CN104613001A - 一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构 - Google Patents

一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，包括轴流泵叶片，叶轮轮毂，转轮室，导叶轮毂和导叶叶片，导叶叶片的一端与导叶轮毂相连，另一端与导叶段管道相连；轴流泵叶片的叶片进口边沿旋转方向前掠、沿轴向向下延伸形成流线型，轴流泵叶片各截面的翼型头部均为半圆形圆弧；叶轮轮毂的径向半径沿液流方向先逐渐增大后逐渐减小，且叶片进口边处的径向半径最大；转轮室入口焊接有一圆环，导叶叶片数不大于5个且导叶进口边为流线型；导叶进口边与叶片出口边形成较大的空间。本发明的轴流泵结构可大幅度降低叶片撞击到鱼的概率，同时降低鱼受到叶片撞击后的死亡率，从而大大提高了鱼类的存活率，适用于有各类鱼通过的大中型泵站用轴流泵。

Description

一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构
技术领域
本发明涉及水力机械技术领域，尤其是涉及一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，适用于有各类鱼通过的大中型泵站用轴流泵。
背景技术
大中型泵站是人类水资源调配的关键动力装备，作为重要的工程措施，它在水资源的时空调度和治理中起着不可替代的作用；同时，泵站在防洪、排涝和抗旱减灾，以及工农业用水和城乡居民生活供水等方面发挥着重要作用。在国内一些沿河沿海城市，欧洲的一些地势低洼的国家，例如荷兰，容易受到由于降雨，河流和海洋的涨落潮常产生洪水灾害，而泵站作为避免这种自然灾害的有效手段，在国内外发展迅速，在大小河流、水库等地用量较大，对保障人们的生命财产安全发挥着巨大的作用。然而，泵站发展至今存在的一个负面影响在于，当河流、海洋中的鱼类经过泵站时，高速旋转的叶轮会造成鱼类的大量损伤和死亡，这就阻碍了鱼类的迁徙，并对鱼类多样性产生了潜移默化的影响。在当今构建生态友好型社会，走可持续发展道路的背景下，创新泵站轴流泵结构，优化传统泵站，降低鱼类的损伤和死亡率，得到了政府部门和泵制造商越来越多的关注。
公开号为CN102748300A的专利技术，提出了螺旋轴流泵的概念，该轴流泵采用一种前掠式叶片和锥形轮毂，实现了介质平滑的传递，提高了污水污物等杂物的通过能力。但是当泵站的介质为活鱼时，这种轴流泵不适用鱼类通过，因为叶片进口边过于锋利，轮缘与转轮室之间的间隙也会造成鱼卡死，过长的叶片流道对鱼的磨损加剧，导叶进口边对鱼的撞击也会造成鱼的大量死亡。公开号为CN102400947A的专利技术，提出了叶片进口边前掠，但该专利为了防止杂物缠绕，使叶片轮缘处薄而轮毂处厚，这就造成了轮缘处由于圆周速度更大，对鱼的切割力也更大，这样一来鱼的死亡率就会大大增加。从以上这几点可以看出，大多数轴流泵优化通过能力时几乎不会考虑介质为活鱼时对鱼会造成伤害，我国至今尚未提出保护鱼类通过大中型泵站轴流泵的新型结构。因此，现有技术并不能解决提高鱼类存活率这一重要的生态问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，以提高鱼类通过大中型泵站轴流泵的存活率，避免鱼类的大量损伤和死亡。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，包括旋转轴、导叶轮毂、导叶叶片、叶轮轮毂、轴流泵叶片和转轮室，所述轴流泵叶片固定在叶轮轮毂上；所述导叶轮毂和叶轮轮毂均与旋转轴连接，所述导叶叶片的一端固定在导叶轮毂上，另一端固定在导叶段管道上；所述轴流泵叶片的叶片进口边沿旋转方向前掠、沿轴向向下延伸形成流线型。
进一步的，所述轴流泵叶片为两个，所述轴流泵叶片的叶片进口边与叶轮轮缘形成的尖角γ满足γ＜45°，所述轴流泵叶片的叶片出口边与叶轮轮缘形成的钝角σ满足σ＞120°；叶片进口边的形状满足：选择叶片进口边上的任意一点A，所述点A在水平方向上的切线AA’与所述点A到叶轮轴线的垂线OA之间形成的锐角α满足α＞45°，所述点A在竖直方向上的切线AC’与所述叶轮轴线之间的夹角θ满足20°＜θ＜60°；所述叶片出口边的形状满足：选择叶片出口边上任意一点B，所述点B在水平方向上的切线BB’与所述点B到叶轮轴线的垂线OB之间形成的锐角β＞30°，所述点B在竖直方向上的切线BD’与所述叶轮轴线之间的夹角ε满足35°＜ε＜65°。
进一步的，所述轴流泵叶片各截面的翼型头部均为半圆形圆弧。
进一步的，所述半圆形圆弧的直径从叶轮轮毂处至叶轮轮缘处呈线性增大。
进一步的，所述半圆形圆弧在叶轮轮缘处的直径为叶轮轮毂处直径的1.5倍。
进一步的，所述叶轮轮毂的径向半径沿液流方向先逐渐增大后逐渐减小，且所述叶片进口边处的径向半径最大。
进一步的，所述转轮室的入口处设有圆环，其径向尺寸为叶轮轮缘和转轮室之间间隙的1.5-2倍。
进一步的，所述导叶叶片的个数≤5，且导叶叶片的导叶进口边为沿轴向后掠的流线型。
进一步的，所述导叶叶片的导叶进口边的形状满足，所述导叶进口边在水平方向上为直线；在竖直方向上，通过所述导叶进口边上任意一点K的切线KK’与所述导叶轴线之间的夹角λ满足15°＜λ＜65°，且夹角λ在导叶轮毂处为15°，在导叶轮缘处为65°。
本发明的有益效果：
(1)叶轮上设置两个轴流泵叶片，与传统的四叶片或多叶片轴流泵叶轮相比，大大降低了轴流泵叶片撞击到鱼的概率；轴流泵叶片的叶片进口边沿旋转方向前掠、沿轴向向下延伸形成流线型，通常在泵入口水流的冲击下，将鱼自动向导叶轮毂侧推进，顺利滑入流道，避免长尺度鱼挂在叶片进口边高速旋转而造成损伤。
(2)轴流泵叶片各截面的翼型头部设计为直径从轮毂处F线性增大至轮缘处E的半圆形圆弧，若鱼类在进入轴流泵叶片的过程中出现了撞击轴流泵叶片，此时较大的半圆形入口不存在棱角，大幅增加了鱼的接触面积，避免轴流泵叶片如刀片一般切割鱼类身体，因为叶片进口边的圆周速度在轮缘处E最大，所以半圆形圆弧在轮缘处E设计为最厚，以进一步降低鱼的损伤；叶轮轮毂在叶片进口边处半径较大，提高了鱼类通过叶片进口边时的速度，减小鱼类进入轴流泵叶片的时间，降低了轴流泵叶片的撞击概率。
(3)转轮室入口焊接的圆环挡住了轮缘与轮转室之间的间隙，一方面阻挡鱼类随流动卡死在间隙，另一方面避免轮缘尖角对鱼造成伤害；导叶进口边设计为流线型，更加符合流动规律，降低鱼的损伤；叶片出口边和流线型导叶进口边形成的较大空间，让鱼类从叶轮到导叶有一个过渡区间，避免了鱼类之间的相互挤压，从而降低损伤。
附图说明
图1为本发明的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构的主视图。
图2为叶轮的立体图。
图3为图2的俯视图。
图4为图2的主视图。
图5为叶轮轮缘处截面的翼型展开图。
图6为叶轮轮毂处截面的翼型展开图。
图7为叶轮轮毂的主视图。
图8为导叶的立体图。
图9为图8的主视图。
附图标记说明如下：
1-轴流泵叶片，2-叶片进口边，3-叶片出口边，4-叶轮轮毂，5-转轮室，6-圆环，7-导叶进口边，8-导叶叶片，9-导叶轮毂，10-导叶段管道，11-旋转轴。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构为应用于大中型泵站中，该泵站所用的轴流泵的转速通常不大于1450r/min，如图1所示，包括轴流泵叶片1，叶轮轮毂4，转轮室5，导叶轮毂9和导叶叶片8，所述轴流泵叶片1为两个且对称固定在叶轮轮毂4上，与传统的四叶片或多叶片轴流泵叶轮相比，大大降低了轴流泵叶片撞击到鱼的概率。导叶轮毂9和叶轮轮毂4均通过轴承与旋转轴11连接，导叶叶片8通过焊接，使其一端与导叶轮毂9相连，另一端则与导叶段管道10固定；旋转轴11旋转时导叶叶片8及导叶轮毂9固定为静止部件。在叶轮轮缘与转轮室5之间的间隙处焊接有圆环6，若叶轮轮缘和转轮室壁面之间的间隙为0.002D2，其中D2为叶轮外径，为了遮挡住该间隙，圆环6径向尺寸为0.003D2-0.004D2，这样可有效的降低叶片尖角撞击和轮缘间隙卡死对鱼造成的损伤。
如图2所示，将普通轴流泵的叶片沿旋转方向前掠，并且沿轴向向下延伸形成流线型的叶片进口边2，所述叶片进口边2与叶轮轮缘形成的尖角γ满足γ＜45°，所述轴流泵叶片1的叶片出口边3与叶轮轮缘形成的钝角σ满足σ＞120°。流线型叶片进口边2的变化趋势如下：如图3所示，所述叶轮的俯视图中，定义叶片进口边2上任意一点A，过A点做切线AA’，并做A点与轴心连线OA，AA’与OA延长线形成的夹角α恒大于45°；定义叶片出口边3上任意一点B，过B点做切线BB’，并做B点与轴心连线OB，BB’与OB延长线形成的夹角β恒大于30°；如图4所示，在所述叶轮的主视图中，过A做切线AC’与叶轮轴线相交，切线AC’与轴线之间的夹角θ从轮缘处E的20°逐渐增加至轮毂处F的60°；过B点做切线BD’与叶轮轴线相交，切线BD’与叶轮轴线之间的夹角ε满足35°＜ε＜65°；通常在泵入口水流的冲击下，这种流线型的叶片进口边2将鱼自动向导叶轮毂侧推进，从而顺利滑入流道，避免长尺度鱼挂在叶片进口边高速旋转而造成损伤。
叶片进口边2的翼型头部设计为直径从轮毂处F线性增大至轮缘处E的半圆形圆弧，如图5、图6所示的翼型展开图上，翼型上表面为叶片压力面，翼型下表面为叶片吸力面，所述半圆弧与压力面和吸力面相切，若轮毂F处的圆弧直径为d，其值为20mm到40mm之间，则轮缘处E的圆弧直径设计为1.5d；若鱼类在进入轴流泵叶片的过程中出现了撞击轴流泵叶片，此时较大的半圆形入口形状大幅增加了鱼的接触面积，从而降低鱼身体的局部受力，半圆形的入口由于不存在棱角，避免了轴流泵叶片如刀片一般切割鱼类身体；同时，因为叶片进口边2的圆周速度在轮缘处E最大，所以半圆形圆弧在轮缘处E设计为最厚，以进一步降低鱼的损伤。
如图7所示，叶轮轮毂4沿液流方向的半径从叶轮轮毂4前端至叶片进口边2与叶轮轮毂4交点处呈非线性增大，而从叶片进口边2与叶轮轮毂4交点处至叶片出口边3处呈非线性减小。即设R为轮毂半径，则R的值在L1点处为0，叶片进口边2与叶轮轮毂4交点在L2处，从L1至L2处R值逐渐增大，从L2至L3处R值逐渐减小，变化规律以叶轮轮毂4表面尽量光滑为原则。在L2处，由轴向速度公式Vm1＝Q/S可得，此时的过流断面S最小，而流量Q为常数，这使得液流的轴向速度Vm1在L2处达到最大，在鱼类与流体不发生相对滑移的情况下，鱼的轴向速度也为Vm1，提高了鱼类通过叶片进口边2时的速度，减小鱼类进入轴流泵叶片1的时间，这样鱼通过进口边处过流断面的时间更短，降低了轴流泵叶片1的撞击概率。
如图8所示，导叶叶片8的数量不大于5个，导叶进口边7为沿轴向后掠的流线型；如图9所示，在导叶的主视图中，定义导叶叶片进口边7上任意一点K，过K点做切线KK’与轴线相交，切线KK’与轴线之间的锐角λ从导叶轮毂处G的15°逐渐增加至导叶轮缘处H的65°，更加符合流动规律，降低鱼的损伤。
在叶片出口边3和导叶进口边9之间形成较大的空间，在传统轴流泵导叶结构中，该空间的体积约为导叶部分体积的1/3，本发明中所述空间的体积是传统轴流泵结构的3倍左右，这给予鱼类充足的空间从叶轮的叶片进口边2过渡到导叶叶片8，同时也避免了鱼类之间相互挤压而造成损伤。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，包括旋转轴(11)、导叶轮毂(9)、导叶叶片(8)、叶轮轮毂(4)、轴流泵叶片(1)和转轮室(5)，所述轴流泵叶片(1)固定在叶轮轮毂(4)上；所述导叶轮毂(9)和叶轮轮毂(4)均与旋转轴(11)连接，其特征在于，所述导叶叶片(8)的一端固定在导叶轮毂(9)上，另一端固定在导叶段管道(10)上；所述轴流泵叶片(1)的叶片进口边(2)沿旋转方向前掠、沿轴向向下延伸形成流线型。
2.根据权利要求1所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述轴流泵叶片(1)为两个，所述轴流泵叶片(1)的叶片进口边(2)与叶轮轮缘形成的尖角γ满足γ＜45°，所述轴流泵叶片(1)的叶片出口边(3)与叶轮轮缘形成的钝角σ满足σ＞120°；叶片进口边(2)的形状满足：选择叶片进口边(2)上的任意一点A，所述点A在水平方向上的切线AA’与所述点A到叶轮轴线的垂线OA之间形成的锐角α满足α＞45°，所述点A在竖直方向上的切线AC’与所述叶轮轴线之间的夹角θ满足20°＜θ＜60°；所述叶片出口边(3)的形状满足：选择叶片出口边(3)上任意一点B，所述点B在水平方向上的切线BB’与所述点B到叶轮轴线的垂线OB之间形成的锐角β＞30°，所述点B在竖直方向上的切线BD’与所述叶轮轴线之间的夹角ε满足35°＜ε＜65°。
3.根据权利要求1或2所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述轴流泵叶片(1)各截面的翼型头部均为半圆形圆弧。
4.根据权利要求3所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述半圆形圆弧的直径从叶轮轮毂处至叶轮轮缘处呈线性增大。
5.根据权利要求4所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述半圆形圆弧在叶轮轮缘处的直径为叶轮轮毂处直径的1.5倍。
6.根据权利要求1所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述叶轮轮毂(4)的径向半径沿液流方向先逐渐增大后逐渐减小，且所述叶片进口边(2)处的径向半径最大。
7.根据权利要求1所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述转轮室(5)的入口处设有圆环(6)，其径向尺寸为叶轮轮缘和转轮室(5)之间间隙的1.5-2倍。
8.根据权利要求1所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述导叶叶片(10)的个数≤5，且导叶叶片(10)的导叶进口边(9)为沿轴向后掠的流线型。
9.根据权利要求8所述的可通过鱼类的生态友好型轴流泵结构，其特征在于，所述导叶叶片(10)的导叶进口边(9)的形状满足，所述导叶进口边(9)在水平方向上为直线；在竖直方向上，通过所述导叶进口边(9)上任意一点K的切线KK’与所述导叶轴线之间的夹角λ满足15°＜λ＜65°，且夹角λ在导叶轮毂处为15°，在导叶轮缘处为65°。
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