CN106337835A - 一种无损式超空化离心泵叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无损式超空化离心泵叶轮叶轮，该叶轮主要由叶片(1)、叶轮前盖板(2)、叶轮后盖板(3)组成，其主要特征是：改造超空化叶片泵的叶片(1)的几何结构，根据不同设计工况要求，分别采用单一短小的超空化叶片或超空化叶片与无过载叶片组合成的组合叶片，并改造叶片进口几何形状从而同时满足超空化要求和更大固体颗粒无柱塞通过叶轮的要求，可以让叶轮中的叶片在运行过程中不受较大的固体颗粒磨损，并且能有效减少运行过程中叶片所受的摩擦阻力，提高超空化泵的工作效率、延长泵的使用寿命。

Description

一种无损式超空化离心泵叶轮

技术领域

本发明涉及一种离心泵的主要零件的设计方法,特别涉及一种无损式超空化离心泵叶轮结构设计方法。

背景技术

单叶片泵叶轮可以从叶轮进口到叶轮出口只存在一个叶片，因此也存在一个弯曲的流道，适合输送大颗粒或含纤维的物质，因此在化工、矿山、食品、建筑、造纸等诸多行业的工业流程中应用较为广泛。该叶片泵主要由泵壳、叶轮、电机等部件组成，而叶轮是叶片泵最核心的水力部件，也是唯一的动元件，叶轮的几何参数对叶片泵性能影响很大，因此叶轮对叶片泵的水力效率和稳定性能具有重要影响。

由于单叶片泵的结构不对称性，加之在运行过程中脉动出流，径向力很大，而且从叶轮中心的进口到出口，通道要求宽敞、圆滑，由于其介质通过能力强、流道对称性好、运行平稳、可靠性高，因而对泵叶轮的超空化性能的要求也越来越高。

现有技术的单叶片泵叶轮的水力设计并没有涉及到叶片超空化减阻，很大程度上还是主要依赖于叶轮本身的材料的减阻性能，造价较高，与现在倡导的节约型社会的目标相悖。如今单叶片泵是流体机械中的一个热门领域，仅仅依靠改造原有的水力设计方法无法实现叶片超空化减阻的目标，因此本发明人在此提出了一种无损式超空化离心泵叶轮，可以将空化很好的利用，并在一定的程度上达到减阻增效的目的。

针对上述存在的缺陷，本发明人发明了“一种无损式超空化离心泵叶轮”，不仅给出了单叶片泵叶轮叶片超空化的设计方法，还在一定程度上解决了单叶片泵叶片减阻增效的作用，因而改善了单叶片泵性能失稳的问题，增强了单叶片泵运行的可靠性，在一定程度上提高了单叶片泵的水力效率，延长泵的使用寿命和维修周期。

随着我国经济的快速发展和全球能源的日益减少，如何节约能源已成为人们越来越关注的问题。目前国内对于泵类产品的需求量很大，每年发电量的20％～25％都会消耗在泵类产品上。如何实现单叶片泵在保证水力效率高的同时，进一步提高其稳定性能，已经成为当前单叶片泵发展的紧迫问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无损式超空化离心泵叶轮设计方法。本发明的目的在于让单叶片泵的叶轮叶片出现超空化，减小泵的摩擦阻力损失，在一定程度上增强单叶片泵的可靠性，提高无损式离心泵水力效率和稳定性能，增长泵的寿命和维修周期，以减少检修人员的工作量。

实现上述目的所采用的技术方案是：

一种无损式超空化离心泵叶轮，由叶片、叶轮前盖板、叶轮后盖板组成，叶片固定连接在叶轮前盖板和叶轮后盖板之间；

所述叶片采用单一短小的超空化叶片，所述超空化叶片的环绕吸入口包角α为210°，当叶片运行过程中遇到大固体颗粒物时，有效防止大固体颗粒物堵塞出口，影响超空化泵的正常运行，从而满足超空化离心泵在大颗粒流质的环境下无损运行；

所述超空化叶片背面吸入口径向方向处设有径向的凹槽，凹槽的作用是在超空化泵运行初期，在此处形成一个初始的空穴，伴随超空化泵的运行，空穴逐渐沿着叶片背面延伸直至完全覆盖于整个叶片背面，形成稳定的超空泡。

(1)当设计工况要求叶片出口直径小于或等于叶轮外径时，

所述超空化叶片背面从凹槽到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_n=\frac{D_X}{2}+6.191e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-140.4}{165.5}\right)}^2\]}---\left(1\right)$

所述超空化叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_w=\frac{D_X}{2}+7.098e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2-184.6}{164.3}\right)}^2\]}---\left(2\right)$

式中：

L_n-叶片背面从凹槽到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

D_x-叶轮吸入口直径，单位m；

θ₁-叶片背面该部分曲线上的点相对于背面凹槽的夹角，取值范围0°～105°，单位：度；

L_w-叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

θ₂-叶片工作面该部分曲线上的点相对于起点的夹角，取值范围为0°～210°，单位：度。

(2)当设计工况要求叶片出口直径大于叶轮外径时，

采用超空化叶片与无过载叶片组合成的组合叶片，即在所述超空化叶片的尾部延伸形成一段无过载式叶片，在不影响工作效率的基础上，有效缓解出口大固体颗粒物堵塞流道的情况，使得进入叶轮内部的如鱼类、砾石之类较大或更大固体颗粒顺畅通过，防止此类固体颗粒物磨损泵体内壁造成水力损失。

所述超空化叶片背面从凹槽到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_n=\frac{D_X}{2}+6.191e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-140.4}{165.5}\right)}^2\]}---\left(1\right)$

所述超空化叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_w=\frac{D_X}{2}+7.098e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2-184.6}{164.3}\right)}^2\]}---\left(2\right)$

式中：

L_n—叶片背面从凹槽到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

D_x—叶轮吸入口直径，单位m；

θ₁-叶片背面该部分曲线上的点相对于背面凹槽的夹角，取值范围0°～105°，单位：度；

L_w-叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

θ₂-叶片工作面该部分曲线上的点相对于起点的夹角，取值范围为0°～210°，单位：度。

所述延伸的无过载式叶片出口宽度b₂，和叶轮外径D₂的公式为：

$b_2=0.2722e^{\[-{\left(\frac{n_s-328}{189.4}\right)}^2\]}{D}_2---\left(3\right)$

$D_2=\frac{60K_u\sqrt{2gH}}{\mathrm{\π}n}---\left(4\right)$

$K_u=1.998e^{-6}{n}_s^2+0.0003148n_s+1.03---\left(5\right)$

式中：

b₂-延伸的无过载式出口宽度，单位m；

D₂-延伸的无过载式叶片的叶轮外径，单位m；

n_s-泵的比转速；

K_u-速度系数；

H-泵的扬程，单位：m；

n-泵的转速，单位：r/min；

所述延伸的无过载式叶片出口角β₂的公式为：

${\mathrm{\β}}_2=1.826e^{-6}{n}_s^3-0.00113n_s^2+0.23n_s-0.1956---\left(6\right)$

式中：

β₂-延伸的无过载式叶片出口角，单位：度；

n_s-泵的比转速。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种相对系统的、精确的单叶片泵超空化叶轮主要参数的设计方法。

(2)本发明设计的单叶片泵的叶轮叶片出现超空化，减小泵的摩擦阻力损失，在一定程度上增强单叶片泵的可靠性，提高无损式离心泵水力效率和稳定性能，增长泵的寿命和维修周期。

附图说明

图1是无损式超空化离心泵叶轮设计方案①的轴面图。

图2是无损式超空化离心泵叶轮设计方案①的平面图。

图3是无损式超空化离心泵叶轮设计方案②的轴面图。

图4是无损式超空化离心泵叶轮设计方案②的平面图。

附图标记：1-叶片、2-叶轮前盖板、3-叶轮后盖板，4-凹槽，5-无过载式叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明主要是通过对单叶片泵叶轮结构的改变来改善叶片超空化性能，达到叶轮流道减阻增效的作用。

此实施例是在给定原有单叶片泵叶轮的基础上，对叶轮的叶片结构以及形状进行了改进：

图1、图2、图3、图4共同确定了本实施例：

本发明所述的一种无损式超空化离心泵叶轮，由叶片1、叶轮前盖板2、叶轮后盖板3组成，叶片1固定连接在叶轮前盖板2和叶轮后盖板3之间；

所述叶片1采用单一短小的超空化叶片，所述超空化叶片的环绕吸入口包角α为210°，所述超空化叶片背面吸入口径向方向处设有径向的凹槽4。

(1)当设计工况要求叶片出口直径小于或等于叶轮外径时，

所述超空化叶片背面从凹槽4到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程：

$L_n=\frac{D_X}{2}+6.191e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-140.4}{165.5}\right)}^2\]}---\left(1\right)$

所述超空化叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_w=\frac{D_X}{2}+7.098e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2-184.6}{164.3}\right)}^2\]}---\left(2\right)$

(2)当设计工况要求叶片出口直径大于叶轮外径时，在单一短小的超空化叶片的尾部基础上延伸形成一段无过载式叶片，

所述超空化叶片背面从凹槽4到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程：

$L_n=\frac{D_X}{2}+6.191e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-140.4}{165.5}\right)}^2\]}---\left(1\right)$

所述超空化叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_w=\frac{D_X}{2}+7.098e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2-184.6}{164.3}\right)}^2\]}---\left(2\right)$

所述延伸的无过载式叶片出口宽度b₂，和叶轮外径D₂的公式为：

$b_2=0.2722e^{\[-{\left(\frac{n_s-328}{189.4}\right)}^2\]}{D}_2---\left(3\right)$

$D_2=\frac{60K_u\sqrt{2gH}}{\mathrm{\π}n}---\left(4\right)$

$K_u=1.998e^{-6}{n}_s^2+0.0003148n_s+1.03---\left(5\right)$

所述延伸的无过载式叶片出口角β₂的公式为：

${\mathrm{\β}}_2=1.826e^{-6}{n}_s^3-0.00113n_s^2+0.23n_s-0.1956---\left(6\right)$

本发明采用改造单叶片泵叶轮结构的设计方法，满足不同设计工况要求，使泵叶轮叶片可以实现超空化，让空泡覆盖到整个叶片，达到减小阻力，改善离心泵的轴功率特性，并在一定程度上提高其水力效率和泵运行可靠性，具有良好的经济效益，符合节约型社会的要求。

以上，为本发明专利参照实施例做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其他实施例或变形例。

Claims (5)

1.一种无损式超空化离心泵叶轮，由叶片(1)、叶轮前盖板(2)、叶轮后盖板(3)组成，叶片(1)固定连接在叶轮前盖板(2)和叶轮后盖板(3)之间；其特征在于，

所述叶片(1)采用单一短小的超空化叶片，所述超空化叶片的环绕吸入口包角α为210°，所述超空化叶片背面吸入口径向方向处设有径向的凹槽(4)。

2.根据权利要求1所述的一种无损式超空化离心泵叶轮，其特征在于，当设计工况要求叶片出口直径小于或等于叶轮外径时，

所述超空化叶片背面从凹槽(4)到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_n=\frac{D_X}{2}+6.191e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-140.4}{165.5}\right)}^2\]}$

所述超空化叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_w=\frac{D_X}{2}+7.098e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2-184.6}{164.3}\right)}^2\]}$

式中：

L_n-叶片背面从凹槽(4)到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

D_x-叶轮吸入口直径，单位m；

θ₁-叶片背面该部分曲线上的点相对于背面凹槽(4)的夹角，取值范围0°～105°，单位：度；

L_w-叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

θ₂-叶片工作面该部分曲线上的点相对于起点的夹角，取值范围为0°～210°，单位：度。

3.根据权利要求1所述的一种无损式超空化离心泵叶轮，其特征在于，当设计工况要求叶片出口直径大于叶轮外径时，采用超空化叶片与无过载叶片组合成的组合叶片，即在所述的超空化叶片的尾部基础上延伸形成一段无过载式叶片(5)。

4.根据权利要求3所述的一种无损式超空化离心泵叶轮，其特征在于，

所述超空化叶片背面从凹槽(4)到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程：

$L_n=\frac{D_X}{2}+6.191e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-140.4}{165.5}\right)}^2\]}$

所述超空化叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程为：

$L_w=\frac{D_X}{2}+7.098e^{\[-{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2-184.6}{164.3}\right)}^2\]}$

式中：

L_n-叶片背面从凹槽(4)到叶片尾部之间围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

D_x-叶轮吸入口直径，单位m；

θ₁-叶片背面该部分曲线上的点相对于背面凹槽(4)的夹角，取值范围0°～105°，单位：度；

L_w-叶片工作面围绕吸入口部分的曲线方程，单位m；

θ₂-叶片工作面该部分曲线上的点相对于起点的夹角，取值范围为0°～210°，单位：度。

5.根据权利要求3所述的一种无损式超空化离心泵叶轮，其特征在于，

所述延伸的无过载式叶片(5)出口宽度b₂，和叶轮外径D₂的公式为：

$b_2=0.2722e^{\[-{\left(\frac{n_s-328}{189.4}\right)}^2\]}{D}_2$

$D_2=\frac{60K_u\sqrt{2gH}}{\mathrm{\π}n}$

$K_u=1.998e^{-6}{n}_s^2+0.0003148n_s+1.03$

式中：

b₂-延伸的无过载式出口宽度，单位m；

D₂-延伸的无过载式叶片的叶轮外径，单位m；

n_s-泵的比转速；

K_u-速度系数；

H-泵的扬程，单位：m；

n-泵的转速，单位：r/min；

所述延伸的无过载式叶片(5)出口角β₂的公式为：

${\mathrm{\β}}_2=1.826e^{-6}{n}_s^3-0.00113n_s^2+0.23n_s-0.1956$

式中：

β₂-延伸的无过载式叶片出口角，单位：度；

n_s-泵的比转速。