CN104929953B - 具有仿生结构的减振降噪离心泵 - Google Patents

Abstract

具有仿生结构的减振降噪离心泵，包括蜗壳、连接轴、电机和叶轮，所述的电机固定于壳体外，连接轴承托于蜗壳并伸入蜗壳内；所述的叶轮包括叶片、前盖板和后盖板，叶片装在前后盖板之间的连接轴上并位于蜗壳内，电机通过连接轴与叶轮轴接，在蜗壳扩散段下方设有第一仿生段，第一仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼外轮廓的圆弧齿状结构，第一仿生段的起点位于隔舌开始处、终点延伸至蜗壳压水室的第一断面与第二断面之间；隔舌的头部圆弧处设置带有至少一列凸起的仿生表面结构。本发明的有益效果是：降低离心泵内部压力脉动最激烈处的幅值；方便、准确的对离心泵流量、扬程有较为有效的提升，同时能改善离心泵性能曲线出现的驼峰。

Description

具有仿生结构的减振降噪离心泵

技术领域

本发明涉及一种具有仿生结构的减振降噪离心泵。

背景技术

离心泵作为一种通用机械，在国民经济中起着极其重要的作用。但其过流部件结构较为复杂，且旋转的叶轮与静止的蜗壳之间存在着动静干涉作用，使离心泵运行时内部流场呈现三维非稳态湍流，还会伴随强烈的脉动和噪声。这会严重影响系统及设备的运行安全和使用寿命，对于隐匿性能较高的军用设备，比如潜艇等，振动及噪声则是亟需解决的问题。

离心泵内非定常压力脉动，被认为是诱导振动主要因素。当前针对离心泵内因流体诱发压力脉动的研究表明，离心泵内部流场的压力脉动与隔舌及隔舌与叶轮之间的间隙有关。目前减小离心泵内部流场的振动和噪声的方法一般主要有：改变叶轮与隔舌间间隙、改变隔舌型式、及改变隔舌安放角。但依据上述三种方案对离心泵进行减振降噪的研究中，改变叶轮与隔舌间隙或隔舌安放角时，虽然离心泵内部的脉动得到较好的改善，却以离心泵外特性性能为代价；而改变隔舌型式时，如采用阶梯隔舌时虽然在不影响离心泵性能的同时也能降低离心泵内部流场的脉动特性，但由于隔舌尺寸小、型式复杂，采用阶梯隔舌时必定会增加制造的难度。

离心泵种类繁多，有些离心泵在被制造出厂后，往往会出现流量、扬程偏大或偏小的情况，有时性能曲线还出现驼峰。为了满足其性能要求，通常的做法是对叶轮出口进行切割。叶轮切割方法大体有两种：绕叶轮圆周方向均匀切割，减小叶轮出口直径，保证叶轮的整体形状不变；仅对叶轮出口处叶片进行局部切割，保留盖板不变。但以上两种叶轮切割方式只能解决部分性能曲线有驼峰或流量、扬程达不到要求的情况，当流量、扬程偏低时，上述叶轮切割方式并不能很好的解决问题，其缺点是不能有效的改善其流量、扬程，或者使得切割后的性能曲线稳定性不好。

经过亿万年的生物进化，鸮类可以在猎食过程中实现高速无声飞行，而鸮类独特的体表降噪系统得益于其羽翼的特殊结构。目前已有学者选择将生物体表降噪特征应用于该问题中，研究证明利用仿生学原理构造的耦合仿生结构具有明显的降噪效果。

发明内容

为了解决目前的离心泵不能有效的改善其流量、扬程，或者使得切割后的性能曲线稳定性不好的问题，本发明提出了一种降低离心泵内部流场的振动与噪声问题，同时能有效提高离心泵的流量、扬程的具有仿生结构的减振降噪离心泵。

本发明所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，包括蜗壳、连接轴、电机和叶轮，所述的电机固定于壳体外，所述的连接轴承托于蜗壳并伸入蜗壳内；所述的叶轮包括叶片、前盖板和后盖板，所述的叶片装在前后盖板之间的连接轴上并位于蜗壳内，所述的电机通过所述的连接轴与叶轮轴接，其特征在于：在蜗壳扩散段下方设有第一仿生段，所述的第一仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼外轮廓的圆弧齿状结构(仿生非光滑结构)，所述的圆弧齿状结构为线性正弦曲线，第一仿生段的起点位于隔舌开始处、终点延伸至蜗壳压水室的第一断面与第二断面之间，并且第一断面的形状面积与原第一断面的形状面积相同，所述的原第一断面为蜗壳外轮廓所在的外圆与蜗壳基圆形成的断面；所述的隔舌的头部圆弧处设置带有至少一列凸起的仿生表面结构(仿生非光滑结构)。

所述的扩散段的对称侧壁上设有第二仿生段，所述的第二仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼的线性正弦曲线的圆弧齿状结构(仿生非光滑结构)；所述的第二仿生段从蜗壳第十断面开始，并沿扩散段流线方向延伸至扩散段出口处，并且保证扩散段的第十断面和第十一断面的形状面积分别与原第十断面、原第十一断面形状面积相同。

所述的仿生表面结构上的凸起为毫米级的圆球、圆柱、三棱柱或四棱柱。

所述的第一仿生段的圆弧齿状结构的单元间隔为26～42mm，突起高度为3～7mm，其中突起高度与间隔之比为0.1～0.2之间，单元个数为1～4个。

所述的第二仿生段沿流线方向布置长度为整个扩散段3/4，仿生结构的结束点与蜗壳出口处平齐，第二仿生段的圆弧齿状结构单元间隔为26～42mm，单元高度为3～7mm，圆弧齿状结构的单元个数为2～4个，整个第二仿生段360°包围扩散段出口处。

所述的蜗壳为单蜗壳、双蜗壳或三蜗壳结构。

所述的蜗壳从外向内依次为第一蜗壳和第二蜗壳构成的双蜗壳结构，所述的第二蜗壳的第二隔舌沿叶轮中心与第一蜗壳的隔舌呈180°对称，所述的第二蜗壳上设有第三仿生段，所述的第三仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼外轮廓的线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述的第三仿生段从第二隔舌头部开始沿第二蜗壳方向分布到压水室第五断面与第六断面之间；第二蜗壳厚度为蜗壳扩散段出口直径的1/25，保证第五断面的形状面积与原第五断面的形状面积相同，所述的原第五断面为第二蜗壳外轮廓所在的外圆和蜗壳基圆形成的断面。

第二蜗壳位于以蜗壳顶端为圆心的圆弧上，并且第二蜗壳的尾端落在第八断面与第九断面之间。

所述的第二蜗壳用分流板替换。

相邻两片叶片之间的前盖板和/或后盖板周向带有凹槽，保证叶片出口处位于最高点，即保证叶片出口处的直径不变。

本发明的仿生蜗壳结构适用于单蜗壳、双蜗壳或三蜗壳离心泵。在整个离心泵压力脉动最强烈处采用圆弧齿状结构的仿生非光滑结构，此处主要以双蜗壳为对象进行分析，即在隔舌头部、隔舌头部到压水室第一断面附近、第二蜗壳隔舌头部到压水室第五断面处、以及扩散段出口处采用仿生非光滑结构。通过对长耳鸮翼型的分析得到相关的形态参数，并根据蜗壳的设计要求确定非光滑仿生蜗壳的具体结构。

本发明的隔舌头部结构适用于单隔舌、双隔舌及阶梯隔舌。即在隔舌头部构造圆球、圆柱、四棱柱或三棱柱微型非光滑形态，非光滑形态的具体参数为：长度略微比隔舌长度小，绕隔舌圆周方向间隙为0.5mm左右，确保在隔舌头部最少能形成一列仿生表面结构。

本发明的仿生蜗壳结构适用于单蜗壳、双蜗壳或三蜗壳离心泵，此处主要分析该仿生蜗壳结构应用于双蜗壳离心泵的情况，其中仿生蜗壳结构从隔舌头部沿第一蜗壳方向分布到压水室第一断面附近，同时从第二隔舌头部沿第二蜗壳方向(分流板)分布到压水室第五断面附近处。

本发明的仿生扩散段结构用于改善离心泵蜗壳出口处由于漩涡或二次流引起的不稳定流动，因为离心泵蜗壳出口处压力最大，流体不稳定则会造成蜗壳出口处极大的压力脉动，而强烈的压力脉动也是诱发振动及噪声的主要因素。

本发明的特殊叶轮切割结构包括叶片及前后盖板，其切割方式包含以下三种情况：a、保证叶轮叶片处盖板直径不变，而叶片出口处与叶片出口处之间的前后盖板上，采用圆弧齿状形态(仿生非光滑形态)轴向平行切割；b、保证叶轮叶片处盖板直径不变，而叶片出口处与叶片出口处之间的前盖板上，采用圆弧齿状形态轴向平行切割，但后盖板保持不变；c、保证叶轮叶片处盖板直径不变，而叶片出口处与叶片出口处之间的后盖板上，采用圆弧齿状形态轴向平行切割，但前盖板保持不变。对于上述经过特殊叶轮切割的盖板，盖板出口处周向形成圆弧齿状结构，且保证叶片出口处位于圆弧齿状形态的最高点，即保证叶片出口处的直径不变。

仿生结构工作原理：仿生蜗壳部分采用的圆弧齿状结构，在离心泵压力脉动最剧烈处能形成流体弹性区域，当流体因为叶轮与蜗壳之间的动静干涉，而产生液流冲击、漩涡、二次流时，流体弹性区域能起到吸收液流冲击损失的作用，从而从本质上减小离心泵内部的压力脉动，且由于弹性区域的缓冲作用，使得压力脉动的幅值震荡更小；且隔舌区域特殊的圆弧齿状结构会改善叶轮出口处及扩散段出口处液体的流动状态，明显消除叶轮出口处射流——尾迹现象，使叶轮流道内流体的压力、速度分布的更加均匀，扩散段流道内的流体的边界层分离现象则明显消失，能避免漩涡及二次流的产生，从而直接减小叶轮流道内及扩散段出口处压力脉动；叶轮切割部分采用圆弧齿状形态切割，保持叶片直径不变，并不会影响液体从叶轮中获取能量，而叶轮出口处盖板的切割将会较大程度的降低液体的圆盘摩擦损失，从而对离心泵的扬程有明显的提升效果。

本发明的有益效果是：不仅能够显著降低离心泵内部压力脉动最激烈处的幅值，且离心泵内部流场其他部位的脉动幅值也在一定程度上下降，同时叶轮流道及压水室流道内流体的流动状态得到明显的改善，射流尾迹及边界层分离的现象得到较好的控制；离心泵叶轮的特殊切割结构则是在不改变其他零部件的条件下，较为方便、准确的对离心泵流量、扬程有较为有效的提升，同时能改善离心泵性能曲线出现的驼峰情况。这意味着实践中离心泵内流场流体的流动更加平缓，脉动和噪声显著减小，且离心泵的外特性性能如流量、扬程等将会有所提升。

附图说明

图1是传统的蜗壳轮廓图。

图2是本发明流道中截面示意图(其中A～L分别代表第一～第十二断面)；

图3是图2中叶轮平面投影图；

图4是本发明的蜗壳结构图图与传统的蜗壳对比图(虚线为传统的蜗壳轮廓)；

图5是图2中隔舌区域的局部放大图；

图6是图4隔舌头部放大图(圆球或圆柱)；

图7是图6的隔舌头部结构图(圆球)；

图8是图7的隔舌头部结构图；

图9是图5隔舌头部放大图(三棱柱)；

图10是图9的隔舌头部结构图；

图11是图5隔舌头部放大图(四棱柱)；

图12是图11的隔舌头部结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，包括蜗壳1、连接轴2、电机和叶轮3，所述的电机固定于蜗壳1外，所述的连接轴2承托于蜗壳1并伸入蜗壳1内；所述的叶轮3包括叶片31、前盖板和后盖板，所述的叶片31装在前后盖板32之间的连接轴2上并位于蜗壳1内，所述的电机通过所述的连接轴2与叶轮3轴接，在蜗壳1扩散段11下方设有第一仿生段12，所述的第一仿生段12的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼外轮廓的近似线性正弦曲线的圆弧齿状结构，第一仿生段12的起点位于第一隔舌13开始处、终点延伸至蜗壳1压水室的第一断面A与第二断面B之间，并且第一断面A的形状面积与原第一断面A的形状面积相同，所述的原第一断面为蜗壳外轮廓13所在的外圆与蜗壳基圆14形成的断面；所述的第一隔舌13的头部圆弧处设置带有至少一列凸起的仿生表面结构，仿生表面结构周向尺寸为0.5mm左右，轴向最小尺寸为0.5mm，轴向最大尺寸比隔舌宽度略小。

所述的扩散段11的对称侧壁上设有第二仿生段111，所述的第二仿生段111的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼的近似线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述的第二仿生段111从蜗壳第十断面开始，并沿扩散段11流线方向延伸至扩散段11出口处，并且保证扩散段的第十断面J和第十一断面K的形状面积分别与原第十断面、原第十一断面形状面积相同。

所述的仿生表面结构上的凸起为毫米级的圆球、圆柱、三棱柱或四棱柱，方案一：圆球形结构，圆球的直径为0.5mm左右，圆球的排列方式除了图中的三角形排列，还可以有四边形、圆形等各种排列方式。方案二：圆柱形结构，圆柱直径为0.5mm左右，宽度比隔舌略小，且非光滑圆柱的排列方向既可与隔舌圆周垂直也可以沿着隔舌圆周方向。方案三：三角形结构，三角形为等腰三角形，底边宽度为0.5mm，宽度比隔舌略小，且非光滑三棱柱的排列方向既可与隔舌圆周垂直也可以沿着隔舌圆周方向。方案四：矩形结构，矩形宽度为0.5mm，长度比隔舌略小，且非光滑长方体的排列方向既可与隔舌圆周垂直也可以沿着隔舌圆周方向。

所述的第一仿生段12的圆弧齿状结构的单元间隔为26～42mm，突起高度为3～7mm，其中圆弧齿状结构高度与间隔之比为0.1～0.2之间，单元个数为1～4个，上述圆弧齿状结构是通过对长耳鸮特殊的羽翼形态进行分析得到的，大量研究认为鸮类可以在猎食过程中实现高速无声飞行，而鸮类独特的体表降噪系统得益于其羽翼的特殊结构，且长耳鸮翼型被认为对气流噪声有很好的控制作用。

所述的第二仿生段111沿流线方向布置长度为整个扩散段3/4，仿生结构的结束点与蜗壳出口处平齐，第二仿生段111的圆弧齿状结构单元间隔为26～42mm，圆弧齿状结构单元高度为3～7mm，圆弧齿状结构单元个数为2～4个，整个第二仿生段360°包围扩散段出口处。

所述的蜗壳1为单蜗壳、双蜗壳或三蜗壳结构。

所述的蜗壳1从外向内依次为第一蜗壳14和第二蜗壳15构成的双蜗壳结构，所述的第二蜗壳15的第二隔舌151沿叶轮3中心与第一蜗壳15的第一隔舌1呈180°对称，所述的第二蜗壳15上设有第三仿生段152，所述的第三仿生段152的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼外轮廓的近似线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述的第三仿生段152从第二隔舌151头部开始沿第二蜗壳15方向分布到压水室第五断面E与第六断面F之间；第二蜗壳15厚度为蜗壳扩散段11出口直径的1/25，保证第五断面E的形状面积与原第五断面的形状面积相同，所述的原第五断面为第二蜗壳外轮廓所在的外圆17和蜗壳基圆16形成的断面。

第二蜗壳15位于以蜗壳1顶端为圆心的圆弧上，并且第二蜗壳15的尾端落在第八断面H与第九断面I之间。

所述的第二蜗壳15可用分流板替换。

相邻两片叶片31之间的前盖板和/或后盖板周向带有凹槽33，保证叶片31出口处位于最高点，即保证叶片31出口处的直径不变。

隔舌头部的工作原理：

仿生表面结构可以使流体在特征结构处形成漩涡，从而减小流体阻力，且仿生表面结构形成的流体弹性区域可以吸收液流冲击损失，尤其是针对隔舌头部强烈的水力撞击，圆弧齿状结构可以明显降低该处由于液流冲击引起的强烈振动和噪声。

第一蜗壳14、第二蜗壳15处仿生结构的工作原理：

离心泵叶轮3在电机的带动下，跟随转动的轴一起旋转，将叶轮3流道内的流体甩向蜗壳1，蜗壳1起着收集流体的作用，并随着蜗壳1截面的增大，不断的将流体的动能转换成压能，最后由扩散段11甩出，完成整个离心泵的做功过程。由于离心泵叶轮3不断的旋转，蜗壳1却保持静止，使得流体由叶轮流道甩向静止的蜗壳1时，产生激烈的流体撞击，引发漩涡及二次流，即动静干涉作用。这种现象尤其体现在隔舌区域，该处叶轮与隔舌的间隙最小，当叶轮3旋转到与隔舌最近处，处于隔舌右侧的叶轮流道内的流体沿流线方向被甩出，隔舌左侧叶轮流道内的流体无法由叶轮与蜗壳间间隙甩出，在隔舌与第一断面处产生强烈的流体撞击，并形成较大的漩涡，从而造成隔舌区域最为激烈的压力脉动，引发离心泵振动和噪声。采用仿生蜗壳结构时，圆弧齿状结构会形成流体弹性区域，吸收流体撞击损失和涡流损失，且使叶轮出口处的压力分布更加对称，改善了叶片出口处的射流尾迹现象，从而极大程度上的降低了隔舌区域的脉动幅值，改善离心泵隔舌区域的振动和噪声。

扩散段11仿生结构的工作原理：

对于扩散段11出口位于蜗壳对称面中心线的蜗壳，离心泵的径向力得到很好的平衡，但扩散段11内流体边界层分离较为严重，流体的流动状态极不稳定，漩涡及二次流较为明显。同时由于扩散段内流体压力较大，从而造成扩散段内的压力脉动幅值较大，使得扩散段内的振动和噪声十分明显。采用扩散段圆弧齿状结构时，扩散段内流体流经圆弧齿状结构时，漩涡及二次流现象明显被消除，且扩算段壁面边界层分离也得到很好的控制，使得流体的压力脉动显著下降，从而大大降低了扩散段内的振动及噪声。

特殊切割叶轮3的工作原理：

液体通过叶轮流道时，主要通过叶片31来获取能量，在叶轮切割过程中并未切割到叶片31，故不影响其对液体做功；切掉叶轮出口处除叶片以外的盖板部分32，可以明显减小出口圆盘摩擦损失，这将有利于扬程的提升；叶轮出口处盖板32的切割将会减小叶轮出口过流面积，这有利于提高离心泵流量，并能提升关死点扬程，有助于改善性能曲线的稳定性。

上述仿生蜗壳结构均通过利用数值模拟仿真技术对离心泵内部流场进行分析，结果表明采用仿生蜗壳结构时，离心泵内部流场中压力脉动最激烈处即隔舌处于扩散段出口处的脉动幅值得到很好的抑制，同时叶轮流道及扩散段的流体流动状态得到很好的改善，尤其是叶轮出口的射流尾迹得到显著的控制，且扩散段内的边界层分离及二次流情况明显消除。这样可以保证蜗壳内的流场均能沿流线方向流动，并能减少液流冲击损失和涡流损失，使离心泵内部流场的振动和噪声得到良好的改善。而对叶轮部分进行特殊切割，则可明显提升离心泵扬程及流量，使泵的性能曲线更加稳定。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.具有仿生结构的减振降噪离心泵，包括蜗壳、连接轴、电机和叶轮，所述的电机固定于壳体外，连接轴承托于蜗壳并伸入蜗壳内；所述的叶轮包括叶片、前盖板和后盖板，所述的叶片装在前后盖板之间的连接轴上并位于蜗壳内，所述的电机通过所述的连接轴与叶轮轴接，其特征在于：在蜗壳扩散段下方设有第一仿生段，所述的第一仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼外轮廓的圆弧齿状结构，所述的圆弧齿状结构为线性正弦曲线，第一仿生段的起点位于隔舌开始处、终点延伸至蜗壳压水室的第一断面与第二断面之间，并且第一断面的形状面积与原第一断面的形状面积相同，所述的原第一断面为蜗壳外轮廓所在的外圆与蜗壳基圆形成的断面；隔舌的头部圆弧处设置带有至少一列凸起的仿生表面结构。

2.如权利要求1所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：所述的扩散段的对称侧壁上设有第二仿生段，所述的第二仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼的线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述的第二仿生段从蜗壳第十断面开始，并沿扩散段流线方向延伸至扩散段出口处，并且保证扩散段的第十断面和第十一断面的形状面积分别与原第十断面、原第十一断面形状面积相同。

3.如权利要求1所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：所述的仿生表面结构上的凸起为毫米级的圆球、圆柱、三角柱或四棱柱。

4.如权利要求1所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：所述的第一仿生段的圆弧齿状结构的单元间隔为26～42mm，突起高度为3～7mm，其中圆弧齿状结构高度与间隔之比为0.1～0.2之间，单元个数为1～4个。

5.如权利要求2所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：所述的第二仿生段沿流线方向布置长度为整个扩散段3/4，仿生结构的结束点与蜗壳出口处平齐，第二仿生段的圆弧齿状结构间隔为26～42mm，圆弧齿状结构高度为3～7mm，圆弧齿状结构单元个数为2～4个，整个第二仿生段360°包围扩散段出口处。

6.如权利要求1～5任意一项权利要求所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：所述的蜗壳为单蜗壳、双蜗壳或三蜗壳结构。

7.如权利要求6所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：所述的蜗壳从外向内依次为第一蜗壳和第二蜗壳构成的双蜗壳结构，所述的第二蜗壳的第二隔舌沿叶轮中心与第一蜗壳的隔舌呈180°对称，所述的第二蜗壳上设有第三仿生段，所述的第三仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼外轮廓的线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述的第三仿生段从第二隔舌头部开始沿第二蜗壳方向分布到压水室第五断面与第六断面之间；第二蜗壳厚度为蜗壳扩散段出口直径的1/25，保证第五断面的形状面积与原第五断面的形状面积相同，所述的原第五断面为第二蜗壳外轮廓所在的外圆和蜗壳基圆形成的断面。

8.如权利要求7所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：第二蜗壳位于以蜗壳顶端为圆心的圆弧上，并且第二蜗壳的尾端落在第八断面与第九断面之间。

9.如权利要求7所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：所述的第二蜗壳用分流板替换。

10.如权利要求1所述的具有仿生结构的减振降噪离心泵，其特征在于：相邻两片叶片之间的前盖板和/或后盖板周向带有凹槽，保证叶片出口处位于最高点，即保证叶片出口处的直径不变。