CN105508286B - 一种叶片进水边可折转的轴流式水泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，包括叶片在转轴处分为可绕轴线转动的前后两段，两段的同心枢轴，长度不同的拐臂及长度相同的连杆和操作架。所述的前后分段叶片采用柱面结合、通过枢轴安装在轮毂上，枢轴经拐臂通过连杆联接到操作架上。操作架上下运动时，由于拐臂长度的不等，旋转半径不同，在改变整个叶片安放角的同时，可以实现前段叶片即进水边的折转，从而能对前后两段叶片型线进行一定范围内的不同角度调整。该水泵可以使叶片的进、出口安放角与水流的折向角相适应，能够减小水力损失，提高泵的效率，改善泵的空化性能。

Description

一种叶片进水边可折转的轴流式水泵

技术领域

本发明涉及一种泵，具体涉及一种进水边可折转的轴流式水泵。

背景技术

叶片泵广泛应用于农田灌溉、抗旱排涝、生态环境改善及调水工程等领域，现有的低扬程轴流式水泵，在采用叶片调节方式时，叶片的安放角随着上、下游水位差(即扬程)或流量改变的需要而变化，当扬程减小或需要大流量时，叶片安放角增大，反之叶片安放角减小。这样可以使叶片的进口冲角比较接近水流的方向，减少撞击损失。根据相关试验资料，当轴流泵叶轮内未产生回流前，叶轮进口处水流是没有或者基本上没有旋转的，即可以认为进口水流符合叶轮设计条件轴向进口。

根据水泵基本方程式：

式中，Γ₁、Γ₂分别为叶轮前后水流按照动量平均的环量(m²/s)；H为泵的扬程(m)；n为泵的转速(r/min)；η为泵的效率。当水流为轴向进口时Γ₁＝0，则上式为：

另外，根据叶轮的特征方程有：

式中，K、i₀和r_a仅与叶轮的几何参数有关，与工况无关。而且对于轴流泵有i₀＜0。

由式(1)和式(3)容易得到扬程与流量之间的关系，即H随着Q的增加而减小。根据轴流泵的特点，当叶轮的叶栅稠密度l/t趋近于1时，式(3)中的K值非常小，这时出口相对速度的方向与叶片出口处的安放角很接近。虽然在最优工况下可近似地认为进口相对速度的方向与叶片头部骨线相切(未计及几何冲角)，但是当扬程愈高(流量愈小)时，进、出口水流的折向角Δθ愈大，反之进、出口水流折向角愈小。如果叶轮的叶片固定不调节，则在非设计工况下，冲角大大增加，引起脱流。因此定桨式轴流泵的工作区域十分狭窄。

CN2688942Y公开了一种双向贯/轴流泵，该泵的导叶片为线型分段可调节形式，导叶分为两段。由于导叶不是旋转部件，而且与水泵叶片的作用不同，在工况条件发生变化时，该水泵不能在较宽的区域内高效运行。

CN102588329A是发明人在前的研究成果，其能够较好的改善泵中液体的流态，改善空化性能，但该技术中泵采用长度相同的拐臂和长度不同的连杆与操作架联接，这样的设置仍有部分弊端，特别是无法有效的适应不同工况下水流进口冲角和出口水流角的要求，工作效率仍有待提高。

出现上述问题，主要是因为一般全调节轴流泵在H>H₀时可以将叶片安放角调小，使之在叶片进口处不致产生脱流，但此时在叶轮出口处却不能保证必需的Γ₂。为了保证H(正比于Γ₂)不得不又加大进口冲角，以使出口能够产生必需的Γ₂。加大冲角使升力系数C_y增加，但叶片绕流将偏离较优的品质系数C_y/C_x，导致损失可能增大，这始终是一对矛盾。

显然在运行参数发生变化时，采用叶轮的叶片安放角可以调节的方式虽然能保持较宽的运行区域，但效率仍然会受到影响。在偏离最优工况点后效率和空化性能下降较多，经济效益降低、耗能增加。

因此通过设计一种叶型在工况变化时使叶片进口保持不大的冲角，出口又让水流具有所需要的偏转，这样的水泵能够确保在较宽的区域内高效运行。本发明的目的正是为了克服上述现有技术的不足，提供一种高效率和高空化性能的叶片进水边可折转的轴流式水泵。

发明内容

本发明的技术方案是：

一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，包括分段叶片1、轮毂2、第一同心枢轴3、第二同心枢轴4、前段拐臂5、后段拐臂6、第一连杆7、第二连杆8和操作架9，所述的分段叶片1通过同心枢轴3和同心枢轴4安装在轮毂2上，第一同心枢轴3与前段拐臂5连接，第二同心枢轴4与后段拐臂6连接，前段拐臂5和后段拐臂6分别经过长度相同的第一连杆7和第二连杆8安装在操作架9上。所述前段拐臂5和后段拐臂6的长度不同，其中：

所述后段拐臂6的长度L_hb为：

其中调节力矩M_p系由调节装置决定；k为安全系数，一般取1.1～1.4；M_t为水力矩；A₀为除水力矩以外的综合力矩；A₁为当量力臂；R_p为拐臂的转动半径；

φ为叶片安放角的调节范围，α是拐臂与连杆之间的夹角，一般取1°。

所述前段拐臂5的长度L_qb为：

L_qb＝f(C_y,Δθ,l_max)L_hb (5)

其中f(C_y,Δθ,l_max)是与所选择翼型的升力系数、进口头部冲角、翼型最大弦长有关的分析回归系数，具体表达式为：

其中，D₁为水泵叶轮直径(mm)；n_S水泵比转速；t为叶片的截距(mm)；l_max为叶片最大弦长(mm)；C_y和Δθ为翼型的升力系数和头部冲角大小，与所选择的翼型有关。

进一步地，所述分段叶片1的前后两段之间采用柱形铰状接触。

进一步地，所述第一同心枢轴3和第二同心枢轴4分别调整所述分段叶片1中前段叶片的进水边折转角和后段叶片的安放角。

进一步地，所述的第一同心枢轴3和第二同心枢轴4之间采用机械密封部件10进行密封。

进一步地，安放角在－8°～+8°范围内调节，对应的进水边折转角在Δψ＝-4°～+4°范围内调节。

本发明的优点和效果在于：本发明能明显地改善水泵中的流态，减小了水力损失、改进了空化性能。根据模型泵在高精度试验台上测试的对比结果，比转速n_s＝700的轴流泵叶轮，与拐臂长度相同的进水边可折转的分段式叶片相比，在进水边折转角Δψ＝-4°～+4°的范围内变化时，最优效率可以提高5％，运行范围内加权平均效率提高2％以上，空化特性可提高16％左右，扩大了高效率区范围，提高了水泵效率，改进了水泵的空化特性。本发明适用于低扬程立式全调节轴流式水泵，也可以适用于各种型式的全调节贯流式水泵。

附图说明

图1为本发明轴流式水泵的结构示意图；

图2为A-A面局部结构放大示意图；

图3为叶片进水边折转示意图；

图4为不同长度拐臂调节示意图。

图中各标号对应部件说明如下：1－分段叶片；2－轮毂；3－第一同心枢轴；4－第二同心枢轴；5－前段拐臂；6－后段拐臂；7－第一连杆；8－第二连杆；9－操作架；10－机械密封部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

如附图1-2所示，一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，包括分段叶片1、轮毂2、第一同心枢轴3、第二同心枢轴4、前段拐臂5、后段拐臂6、第一连杆7、第二连杆8和操作架9，所述的分段叶片1通过同心枢轴3和同心枢轴4安装在轮毂2上，第一同心枢轴3与前段拐臂5连接，第二同心枢轴4与后段拐臂6连接，前段拐臂5和后段拐臂6分别经过长度相同的第一连杆7和第二连杆8安装在操作架9上。所述前段拐臂5和后段拐臂6的长度不同。分段叶片1分的前后两段之间采用柱形铰状接触，第一同心枢轴3和第二同心枢轴4分别调整所述分段叶片1中前段叶片的进水边折转角和后段叶片的安放角。第一同心枢轴3和第二同心枢轴4之间采用机械密封部件10进行密封。

操作架9的上下运动，带动不同长度的前段拐臂5和后段拐臂6作不同转角的旋转运动，从而实现叶片前、后两段作不同角度的调整。当叶片安放角在－8°～+8°范围内调节时，叶片进水边的折转角可在Δψ＝-4°～+4°范围内改变，叶片进水边折转角调整示意图如图3所示，前段拐臂5和后段拐臂6的运动轨迹示意如图4所示。

当操作架上下运动时，由于拐臂长度不同和旋转半径不同，前后两段叶片的回旋角就不相等。在最优工况时，保持叶片与整体叶片一样，进水边不折转，即折转角Δψ＝0，以此为基础当叶片安放角减小时，叶片进水边折转-Δψ角，而当安放角增加时，叶片进水边折转+Δψ角。这样能够适应不同工况下水流进口冲角和出口水流角的要求，使该泵在较大的运行范围内保持高效和具有良好的空化特性。

对于不同比转速的轴流泵，叶片由于采用的翼型型式不同，因此为实现进水边折转角在最佳范围内的拐臂长度也不相同，本发明提出了基于流体力学理论和CFD分析及试验结果的拐臂长度确定方法：首先在模型测试数据的基础上确定整体叶片旋转中心，即枢轴的安放位置，尽可能地保证正、负角度调节时水力矩的基本接近、以减小操作系统的容量，得到叶片后段拐臂6的长度L_hb为：

其中调节力矩M_p系由调节装置决定；k为安全系数，一般取1.1～1.4；M_t为水力矩；A₀为除水力矩以外的综合力矩；A₁为当量力臂；R_p为拐臂的转动半径；φ为叶片安放角的调节范围，α是拐臂与连杆之间的夹角，一般取1°。

所述前段拐臂5的长度L_qb为：

L_qb＝f(C_y,Δθ,l_max)L_hb

其中f(C_y,Δθ,l_max)是与所选择翼型的升力系数、进口头部冲角大小、翼型最大弦长有关的分析回归系数，具体表达式为：

其中，D₁为水泵叶轮直径(mm)；n_S水泵比转速；t为叶片的截距(mm)；l_max叶片最大弦长(mm)；C_y和Δθ为翼型的升力系数和头部冲角，与所选择的翼型有关。

对比转速n_S＝700～1400之间的轴流泵叶片，当选择NACA44系列翼型时，头部冲角Δθ＝2°左右时升力系数C_y＝1.2～1.3，水泵叶轮直径D₁＝3000mm时，l_max/t＝0.60～0.65，则f(C_y,Δθ,l_max)的取值范围在1.25～1.68之间，不同比转速轴流泵叶片有其对应值，翼型选择变化时，系数也有改变。

本发明能明显地改善水泵中的流态，减小了水力损失、改进了空化性能。根据模型泵在高精度试验台上测试的对比结果，比转速n_S＝700的轴流泵叶轮，与拐臂长度相同的进水边可折转的分段式叶片相比，在进水边折转角Δψ＝-4°～+4°的范围内变化时，最优效率可以提高5％，运行范围内加权平均效率提高2％以上，空化特性可提高16％左右，扩大了高效率区范围，提高了水泵效率，改进了水泵的空化特性。本发明适用于低扬程立式全调节轴流式水泵，也可以适用于各种型式的全调节贯流式水泵。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，包括分段叶片(1)、轮毂(2)、第一同心枢轴(3)、第二同心枢轴(4)、前段拐臂(5)、后段拐臂(6)、第一连杆(7)、第二连杆(8)和操作架(9)，所述的分段叶片(1)通过第一同心枢轴(3)和第二同心枢轴(4)安装在轮毂(2)上，其特征在于，第一同心枢轴(3)与前段拐臂(5)连接，第二同心枢轴(4)与后段拐臂(6)连接，前段拐臂(5)和后段拐臂(6)分别经过长度相同的第一连杆(7)和第二连杆(8)安装在操作架(9)上；所述前段拐臂(5)和后段拐臂(6)的长度不同，其中：

所述后段拐臂(6)的长度L_hb为：

其中调节力矩M_p系由调节装置决定；k为安全系数，取值范围为1.1～1.4；M_t为水力矩；A₀为除水力矩以外的综合力矩；A₁为当量力臂；R_p为拐臂的转动半径；φ为叶片安放角的调节范围，α是拐臂与连杆之间的夹角，取值为1°。

所述前段拐臂(5)的长度L_qb为：

L_qb＝f(C_y,Δθ,l_max)L_hb

其中f(C_y,Δθ,l_max)是与所选择翼型的升力系数、进口头部冲角、翼型最大弦长有关的分析回归系数，具体表达式为：

<mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>/</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>S</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </mfrac> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow>

其中，D₁为水泵叶轮直径，单位为毫米；n_S水泵比转速；t为叶片的截距，单位为毫米；l_max为叶片最大弦长，单位为毫米；C_y和Δθ为翼型的升力系数和头部冲角大小。

2.根据权利要求1所述的一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，其特征在于，所述分段叶片(1)的前后两段之间采用柱形铰状接触。

3.根据权利要求1所述的一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，其特征在于，所述第一同心枢轴(3)和第二同心枢轴(4)分别调整所述分段叶片(1)中前段叶片的进水边折转角和后段叶片的安放角。

4.根据权利要求1所述的一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，其特征在于，所述的第一同心枢轴(3)和第二同心枢轴(4)之间采用机械密封部件(10)进行密封。

5.根据权利要求3所述的一种叶片进水边可折转的轴流式水泵，其特征在于，所述安放角在－8°～+8°范围内调节，对应的进水边折转角在Δψ＝-4°～+4°范围内调节。