性并且可以有效的降低压力脉动。所述装置包括：管体，用于与水泵连接；锥体，设置在管体内，并与管体组成一供水流通过的导流腔；若干导流叶片，用于减少涡流，使得水流均匀，降低涡流的振动能量，设置在锥体与管体之间，且相邻导流叶片之间的夹角相同或不同。本发明提出的非均匀叶片式导流装置可以减少涡流，避免相同成分动静干涉频率叠加而引起谐振峰值，降低了叶轮的压力脉动，提高水泵的安全稳定性。

Description

一种非均匀叶片式导流装置

技术领域

本发明涉及水利工程领域，特别是指一种非均匀叶片式导流装置。

背景技术

随着轴流泵机组在南水北调等水利工程中的大量应用，其安全稳定性受到普遍关注。由于水流在进水池后方形成了死水区，形成了较大的旋涡，靠近后壁处的吸入口水流流动复杂，且进水池内的旋涡是影响水泵装置稳定运行的重要因素。此外，旋涡会引起空气的吸入，影响水泵效率和稳定运行、加剧水流脉动、诱发空化空蚀且会影响水泵的性能和寿命；另外，由于水泵叶轮的高速旋转，旋涡在叶轮进口处形成较大的压力脉动，很容易引起机组的振动、影响泵站的安全稳定运行。

现有技术中，为了除去水泵吸入口的旋涡，提高水泵进口流速分布均匀度，为水泵提供良好的进水条件，通常在喇叭管下方布置导流装置，然而传统的导流装置形式并不能将涡带分离消除，为了除涡通常在导流装置上布置一个十字形的叶片。

然而，该叶片和叶轮由于动静干涉作用加剧泵进口处的压力脉动，从而使振动增大，特别是当轴流泵叶片数为4个的时候，轴流泵叶片数量与导流装置叶片数相同，易引起机组共振，而采用较多的叶片数，可以有效除去旋涡，但是会增大水力损失和制造成本。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种非均匀叶片式导流装置，能够最大程度减少池内涡流、提高叶轮进口流动均匀性且降低压力脉动。

本发明提供一种非均匀叶片式导流装置，包括：

锥体，固定在泵站进水池底部，

管体，设置在所述锥体外部，并与所述锥体组成一供水流通过的导流腔；

若干导流叶片，与所述锥体固定连接，设置在所述锥体与所述管体之间，用于减少涡流，使水流均匀，降低涡流的振动能量，其中，相邻所述导流叶片之间的夹角相同或不同。

可选地，所述管体具体为喇叭管，且所述喇叭管外表面呈椭圆弧型；所述锥体具体为喇叭形锥体，且所述喇叭形锥体外表面呈椭圆弧型。

可选地，所述喇叭管垂直方向上端为第一上端口，下端为第一下端口，以所述喇叭管垂直中心线为y轴，以水池底部的水平线为x轴，所述喇叭管外表面的椭圆弧S₂所在的椭圆方程满足公式一：

$\frac{4{(x+0.5D_2)}^2}{{(D_2-D_1)}^2}+\frac{{(y-P-h)}^2}{h^2}=1$ 公式一

其中，D₂为所述第一上端口的直径，D₁为所述第一下端口的直径，h为所述第一上端口与所述第一下端口之间的距离，P为所述第一下端口与所述椎体底部的距离，y位于所述喇叭管垂直中心线上。

可选地，所述锥体垂直方向上端为第二上端口，下端为第二下端口，以所述锥体垂直中心线为y轴，以水池底部的水平线为x轴，所述锥体外表面的椭圆弧S₁所在的椭圆方程满足公式二：

$\frac{4{(x+0.5D_0)}^2}{{(D_0-d)}^2}+\frac{{(y-H)}^2}{H^2}=1$ 公式二

其中，d为所述第二上端口直径，D₀为所述第二下端口直径，H为所述第二上端口与所述第二下端口之间的距离，所述锥体的垂直中心线与所述喇叭管垂直中心线重合。

可选地，所述第一上端口与所述第二上端口处于同一水平面。

可选地，若干所述导流叶片为4个，分为第一导流叶片、第二导流叶片、第三导流叶片和第四导流叶片，每个所述导流叶片形状相同，分别包括：上壁、下壁以及连接所述上壁、下壁的内壁和外壁，所述上壁与所述锥体的顶面平齐，所述下壁垂直于底面，所述内壁与所述锥体的外壁切合，所述外壁与所述喇叭管的内壁切合。

可选地，所述第一导流叶片和第三导流叶片布置在沿着进水池中心线处，所述第三导流叶片布置在来流方向，所述第一导流叶片、所述第二导流叶片、所述第四导流叶片布置在池后壁的涡流处。

可选地，所述第一导流叶片与所述第四导流叶片之间的夹角为φ₁，所述第一导流叶片与所述第二导流叶片之间的夹角为φ₂，所述第三导流叶片与第四导流叶片的夹角为φ₃，所述第二导流叶片与所述第四导流叶片的夹角为φ₄。

可选地，所述第一导流叶片、所述第二导流叶片、所述第三导流叶片和所述第四导流叶片之间的夹角关系为：φ₁＝φ₂，φ₃＝φ₄。

可选地，所述φ₁、φ₂、φ₃和φ₄满足公式三：

${\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{\φ}}_2=\arctan \frac{0.5B}{(T+{0.5D}_1)}$ 公式三

φ₃＝φ₄＝180°-φ₁

其中，T为管体到水池后壁的距离，B为水池的宽度。

本发明通过多个导流叶片围绕锥体并配合管体，随着叶轮的旋转，导流叶片在水池里产生的激振力不具备周期性，且多个导流叶片在水池里产生的振动频率不相等，互相干涉，可以避免相同成分动静干涉频率叠加而引起谐振峰值，降低了叶轮的压力脉动，提高水泵的安全稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的非均匀叶片式导流装置的结构示意图；

图2为图1仰视图的结构示意图；

图3为图1标注相关尺寸的结构示意图；

图4为图2标注相关尺寸的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的非均匀叶片式导流装置应用状态图；

图6为现有技术中压力脉动时域图；

图7为本申请中压力脉动时域图；

图8为现有技术中压力脉动幅值图；

图9为本申请中压力脉动幅值图。

附图标记：

1、管体；2、锥体；3、导流叶片；31、第一叶片；32、第二叶片；33、第三叶片；34、第四叶片；4、叶轮；5、水池。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图9所示，本发明实施例提出的一种非均匀叶片式导流装置，包括：锥体2，固定在泵站进水池底部，管体1，设置在锥体2外部，并与锥体2组成一供水流通过的导流腔；若干导流叶片3，与锥体2固定连接，设置在锥体2与管体1之间，用于使水流均匀，降低涡流的振动能量，其中，相邻导流叶片3之间的夹角相同或不同。

本实施例中，管体1与水泵连接，其中水泵包括泵体、叶轮4和轮毂，管体1与泵体连接，使得叶轮4和轮毂置于管体1与泵体之间，锥体2设置在管体1内部，并与管体1组成一导流腔，使得在进行抽水的过程中，使得水流在该导流腔内流动，并进入到水泵，且本实施例中还包括若干导流叶片3，该若干导流叶片3设置在锥体2表面上，并置于锥体2与管体1之间，且相邻叶片之间形成夹角。

在具体应用中，将导流锥与水泵连接后，置于水池5中的中心线处的来流方向，水泵启动后，水在水泵的作用下产生动作。进水池侧壁和后壁相交处容易产生进入到泵中的旋涡，因此将导流叶片32和导流叶片34的安放角度指向侧壁和后壁相交处，用以除去涡流。另外在本实施例中，由于导流叶片3的各夹角之间的不同，使得在伴随水泵的旋转，导流叶片3在水池5里产生的激振力不具备周期性，且若干导流叶片3在水池5里产生的振动频率不完全相等，互相干涉，可以避免相同成分动静干涉频率叠加而引起谐振峰值，降低了叶轮4的压力脉动幅值，提高水泵的安全稳定性。

为使本发明能够更好的使用，优选的，在锥体2底部(第二下端口)上设置若干固定支撑装置，通过该装置，可以与水池5底部进行固定，避免在工作过程中，由于水流的冲击造成整体的晃动，避免由于晃动造成设备的损坏。

本实施例针对不同的使用地，可以理解为针对不同的水池5，其产生的涡流的不同，且使用地水池5的尺寸的不同，管体1和锥体2的形状均不同。

本实施例中，管体1优选为喇叭管，这样与锥体2组合后能使导流腔形成由大到小的空间，即水流进入的方向开口较大，水流进入水泵(导流腔的出水处)开口较小，这样能够降低水流对管体1或锥体2的冲击提高使用寿命。

优选地，锥体2为喇叭形锥体2，在与管体1配合后使用后能够提高整体的使用寿命。

其中，喇叭管包括第一上端口和第一下端口，如图3所示，喇叭管垂直方向上的上端为第一上端口，垂直方向上的下端为第一下端口，第一上端口截面的直接为D₂，第一下端口截面的直径为D₁，第一上端口与第一下端口之间的垂直距离为h，第一下端口与椎体底部的距离为P。

本实施例中：已知参数：叶轮直径D＝1.4m，轮毂直径d＝0.7m，喇叭管到泵站吸水池后壁的距离T＝1.22m，进水池宽度B＝2.4m；

根据以上参数可以计算出，喇叭管上端口直径D₂＝1.4m，其下端口直径为D₁＝1.75m，所述喇叭管高度h＝0.84m，悬空高P＝1.12m，导流锥的高度H＝h+P＝1.96m；所述喇叭管型线呈四分之一椭圆弧，该椭圆弧S₂所在的椭圆方程为：

喇叭管的外表面成椭圆弧形，该椭圆弧为S₂，该椭圆弧S₂所在的椭圆方程为：

$\frac{4{(x+0.5D_2)}^2}{{(D_2-D_1)}^2}+\frac{{(y-P-h)}^2}{h^2}=1$

该椭圆方程涵盖上述各参数，其中水泵叶轮4的直径为D，D₂＝D，D₁＝1.25D，h＝0.6D，p＝0.8D。

椎体分为第二上端口和第二下端口，如图3所示，第二上端口的直径为d₁，第二下端口直径为D₀，第二上端口与第二下端口之间的距离为H。

锥体2的外表面成椭圆弧形，该椭圆弧为S₁，该椭圆弧S₁所在的椭圆方程为：

$\frac{4{(x+0.5D_0)}^2}{{(D_0-d)}^2}+\frac{{(y-H)}^2}{H^2}=1$

椭圆方程涵盖上述各参数，其中水泵轮毂直径为d，d₁＝d，D₀＝1.56D，H＝h+p，上述方程中涉及的x和y，x位于水池5底部的水平线上，y位于喇叭管垂直中心线上；

在本实施例中第一上端口与第二上端口处于同一水平面。

通过上述两个方程，各计算出x和y的值，再根据取点等方式，定义管体1和锥体2的形状，这样在使用的过程中，能够根据实际的使用地进行选取导流装置，使提高工作效率的同时，保证导流装置的稳定性，避免损坏。

在一种实施方式中，如图3～5所示，本实施例中，已知参数：叶轮直径D＝1.4m，轮毂直径d＝0.7m，喇叭管到泵站吸水池后壁的距离T＝1.22m，进水池宽度B＝2.4m；根据以上参数可以计算出，喇叭管上端口直径D₂＝1.4m，其下端口直径为D₁＝1.75m，所述喇叭管高度h＝0.84m，悬空高P＝1.12m，导流锥的高度H＝h+P＝1.96m，所述喇叭管型线呈四分之一椭圆弧，具体地，当叶轮4直径D＝1.4m，轮毂直径d＝0.7m，管体1到水池5后壁的距离T＝1.22m，水池5宽度B＝2.4m时，可知管体1中第一上端口的直径为D₂＝D＝1.4m，第一下端口的直径为D₁＝1.25D＝1.75m，h＝0.6D＝0.84m，P＝0.8D＝1.12m，由此可知S₂所在的椭圆方程为：

$\frac{{(x+0.7)}^2}{0.03}+\frac{{(y-1.96)}^2}{0.7}=1$

根据取点等方式，获取相应的x和y的点值，进而绘制出管体1的具体形状，其中y轴位于为导流锥中心轴，竖直向上为正；x轴位于池底水平中心线，沿着来流方向为正。

计算锥体2相应参数为，第二上端的直径为d₁＝d＝0.7m，D₀＝1.56D＝2.18m，H＝h+p＝1.96m由此可知S₁所在的椭圆方程为：

$\frac{{(x+1.09)}^2}{0.55}+\frac{{(y-1.96)}^2}{3.84}=1$

根据取点等方式，获取相应的x和y的点值，进而绘制出锥体2的具体形状。

在另一种实施方式中，如图3～5所示，当叶轮4直径D＝1.8m，轮毂直径d＝0.9m，管体1到水池5后壁的距离T＝1.62m，水池5宽度B＝2.8m，根据上述参数可知，管体1中第一上端口的直径为D₂＝D＝1.8m，第一下端口的直径为D₁＝1.25D＝2.25m，h＝0.6D＝1.08m，P＝0.8D＝1.44m，由此可知S₂所在的椭圆方程为：

$\frac{{(x+0.9)}^2}{0.05}+\frac{{(y-2.52)}^2}{1.17}=1$

根据取点等方式，获取相应的x和y的点值，进而绘制出管体1的具体形状。

计算锥体2相应参数为，第二上端口的直径为d₁＝d＝0.9m，D₀＝1.56D＝2.81m，H＝h+p＝2.52m，由此可知S₁所在的椭圆方程为：

$\frac{{(x+1.41)}^2}{0.91}+\frac{{(y-2.52)}^2}{6.35}=1$

根据取点等方式，获取相应的x和y的点值，进而绘制出锥体2的具体形状。

在第三种实施方式中，如图3～5所示，当叶轮4直径D＝0.9m，轮毂直径d＝0.3m，管体1到水池5后壁的距离T＝0.96m，水池5宽度B＝2.13m时，计算管体1相应参数为，第一上端口的直径为D₂＝D＝0.9m，第一下端口为D₁＝1.25D＝1.13m，h＝0.6D＝0.54m，P＝0.8D＝0.72m，由此可知S₂所在的椭圆方程为：

$\frac{{(x+0.45)}^2}{0.01}+\frac{{(y-1.26)}^2}{0.29}=1$

根据取点等方式，获取相应的x和y的点值，进而绘制出管体1的具体形状。

进一步地，计算锥体2相应参数为，第二上端口的直径为d₁＝d＝0.3m，D₀＝1.56D＝1.4m，H＝h+p＝1.26m，由此可知S₁所在的椭圆方程为：

$\frac{{(x+0.7)}^2}{0.3}+\frac{{(y-1.26)}^2}{1.59}=1$

根据取点等方式，获取相应的x和y的点值，进而绘制出锥体2的具体形状。

通过上述计算公式，可以根据不同水池5的不同，选择不同的管体1和锥体2，并针对性的进行管体1和锥体2椭圆弧的设计，以适应不同的水池5。

再者，本实施例中导流叶片3包括第一叶片31、第二叶片32、第三叶片33和第四叶片34，第一叶片31与第四叶片34之间的夹角为φ₁，第一叶片31与第二叶片32之间的夹角为φ₂，第三叶片33与第四叶片34的夹角为φ₃，第二叶片32与第四叶片34的夹角为φ₄；通过如下公式计算出φ₁、φ₂、φ₃和φ₄各角度值，该公式为：

${\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{\φ}}_2=\arctan \frac{0.5B}{(T+{0.5D}_1)}$

φ₃＝φ₄＝180°-φ₁

其中，T为管体1到水池5后壁的距离；B为水池5的宽度。

在一种实施方式中，如图2和图4所示，当叶轮4直径D＝1.4m，轮毂直径d＝0.7m，管体1到水池5后壁的距离T＝1.22m，水池5宽度B＝2.4m时，根据：

${\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{\φ}}_2=\arctan \frac{0.5B}{(T+{0.5D}_1)}$

φ₃＝φ₄＝180°-φ₁

可知φ₁＝φ₂＝30°，φ₃＝φ₄＝150°。

在另一种实施方式中，如图2和图4所示，叶轮4直径D＝1.8m，轮毂直径d＝0.9m，管体1到水池5后壁的距离T＝1.62m，水池5宽度B＝2.8m，根据上述公式，可知φ₁＝φ₂＝27°，φ₃＝φ₄＝153°。

当然上述本发明中的举例说明，根据实际中的不同取值，所得到的结果也不相同，为节省篇幅，本发明中不再一一举例，凡能够实现且达到本发明中的技术效果，均落入本发明的保护范围中。

在具体应用中，导流叶片3非均匀布置在锥体2上，随着叶轮4的旋转，导流叶片3在水池5里产生的振动频率不完全相等，避免相同成分动静干涉频率叠加而引起谐振峰值，从而降低了叶轮4上的压力脉动，将第一叶片31、第二叶片32和第四叶片34置于水泵进水池5的池后壁的涡流处，用以除去涡流，提高导流出口处水流的均匀度，从而提高水泵的安全稳定性。

图6为对现有技术中使用叶片式导流锥时叶轮测试所得到的压力脉动随着时间变化的示意图，图7为通过压力脉动进行频谱变换所得到的不同频率的幅值分布的示意图，图8为本发明所提供的叶片式导流锥时叶轮测试所得到的压力脉动随着时间变化的示意图，图9为通过压力脉动进行频谱变换所得到的不同频率的幅值分布的示意图。

其中，由图7可知，随着叶轮4的旋转，叶轮4的压力脉动幅值接近9kPa，相同成分动静干涉频率叠加而引起谐振峰值，叶轮4的压力脉动幅值增大，进一步影响水泵运行的效率和稳定。由图9可知，采用本实施例所提供的叶片式导流锥叶轮，其压力脉动幅值小于5kPa，压力脉动的主频幅值降低了44％。

本实施例的技术方案，导流叶片3围绕锥体2呈周向非均匀；使得4个导流叶片3沿锥体2圆周的周向角度分布不均匀，随着叶轮4的旋转，导流叶片3在水池5里产生的激振力不具备周期性，且导流叶片3在水池5里产生的振动频率不完全相等，互相干涉，可以避免相同成分动静干涉频率叠加而引起谐振峰值，降低了叶轮4的压力脉动幅值，提高水泵的安全稳定性。将导流叶片3布置在进水池5中心线处的来流方向，并将部分置于水池5后壁的涡流处，除去后壁处涡流，提高水泵的进口处水流的均匀度，减小水泵装置压力脉动。

另外，根据本发明中记载的公式，可以根据使用的水池的不同进行不同尺寸和形状的导流装置的设计及制作，使得本发明的技术方案适用性更强；且导流叶片的之间的角度可以根据实际的使用而设计，使得能够使用不同的水泵，使得该导流装置的水泵适用性更强。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求以及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种非均匀叶片式导流装置，其特征在于，包括：

锥体，固定在泵站进水池底部，

管体，设置在所述锥体外部，并与所述锥体组成一供水流通过的导流腔；

若干导流叶片，与所述锥体固定连接，设置在所述锥体与所述管体之间，用于减少涡流，使水流均匀，降低涡流的振动能量，其中， 相邻所述导流叶片之间的夹角相同或不同。

2.如权利要求1所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述管体具体为喇叭管，且所述喇叭管外表面呈椭圆弧型；所述锥体具体为喇叭形锥体，且所述喇叭形锥体外表面呈椭圆弧型。

3.如权利要求2所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述喇叭管垂直方向上端为第一上端口，下端为第一下端口，以所述喇叭管垂直中心线为y轴，以水池底部的水平线为x轴，所述喇叭管外表面的椭圆弧S₂所在的椭圆方程满足公式一：

$\frac{4{(x+0.5D_2)}^2}{{(D_2-D_1)}^2}+\frac{{(y-p-h)}^2}{h^2}=1$   公式一

其中，D₂为所述第一上端口的直径，D₁为所述第一下端口的直径，h为所述第一上端口与所述第一下端口之间的距离，P为所述第一下端口与所述椎体底部的距离，y位于所述喇叭管垂直中心线上。

4.如权利要求3所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述锥体垂直方向上端为第二上端口，下端为第二下端口，以所述锥体垂直中心线为y轴，以水池底部的水平线为x轴，所述锥体外表面的椭圆弧S₁所在的椭圆方程满足公式二：

$\frac{4{(x+0.5D_0)}^2}{{(D_0-d)}^2}+\frac{{(y-H)}^2}{H^2}=1$    公式二

其中，d为所述第二上端口直径，D₀为所述第二下端口直径，H为所述第二上端口与所述第二下端口之间的距离，所述锥体的垂直中心线与所述喇叭管垂直中心线重合。

5.如权利要求4所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述第一上端口与所述第二上端口处于同一水平面。

6.如权利要求5所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，若干所述导流叶片为4个，分为第一导流叶片、第二导流叶片、第三导流叶片和第四导流叶片，每个所述导流叶片形状相同，分别包括：上壁、下壁以及连接所述上壁、下壁的内壁和外壁，所述上壁与所述锥体的顶面平齐，所述下壁垂直于底面，所述内壁与所述锥体的外壁切合，所述外壁与所述喇叭管的内壁切合。

7.如权利要求6所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述第一导流叶片和第三导流叶片布置在沿着进水池中心线处，所述第三导流叶片布置在来流方向，所述第一导流叶片、所述第二导流叶片、所述第四导流叶片布置在池后壁的涡流处。

8.如权利要求6所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述第一导流叶片与所述第四导流叶片之间的夹角为φ₁，所述第一导流叶片与所述第二导流叶片之间的夹角为φ₂，所述第三导流叶片与第四导流叶片的夹角为φ₃，所述第二导流叶片与所述第四导流叶片的夹角为φ₄。

9.如权利要求7所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述第一导流叶片、所述第二导流叶片、所述第三导流叶片和所述第四导流叶片之间的夹角关系为：φ₁＝φ₂，φ₃＝φ₄。

10.如权利要求9所述的非均匀叶片式导流装置，其特征在于，所述φ₁、φ₂、φ₃和φ₄满足公式三：

${\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{\φ}}_2=\arctan \frac{0.5B}{(T+0.5D_1)}$  公式三

φ₃＝φ₄＝180°-φ₁

其中，T为管体到水池后壁的距离，B为水池的宽度。