CN106438456B - 一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮设计方法，半开式叶轮包括前盖板、叶轮叶片及轮毂，轮毂的外表面为圆台结构，则轮毂通过下底面与前盖板固定；叶轮叶片上远离前盖板的端部为叶片前端，所述螺旋结构设置于叶片前端；叶轮叶片的进口直径为D₁，叶轮叶片的出口直径为D₂，螺旋叶片外径为D₃，叶轮叶片的出口宽度为b，叶轮叶片出口角为β₂，螺旋叶片出口角为β₄，螺旋叶片轴向长度为L₂，叶轮叶片包角为

，螺旋叶片包角为

。本发明能有效改善泵内部流动情况，减少内循环流，减少能量损失，大幅提高旋流泵的工作效率，在大规模的工业生产应用中取得了极好的经济效益。本发明公开了一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮。

Description

一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种叶轮，尤其是一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮。本发明涉及一种叶轮设计方法，尤其是一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮设计方法。

背景技术

工厂应用中，杂质泵是一种输送固体介质的泵体。旋流泵是一种用于输送固液介质的无堵塞泵，因其工作时流体在泵腔内产生漩涡得名。旋流泵的叶轮为开式或半开式，叶轮后缩至泵壳后腔，为固体介质通过泵体提供了良好的条件。旋流泵工作时，在叶轮出口顶部附近的介质会因离心力较大而形成贯通流，在叶轮中部的介质形成循环流，贯通流经泵腔出口流出，形成一定的扬程。介质中的固体颗粒和纤维在循环流的作用下获得能量，绝大部分不经过叶轮，而在无叶腔内运动后经泵出口排出，从而达到输送复杂介质或含杂质流体的目的。现有中国专利授权公告号为CN103557180B，专利名称为“一种带有长短叶片的旋流泵叶轮设计方法”公开了一种叶轮的设计方法。

与其他杂质泵相比，旋流泵的优点主要体现在：(1)无堵塞性能好，可以输送含大颗粒的流体；(2)耐磨性好，不存在磨损后间隙加大而造成性能下降的问题，大部分固体颗粒不会经过叶轮，也相应增加了叶轮寿命；(3)泵吸入性好，具有良好抗汽蚀性能。

但是，由于结构的限制，旋流泵也存在以下缺点：由于循环流的影响，泵的水力损失较大，且效率不高。

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能降低泵的水力损失，并提高工作效率的前端带螺旋结构的旋流泵叶轮设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮设计方法，所述旋流泵叶轮为半开式叶轮，该半开式叶轮包括前盖板、叶轮叶片及轮毂，所述轮毂的外表面为圆台结构，该圆台结构的上底面的面积小于下底面的面积，则轮毂通过下底面与前盖板固定；所述叶轮叶片上远离前盖板的端部为叶片前端，所述螺旋结构设置于叶片前端，该螺旋结构为螺旋叶片，该螺旋叶片自轮毂处向外延伸；所述叶轮叶片的进口直径为D₁，叶轮叶片的出口直径为D₂，螺旋叶片外径为D₃，叶轮叶片的出口宽度为b，叶轮叶片出口角为β₂，螺旋叶片出口角为β₄，螺旋叶片轴向长度为L₂，叶轮叶片包角为

螺旋叶片包角为

式中：

K₁＝3.85～4.7；

K₂＝17～19.5；

D₃＝1.5D₁；

β₂＝25°～90°；

β₄＝25°～45°；

L₂＝30mm～40mm；

式中：

Q—流量，m³/s；

n—旋流泵转速，r/min；

D₁—叶轮叶片的进口直径，m；

D₂—叶轮叶片的出口直径，m；

H—泵设计扬程，m；

g—重力加速度；

D₃—螺旋叶片的外径，m；

b—叶轮叶片的出口宽度，m；

n_s—设计工况比转速；

β₂—叶轮叶片的出口角；

β₄—螺旋叶片的出口角；

L₂—螺旋叶片的轴向长度，mm；

—叶轮叶片的包角；

—螺旋叶片的包角；所述轮毂的侧面与轮毂轴线所成夹角为θ，该θ的取值范围为0°～70°；

n_s和θ的关系为，式中θ＝(0.78n_s-60)±10，80≤n_s≤160，0°≤θ≤70°；

还包括带叶腔的蜗壳，所述半开式叶轮安装于蜗壳内，蜗壳内无叶腔宽度为L₁，L₁＝0.1～0.2D₂，单位为m；

螺旋叶片的数量与叶轮叶片的数量相等，每一个叶轮叶片的叶片前端都一一对应地设置有螺旋叶片；

螺旋叶片和叶轮叶片的数量均为偶数个，叶轮叶片的数量多余螺旋叶片，螺旋叶片和叶轮叶片均对称地环绕轮毂周缘设置。

本发明的有益效果是：螺旋叶片自轮毂处向外延伸，指的是螺旋叶片内径与轮毂周侧固定，螺旋叶片外径朝向轮毂远处延伸。通过该设计得到的旋流泵叶轮，通过实验后发现，使用带螺旋结构的旋流泵能有效改善泵内部流动情况，减少内循环流，减少能量损失，大幅提高旋流泵的工作效率，在大规模的工业生产应用中取得了极好的经济效益。

为了进一步改善泵内部流动情况，轮毂的侧面与轮毂轴线所成夹角为θ，该θ的取值范围为0°～70°。θ优选取值为30°

为了再进一步改善泵内部流动情况，n_s和θ的关系为，式中θ＝(0.78n_s-60)±10，80≤n_s≤160，0°≤θ≤70°。

其中，螺旋叶片的型线为螺旋线，该螺旋线以轮毂的下底面圆心为原点，并建立三维坐标系，其中x轴和y轴位于下底面上，z轴方向垂直于x轴和y轴、且与轮毂轴线方向一致，若螺旋叶片的起始点为A点，螺旋叶片的结束点为B点，该A点坐标为(

0，L2)，B点坐标为

在A点和B点连接的空间曲线上任意一点为C点，C点在下底面的投影为C’，C’与原点的连线为OC’，OC’与x轴正方向的夹角为

则C点坐标为

式中：

其中θ≠0。

旋流泵叶轮还包括带叶腔的蜗壳，所述半开式叶轮安装于蜗壳内，蜗壳内无叶腔宽度为L₁，L₁＝0.1～0.2D₂，单位为m。其中，蜗壳内无叶腔宽度指的是，蜗壳上远离前盖板的部位开设有叶腔开口，毂上远离前盖板的部位为轮毂前端，该轮毂前端朝向叶腔开口方向设置，且轮毂前端距离叶腔开口部位的距离为L₁。

其中一种方案，螺旋叶片的数量与叶轮叶片的数量相等，每一个叶轮叶片的叶片前端都一一对应地设置有螺旋叶片。

另一种方案，螺旋叶片的数量为偶数个，螺旋叶片对称地环绕轮毂周缘设置。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种能降低泵的水力损失，并提高工作效率的前端带螺旋结构的旋流泵叶轮。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据前述设计方法设计的前端带螺旋结构的旋流泵叶轮，所述旋流泵叶轮为半开式叶轮，该半开式叶轮包括前盖板、叶轮叶片及轮毂。

本发明的有益效果是：通过该设计得到的旋流泵叶轮，通过实验后发现，使用带螺旋结构的旋流泵能有效改善泵内部流动情况，减少内循环流，减少能量损失，大幅提高旋流泵的工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例一的主视图。

图3为本发明实施例一的左视图。

图4为本发明实施例一叶轮叶片和螺旋叶片的型线。

图5为本发明实施例一螺旋叶片的型线。

图6为本发明实施例一的结构示意图，带蜗壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如图1～6所示，本实施例包括旋流泵叶轮2和带叶腔11的蜗壳1，该旋流泵叶轮2为半开式叶轮，该半开式叶轮包括前盖板21、叶轮叶片22及轮毂23；蜗壳1上远离前盖板21的部位开设有叶腔开口12，半开式叶轮安装于叶腔11内，轮毂23上远离前盖板21的部位为轮毂前端231，该轮毂前端231朝向叶腔开口12方向设置，且轮毂前端231距离叶腔开口12部位的距离为L₁。轮毂23的外表面为圆台结构(或称为锥台结构)，该圆台结构的上底面的面积小于下底面的面积，则轮毂23通过下底面与前盖板21固定。叶轮叶片22上远离前盖板21的端部为叶片前端221，在叶片前端221设有螺旋结构3，该螺旋结构3为螺旋叶片31，该螺旋叶片31自轮毂23处向外延伸，即螺旋叶片31的进口直径与轮毂23上底面的直径相一致。又因为轮毂23为圆台结构，故轮毂23上底面的直径最小，而螺旋叶片31固定于叶轮叶片22的叶片前端221。叶轮叶片22的进口直径为D₁，叶轮叶片22的出口直径为D₂，螺旋叶片31外径为D₃，叶轮叶片22的出口宽度为b，叶轮叶片22出口角为β₂，螺旋叶片31出口角为β₄，螺旋叶片31轴向长度为L₂，叶轮叶片22包角为

螺旋叶片31包角为

式中：

K₁＝3.85～4.7；

K₂＝17～19.5；

D₃＝1.5D₁；

n_s＝60～160；

β₂＝25°～90°；

β₄＝25°～45°；

L₁＝0.1～0.2D₂；

L₂＝30mm～40mm；

式中：

Q—流量，m³/s；

n—旋流泵转速，r/min；

D₁—叶轮叶片的进口直径，m；

D₂—叶轮叶片的出口直径，m；

H—泵设计扬程，m；

g—重力加速度；

D₃—螺旋叶片的外径，m；

b—叶轮叶片的出口宽度，m；

n_s—设计工况比转速；

β₂—叶轮叶片的出口角；

β₄—螺旋叶片的出口角；

L₁—轮毂前端距离叶腔开口部位的距离；

L₂—螺旋叶片的轴向长度，mm；

—叶轮叶片的包角；

—螺旋叶片的包角。

其中，轮毂23的侧面与轮毂23轴线所成夹角为θ，θ优选取值为30°。该θ的取值范围为0°～70°。n_s和θ的关系为，θ＝(0.78n_s-60)±10，80≤n_s≤160。

本发明的有益效果是：根据设计得到的旋流泵叶轮安装于旋流泵内，通过实验后发现，使用带螺旋结构3的旋流泵能有效改善泵内部流动情况，减少内循环流，减少能量损失，大幅提高旋流泵的工作效率。

实施例二：螺旋叶片31的型线为螺旋线，该螺旋线以轮毂23的下底面圆心为原点，并建立三维坐标系，其中x轴和y轴位于下底面上，z轴方向垂直于x轴和y轴、且与轮毂23轴线方向一致，若螺旋叶片31的起始点为A点，螺旋叶片的结束点为B点，该A点坐标为(

0，L2)，B点坐标为

在A点和B点连接的空间曲线上任意一点为C点，C点在下底面的投影为C’，C’与原点的连线为OC’，OC’与x轴正方向的夹角为

则C点坐标为

式中：

其中θ≠0。

实施例三：螺旋叶片31的数量与叶轮叶片22的数量相等，每一个叶轮叶片22的叶片前端都一一对应地设置有螺旋叶片31。

实施例四：螺旋叶片31的数量为2个，螺旋叶片31对称地环绕轮毂23周缘设置。叶轮叶片22的数量为4个，叶轮叶片22对称地环绕轮毂23周缘设置。

通过Fluent对实施例一至四所设计的旋流泵叶轮的工作扬程和效率进行数值模拟。将模拟中旋流泵分为不带螺旋叶片和带螺旋叶片两组，两组叶轮区别只在于是否带螺旋部分。表1为叶轮叶片和螺旋叶片的参数，表2为数值模拟对比结果。

表1

模型组	扬程(m)	效率(％)
			不带螺旋叶片	26.06	52.16
带螺旋叶片	27.78	56.27

表2

从表可明显看出，带螺旋叶片31的旋流泵，其扬程比不带螺旋叶片的旋流泵高将近2m，而效率则高出4％多。由此可看出，本实施例所设计的旋流泵叶轮能有效改善泵内部流动情况，减少内循环流，减少能量损失，提高旋流泵的工作效率。

所述实例为本发明的一种实现形式，但本发明并不限于上述实施方式，本领域技术人员能够做出的任何改进、替换和变形均属于本发明的保护范围。

实施例五：本实施例还提供了根据实施例一至四设计方法而设计的旋流泵叶轮，该旋流泵叶轮为半开式叶轮，该半开式叶轮包括前盖板21、叶轮叶片22及轮毂23。以上公式用于限定了叶轮的叶片包角、轴向长度、螺旋叶片31的外径和出口角等参数，通过所公开的参数就可以设计得到所需的叶轮结构，从而对叶轮结构进行相应保护。通过该设计得到的旋流泵叶轮，通过实验后发现，使用带螺旋结构3的旋流泵能有效改善泵内部流动情况，减少内循环流，减少能量损失，大幅提高旋流泵的工作效率。

Claims (1)

1.一种前端带螺旋结构的旋流泵叶轮设计方法，所述旋流泵叶轮为半开式叶轮，该半开式叶轮包括前盖板、叶轮叶片及轮毂，其特征是：所述轮毂的外表面为圆台结构，该圆台结构的上底面的面积小于下底面的面积，则轮毂通过下底面与前盖板固定；所述叶轮叶片上远离前盖板的端部为叶片前端，所述螺旋结构设置于叶轮叶片前端，该螺旋结构为螺旋叶片，该螺旋叶片自轮毂处向外延伸；所述叶轮叶片的进口直径为D₁，叶轮叶片的出口直径为D₂，螺旋叶片外径为D₃，叶轮叶片的出口宽度为b，叶轮叶片出口角为β₂，螺旋叶片出口角为β₄，螺旋叶片轴向长度为L₂，叶轮叶片包角为

螺旋叶片包角为

式中：

D₃＝1.5D₁；

β₂＝25°～90°；

β₄＝25°～45°；

L₂＝30mm～40mm；

式中：

Q—流量，m3/s；

n—旋流泵转速，r/min；

D₁—叶轮叶片的进口直径，m；

D₂—叶轮叶片的出口直径，m；

H—泵设计扬程，m；

g—重力加速度；

D₃—螺旋叶片的外径，m；

b—叶轮叶片的出口宽度，m；

n_s—设计工况比转速；

β₂—叶轮叶片的出口角；

β₄—螺旋叶片的出口角；

L₂—螺旋叶片的轴向长度，mm；

—叶轮叶片的包角；

—螺旋叶片的包角；

所述轮毂的侧面与轮毂轴线所成夹角为θ，该θ的取值范围为0°～70°；

n_s和θ的关系为，式中θ的角度数值＝(0.78n_s-60)±10，80≤n_s≤160，0°≤θ≤70°；

还包括带叶腔的蜗壳，所述半开式叶轮安装于蜗壳内，蜗壳内无叶腔宽度为L₁，L₁＝0.1～0.2D₂，单位为m；其中，蜗壳内无叶腔宽度指的是，蜗壳上远离前盖板的部位开设有叶腔开口，轮毂上远离前盖板的部位为轮毂前端，该轮毂前端朝向叶腔开口方向设置，且轮毂前端距离叶腔开口部位的距离为L₁，其中，螺旋叶片的型线为螺旋线，该螺旋线以轮毂的下底面圆心为原点，并建立三维坐标系，其中x轴和y轴位于下底面上，z轴方向垂直于x轴和y轴、且与轮毂轴线方向一致，若螺旋叶片的起始点为A点，螺旋叶片的结束点为B点，该A点坐标为

B点坐标为

在A点和B点连接的空间曲线上任意一点为C点，C点在下底面的投影为C’，C’与原点的连线为OC’，OC’与x轴正方向的夹角为

则C点坐标为

式中：

螺旋叶片的数量与叶轮叶片的数量相等，每一个叶轮叶片的叶片前端都一一对应地设置有螺旋叶片；

螺旋叶片和叶轮叶片的数量均为偶数个，螺旋叶片和叶轮叶片均对称地环绕轮毂周缘设置。

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