CN1050881C - 用于离心式粘合液泵的泵叶轮 - Google Patents

Abstract

一种可旋转地安装在离心式粘合液泵14蜗壳12之内的聚叶轮10，包括与叶轮10旋转轴线18同轴而形成的进口16。叶轮10还包括沿叶轮10周边延伸的出口20和一组在进口16和出口20之间基本径向延伸的叶片22。相邻叶片22之间形成相应的叶片通道24，随叶轮10的旋转带动，粘合液经这些通道24流动。叶轮10的尺寸相对蜗壳12确定，这样，叶片通道24入口处通道b₁与叶轮10周边处叶片通道宽度b₂之比其值范围是9.3-10.2，而叶轮直径D₂与蜗壳宽度b₃之比其值范围是3.8-4.2，这样能使泵在比速度为22-30的范围内运行。

Description

用于离心式粘合液泵的泵叶轮

本发明涉及一种离心式粘合液泵的叶轮及蜗壳，和包括有叶轮和蜗壳的离心式粘合液泵。

本文中出现的术语“离心泵粘合液”是指任何用来泵送粘合液或其它含有固体磨料悬浮液体的离心泵。

离心泵通常包括一个安装在可旋转轴上并由一蜗壳包围着的叶轮。叶轮包括一个与旋转轴同轴而形成的进口和一沿叶轮周边延伸的出口。通常，一组叶片在进口和出口之间径向地延伸，而相邻叶片之间的区域形成了相应的叶片通道，要泵送的液体可经过这些通道流动。液体排出口设置在壳体中，通常沿垂直于旋转轴的轴线延伸。随着叶轮的旋转，将动能传递给叶轮内的液体，使液体沿旋转方向并径向向外移动。随后将液体携带到排出口。蜗壳的面积朝出口方向增加，这样，将液体的动能转换成压力能。在给定的旋转速度条件下，离心泵可在最大效率工况运行，而这一点，仅能在流量、压力及轴的转速由设计而确定之后的一定条件下，特别是在叶轮和壳体的综合几何形状确定了的条件下才能实现。

在设计离心式粘合液泵时，蜗壳和叶轮的几何形状是确定泵效率和磨损性能的关键。设计几何形状的选择通常受所期望的经过叶轮和蜗壳的叶片通道的较低流速的影响。然而，增加蜗壳的宽度可以降低流速，而泵的效率却会因边界层的分离、紊流和逆流所引起的水力损失而减少。所以在设计粘合液泵的过程中，需要特别谨慎地权衡工作效率和磨损效率的要求，因此，为了获得效率和磨损两个对立要求之间的满意的平衡，粘合液泵的结构通常做成使其水力效率低于由比速度/效率曲线所确定的理论获得值的5％-15％。当粘合液泵的比速度为22-30及流量大于100公升/秒时，理论上可获得的效率值通常为50％-85％。

CN-2086336U公开了一种泵叶轮，该叶轮包括：与旋转轴同轴的进口；沿叶轮周边延伸的出口；一组在进口和出口之间径向延伸的叶片，相邻叶片之间的区域形成了相应的叶片通道，随着所述叶轮的旋转，经过这些叶片通道而引起粘合液的流动，每个叶片通道的宽度沿着朝叶轮周边逐渐变窄。然而该文件并没解决上述的问题。

本发明的目的在于提供一种用于离心式粘合液泵的叶轮，它和蜗壳的组合在使用时有助于提高离心式粘合液泵的效率和耐磨性。

根据本发明，提供一种可放置地安装在离心式粘合液泵蜗壳之内的叶轮，该叶轮包括：

一个进口，与旋转轴同轴地加工而成；

一个沿叶轮周边延伸的出口；

一组通常在进口和出口之间径向延伸的叶片，相邻叶片之间的区域形成了相应的叶片通道，随着所述叶轮的旋转，经过这些叶片通道而引起粘合液的流动，沿着粘合液子午线的垂线测量，每个叶片通道的宽度在朝叶轮周边方向上逐渐变窄，所述叶轮的尺寸相对所述蜗壳确定成，叶片通道入口处所测得的叶片流道宽度(b₁)与叶轮圆周边处叶片通道的宽度(b₂)之比其值为1.5-1.7：

叶轮直径(D₂)与叶轮圆周边处叶片通道宽度(b₂)之比为9.3-10.2；

叶轮直径D₂与蜗壳宽度(b₃)之比为3.8-4.2，

由此，在使用中，所述粘合液泵可在比速为22-30的范围内运行。

最好，每个叶片有一条由曲线R(θ)任一范围所确定的中凸线，

其中：

R(θ)＝[R₁+R₈·F(X)]·exp(θ·tan(β₁+F(X)·(β₂-β₁))

其中

R₁＝D₁/2，D₁是进口直径

R_s＝[R₂/exp(tanβ₂·θ_s)]-R₁

R₂＝D₂/2，D₂是叶轮的直径

F(X)＝[A tan(X·K)-A tan(X_min·K)]/

      [A tan(X_max·K)-A tan(X_mix·K)]

    ＝形状函数。

 X_min＝形状常数，-1＜X_min＜1

 X_max＝X_min+2

 K＝曲线类型常数(正常情况下2＜K＜5)

 X＝[X_min+(2θ/θ_s)·X_max]·K

β₁＝进口角，其范围为17°～29°

β₂＝出口角，其范围为27°～35°

θ_s＝掠角，其范围为100°～140°

最好，所述蜗壳有一个基本是螺旋形的圆周壁，其轮廓由形状曲线R_spiral之一来确定，其中，

R_spiral＝R₂ exp([Q/Kb₃]·θ′/2π)

其中

Q＝设计流量，单位m³/S，为子午线速度乘2πR₂b₂

K＝角动量＝V_uR_spiral＝V_u2′R₂

V_u2′＝V_u2′slip

Y_slip＝标准泵设计理论所定义的滑动系数

V_u2＝U₂-V_m2/tanβ₂

   ＝叶轮周边处的流体圆周速度

U₂ ＝叶轮周边的圆周速度＝尖端速度

V_m2＝半径为R₂的子午线速度

β₂＝叶片出口角，其值范围是27°～35°

b₃＝蜗壳宽度

θ′＝产生与螺旋曲线相匹配角动量的角座林

R₂＝叶轮半径

另一方面，根据本发明的叶轮可装在一种离心式粘合液泵上使用，该泵包括：

一蜗壳，

一个可旋转地安装在所述蜗壳之内的叶轮；

所述的叶轮包括一进口，该进口与叶轮旋转轴线同轴：

一个沿所述叶轮周边延伸的出口；

一组在进口和出口之间基本径向延伸的叶片，相邻叶片之间的区域形成相应的叶片通道，随着所述叶轮的旋转，引起粘合液该这些通道流动，每个叶片通道的宽度朝叶轮周边方向逐渐变窄的沿粘合液子午线流线的垂线测量，所述叶轮由相对所述蜗壳来确定，这样，叶片通道入口处所测得的叶片宽度(b₁)与叶轮圆周边处叶片通道的宽度(b₂)之比其范围为1.5～1.7；

叶轮直径(D₂)与叶轮圆周边处叶片通道(b₂)之比其范围为9.3～10.2；以及

叶轮直径(D₂)与蜗壳宽度(b₃)之比其范围是3.8～4.2。

由此，在使用中，所述粘合液泵可在比速度为22～30的范围内运行。

最好，每个叶片有一条由曲线R(Q)的任何之一来决定的曲线，其中

R(θ)＝[R₁+R_s·F(X)]·exp(θ·Tan(β₁+F(X)

       ·(β₂-β₁))

其中

R₁＝D₁/2，D₁是进口直径

R_s＝[R₂/exp(tanβ₂·θ_s)]-R₁

R₂＝D₂/2，D₂是叶轮直径

F(X)＝[A tan(X·K-A tan(X_min·K)]/

      [A tan(X_max·K)-A tan(X_min·K)]

    ＝形状函数

X_min＝形状常数，-1＜X_min＜1

X_max＝X_min+2

K   ＝曲线类型常数(正常情况下2＜K＜5)

β₁ ＝进口角，其范围是17°～29°

β₂ ＝出口角，其范围是27°～35°

θ_s ＝掠角，其范围是100°～140°

最好，所述蜗壳有一基本是螺旋形的圆周壁，其轮廓基本由形状曲线R_spiral任意之一来确定，其中，

R_spiral＝R₂ exp([Q/Kb₃]·θ′/2π)

其中

Q＝设计流量，单位m³/S，为子午线速度乘2πR₂b₂

K＝角动量＝V_uR_spiral＝V_U2′·R₂

V_u2′＝V_U2·Yslip

Yslip＝标准泵设计理论所定义的滑动系数

V_u2＝U₂-V_m2/tanβ₂

   ＝叶轮周边处的流体圆周速度

U₂＝叶轮周边的圆周速度＝尖端速度

V_m2＝半径为R₂的子午线速度

β₂＝叶片出口角，其范围是27°～35°

b₃＝蜗壳宽度

θ′＝产生与螺旋曲线相匹配的角动量的角座标

R₂＝叶轮半径

下文参照附图，仅以举例的方式对本发明的实施例进行描述。其中：

图1是装在粘合液泵内部的叶轮的横截面图；

图2是图1叶轮的正视图；

图3是图1所示泵的A截面图；

图4是泵的侧视图。

参见附图可以看出，叶轮10以旋转方式安装在离心式粘合液泵14的蜗壳12之内，它包括有一个与叶轮10的旋转轴线18同轴而形成的进口16，一个沿叶轮10周边延伸的出口20，以及一组叶片，为了清楚，在图2中仅示出了两个叶片，这些叶片通常在进口和出口之间径向延伸。从图2中可更清楚地看出，相邻叶片22之间的区域形成了相应的叶片通道24，随着叶片10的旋转，使粘合液从旋转轴线18向外流出。叶轮10还包括前盖板26和同轴的底层后盖板28，进口16在前盖板26中形成。轮毂30从后盖板28上与前盖板26相对的后盖板28表面延伸，与旋转轴线18同轴并远离前盖板26，轮毂30用来安装轴(未示出)，该轴由电动机驱动，从而将扭矩传递给叶轮10。叶片22在前盖板26和后盖板28之间轴向延伸并连接该两个盖板。

泵出口叶片32从与后盖板28相反的前盖板26上的表面轴向延伸，并从进口16附近到叶轮10的周边以螺旋方式排列。泵出口叶片32有助于防止粘合液从出口20向进口16的回流。

叶轮10由颈管34包围在泵14之内，颈管34与邻接于前盖板26和后衬套36的蜗壳12的一个侧面密封地配合，后衬套36与蜗壳12的另一侧密封配合。颈管34形成了一进口38。进口38与叶轮10的进口16相通。

叶轮叶片通道24宽度的选择应有助于使经过叶轮的流动成为光滑线型流动。为了获得这一目的，叶片通道24做成从该通道入口处最宽点(宽度b₁)到叶轮周边最窄点(宽度b₂)逐渐变窄的形状。

入口处的通道宽度b₁通常定义为沿着子午流线垂线方向的宽度，参照图1，宽度b₁可认为是最接近叶片22进口边的直线宽度，叶片22的圆柱坐标(rE)被投射到叶片通道一个截面上。已经发现，通过在相对部分选择通道进、出口宽度的值，以致于进口宽度b₁与出口宽度b₂之比为1.5～1.7时，叶片通道24在叶轮吸入孔位置处具有光滑的稍弯曲的入口形状。这有助于减少紊流，这样便可减少叶轮的磨损并提高了泵14的效率。尽管在泵送不含任何悬浮研磨颗粒的“净水”高性能泵中，这种比值不是非正常的，但粘合液泵通常设计成叶片通道进口宽度b₁与出口宽度b₂之比大约为1。

叶轮10周边处叶轮直径D₂与通道宽度b₂之比直接与比速度N_s有关，比速度N_s是与扬程、流量以及泵能在最高效率工况下运的轴转速有关的性能指标。

通常，当比速度减少时，耐磨性增加，而效率减少。这样，低比速度泵具有大的窄叶轮，这种叶轮以比较低的轴速度产生扬程。在叶轮10中，直径D₂与宽度b₂的几何结构是这样安排的，使比值D₂·b₂的范围为9.3～10.2，这样的离心泵14可以在如上述方程(1)所定义的比速度为22～30的工况下运行。

叶片22的型面形状是叶轮性能及叶轮10和蜗壳12中磨损形成的重要因素。设计中的主要问题是确定横越叶片通道24整个宽度的叶片22进口角和出口角。此外，必须确定掠角，它表示叶片将围绕着一个圆，从直径为D₁的通道入口处叶片的始点到叶轮直径为D₂的周边处叶片出口间所掠过的程度。

一旦设计者确定了一条中线的进口角β₁、出口角β₂和掠角Θ_s，剩下的问题便是如何产生光滑曲线使其满足那些指标。尽管许多标准技术可以从教科书中找到，但本申请入以实验为依据列出了确定中线的方程。这种方程便于程序化，根据下列定义的形状参数X_min和K的变化，允许迅速产生较宽范围的合适曲线。

用于产生叶片截面的β₁、β₂和θ_s的取值范围及中线方程如下：

中线参数                            范围

β₁                              17°～29°

β₂                              27°～35°

θ_s                              100°～140°

其次，利用γ、θ坐标所产生的中线是：

R(θ)＝[R₁+Rs·F(x)]·exp(θ·Tan(β₁+F(x)·

       (β₂-β₁))

其中

R₁＝D₁/2

R_s＝[R₂/exp(A tanβ₂·θ_s)]-R₁

R₂＝D₂/2

F(X)＝[A tan(X·K)-A tan(X_min·K)]/

      [A tan(X_max·K)-A tan(X_min·K)]

    ＝形状函数

X_min＝形状常数，-1＜X_min＜1

X_max＝X_min+2

K   ＝曲线类型常数(正常情况下2＜K＜5)

X   ＝[X_min+(2θ/θ_s)·X_max]·K

下面参见图3和4，蜗壳12设有排出口40，排出口40基本沿垂直于旋转轴数18的方向延伸。蜗壳12做成具有排出口40沿叶轮旋转方向半径增加的螺旋形轮廓。但蜗壳基圆42由定长半径形成，并面对着叶轮10的周边。

为了在低比速度范围之内提高效率，蜗壳轮廓由蜗壳宽度b₃产生，宽度b₃比较窄，正常情况下，传统粘合液泵不使用这种宽度。本申请人已经发现，通过选择下文表1所列举的关键几何参数，可以获得低比速度下的高效率及工业上可接受的耐磨性。这些比值如根据所建议的D₂/B₂约为3.8～4.2取值范围形成了比传统粘合液泵所采用的要更窄的壳体。这种情况与蜗壳的横截面形状是简单的如矩形或不规则四边形还是更复杂形状的如半圆形无关。但是在较复杂的横截面形状情况下，宽度比可采用公知方法将复杂形状的截面变换成面积相等的等效矩形来计算。在这种情况下，等效矩形的宽度b₃通过假设叶轮周边和蜗壳12基圆42之间间隙(参见图1)对于复杂形状和等效矩形形状来说都是相同来计算。

最后，确定了参数b₁、b₂、b₃和D₂之后，剩下的任务就是做出蜗壳12的螺旋形轮廓。蜗壳的螺旋形状与叶轮10的工作性能相匹配对于获得最大效率是很重要的。螺旋形轮廓R_spiral可采用公知的角动量守恒定律而制定出来，下面是矩形截面蜗壳的一个例子：

R_spiral＝R₂ exp([θ/Kb₃]·θ′/2π)

其中

Q＝设计流量(m³/S)为子午线速度乘2πR₂b₂

K＝角动量＝V_uR_spiral＝V_U2′·R₂

V_u2′＝V_u2·Yslip

Yslip＝标准泵设计理论所定义的滑动系数

V_u2＝U₂-V_m2/Tanβ₂＝叶轮圆周边处流体的圆

       周速度

U₂＝叶轮周边的圆周速度＝尖端速度

V_m2＝半径为R₂的子午线速度

β₂＝叶片出口角，其值范围是27°～35°

b₃＝蜗壳宽度

θ′＝产生与螺旋形曲线相匹配动量的角坐标

P₂＝叶轮半径

表1给出了本发明一个实施例设计参数与另一个商业上可行的离心式粘合液泵设计参数的比较：

                        表1

比值	本发明叶轮/蜗壳	另一个商业上可行的粘合液泵
			b1/b2D2/b3D2/b2Ns效率	1.5～1.73.8～4.79.3～10.222～3081.5％	0.9～1.22.3～3.45.6～8.623～3070％

从上述表可以明显地看出，本发明的这个实施例具有超过商业上可行离心式粘合液泵的一些优点。特别是根据表1所示的特征，该实施例的效率大约为81.5％，这与效率大约为70％的上述商业上可行泵相比较，接近于理论可获得的最大值。进一步，叶轮的几何形状减少了紊流，也减少了粘合液对蜗壳的冲击角。这更有利于减少叶轮、蜗壳和泵其它组件的磨损。

Claims (3)

1.一种旋转地安装在离心式粘合液泵蜗壳之内的叶轮，包括：

一个与旋转轴同轴的进口；

一个沿叶轮周边延伸的出口；

一组通常在进口和出口之间径向延伸的叶片，相邻叶片之间的区域形成了相应的叶片通道，随着所述叶轮的旋转，经过这些叶片通道而引起粘合液的流动，沿着粘合液子午线的垂线测量，每个叶片通道的宽度在朝叶轮周边方向上逐渐变窄，

其特征在于，所述叶轮的尺寸相对所述蜗壳确定成，叶片通道入口处所测得的叶片通道宽度(b₁)与叶轮圆周边处叶片通道的宽度(b₂)之比其值的范围是1.5～1.7；

叶轮直径(D₂)与叶轮圆周边处叶片流道宽度(b₂)之比其值的范围是9.3～10.2；

叶轮直径(D₂)与蜗壳宽度(b₃)之比其值的范围是3.8～4.2，

由此，在使用中，所述粘合液泵可在比速为20～30的范围内运行。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，每个叶片有一条由曲线R(θ)任一范围确定的中凸线，其中：

R(θ)＝[R₁+R_s·F(X)]·exp

       (θ·tan(β₁+F(X)·(β₂-β₁))

其中

R₁＝D₁/2，D₁是进口直径

R_s＝[R₂/exp(tanβ₂·θ_s)]-R₁

R₂＝D₂/2，D₂是叶轮直径

F(X)＝[A tan(X·K)-Atan(Xmin·K)]/

      [A tan(Xmax·K)-A tan(Xmin·K)]

    ＝形状函数

Xmin＝形状常数，-1＜Xmin＜1

Xmax＝Xmin+2

K＝曲线类型常数(正常情况下2＜K＜5)

X＝[Xmin+(2θ/θ_s)·Xmax]·K

β₁＝进口角，其值的范围是17°～29°

β₂＝出口角，其值的范围是27°～35°

θ_s＝掠角，其值的范围是100°～140°

3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，所述蜗壳有一形状基本是螺旋形的圆周壁，其任何一个轮廓基本上由形状曲线Rspiral来确定，其中

Rspiral＝R₂exp(Q/Kb₃)·θ′/2π

其中

Q＝设计流量(m³/S)，为子午线速度乘以2πR₂b₂

K＝角动量＝VuRspiral＝V_u2′·R₂

V_u2′＝V_u2·Yslip

Yslip＝标准泵设计理论所定义的滑动系数

V_u2＝U₂-V_m2/tanβ₂＝叶轮圆周边处流体的圆周速度

U₂＝叶轮周边的圆周速度＝尖端速度

V_m2＝半径为R₂的子午线速度

β₂＝叶片出口角，其值的范围是27°～35°

b₃＝蜗壳宽度

θ′＝产生与螺旋形曲线相匹配的角动量的角坐标

R₂＝叶轮半径

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