CN106762807A - 一种低比转速离心复合叶轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合叶轮，尤其涉及一种低比转速离心复合叶轮及其设计方法。包括前盖板和后盖板，所述的前盖板与后盖板间形成若干叶轮腔，所述的叶轮腔的起始段为单叶片，所述的叶轮腔的出口处为双叶片，所述的叶轮腔中的单叶片与双叶片呈一体化分布。一种低比转速离心复合叶轮及其设计方法结构紧凑，提高使用性能，可靠性高，别适用于小流量低比转速泵，适配范围广。

Description

一种低比转速离心复合叶轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种复合叶轮，尤其涉及一种低比转速离心复合叶轮及其设计方法。

背景技术

石油化工、军工、核电等领域需要一些小流量、高扬程的离心泵。原先传统的选择会采用往复式泵或高速离心泵，但由于往复泵的无故障运行时间较短，密封容易泄漏，给用户的工艺流程系统带来不安全的隐患，因此近年来逐渐被离心泵替代，典型的如加氢装置的高压注水泵，目前已逐渐由原先采用的往复泵被小流量的多级离心泵替代。高速离心泵由于其传动机构与密封系统复杂，检修维护麻烦，运行成本高，而且其特性曲线平坦，很多流程工艺场合不太适用，所以开发小流量、高扬程的离心泵替代原有产品，是一个发展趋势与方向。

小流量、高扬程的泵，其叶轮设计比转速必定比较低，导致叶轮流道很窄，铸造困难，水力效率很低。采用冲压叶轮替代铸造叶轮在制造方法上一定程度上解决了叶轮流道狭窄的问题，并且冲压泵近几年在城市管网供水等领域得到了充足的应用与发展。但冲压泵只是在制造方法途径上的改进，其解决不了低比转速叶轮效率较低，流道扩散严重的问题。所以小流量低比转速复合叶轮就是在这样的背景下诞生的。

小流量低比转速复合叶轮设计结构与方法的提出，可以进一步减少液体内部摩擦损失、减小液体回流与脉动，提高低比转速叶轮效率，即适用于铸造、也适用于冲压叶轮，可以有效扩大小流量、高扬程的泵应用范围。

传统的叶片型线设计，每个叶片从入口到出口是单叶片的，对于小流量低比转速的泵，叶轮外径与其吸入口径比值较大，叶轮出口面积与入口面积比值很大，导致流道扩散严重，叶轮内部出现轴向旋涡或回流，导致叶轮性能下降。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种结构紧凑，叶片起始段为单叶片，而到出口为双叶片，其工作面与背面型线设计差别较大，有利于提高叶片的做功能力，提高扬程系数；另一方面由于叶片出口段采用了双叶片，其在叶轮圆周上形成较大的面积排挤，减小了叶轮的面积比，减少叶轮内部的轴向旋涡或回流的一种低比转速离心复合叶轮及其设计方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种低比转速离心复合叶轮，包括前盖板和后盖板，所述的前盖板与后盖板间形成若干叶轮腔，所述的叶轮腔的起始段为单叶片，所述的叶轮腔的出口处为双叶片，所述的叶轮腔中的单叶片与双叶片呈一体化分布。

作为优选，所述的叶轮腔设有三个，三个叶轮腔呈均分状分布，所述的叶轮腔呈圆弧状，所述的单叶片中叶腔的宽度逐渐扩大，所述的双叶片中叶腔Ⅰ的长度大于叶腔Ⅱ的长度。

作为优选，所述的双叶片中叶腔Ⅰ与叶腔Ⅱ间形成翼型空间。

一种低比转速离心复合叶轮的设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

(一)、型线设计：工作面型线设计按传统无限叶片数的方法设计，背面型线设计按实际叶片数(有限叶片数)，利用面积变化比(控制流速)的创新方法设计；

以上工作面与前一片叶片所设计的背面型线形成了叶轮的主通道设计(叶腔Ⅰ)；

以上工作面与同一叶片所设计的背面型线所夹的空腔组成叶腔Ⅱ；

叶腔Ⅱ的设计型线方式采用副叶轮的设计法，通过将叶腔Ⅱ与后盖板贯通，形成完整的副叶轮；叶轮圆周面的旋转方向形成主副腔交替的流道；

(二)、模型分析：

利用上述方法设计而成的型线，进行三维建模造型，形成三维计算网格模型；进行流场模拟计算，进行优化设计；

流动的分析采用求解器Fluent，解析过程先后为：对实物进行简化并建立几何模型；划分网格；导入网格并检查网格质量；选择处理器、选择湍流模型和边界处理函数；输入或选择流体属性；确定边界条件；选择算法；求解；进行后处理；

边界条件总共有进口、出口、移动壁面、固定壁面以及周期性边界，为了充分模拟水泵水力性能试验过程，数值计算也采用调节不同流量计算扬程的方法，同时通过模拟获得叶轮内部流动的详细信息；

进口边界条件采用速度进口，并且假设整个进口上具有均匀的速度；出口边界采用压力出口，假定无汽蚀情况发生，统一设定出口静压；

运用CFD流体数值计算方法，结合相关实验，研究其内部流场的流动特性，分析其整个水力性能；

(三)、叶轮采用铸造：

制造叶轮采用铸造，其中叶腔Ⅱ形成翼型的翼型空间作为无叶腔，制造时与后盖板贯通，一次性铸造完成。

闭式叶轮包括叶轮前盖板、后盖板、叶片。叶片起始段为单叶片，而到出口为双叶片；叶片出口段双叶片所夹的空腔区域无后盖板，即该空腔的翼型空间作为了叶轮的背“叶片”使用。

叶片出口段双叶片所夹的空腔的翼型空间作为了叶轮的背“叶片”使用，该空腔也可调整为与前盖板相通，即作为叶轮的前“叶片”使用。该空腔也可调整为与前后盖板均相通，即作为叶轮的辅助“叶片”使用。

本发明提供一种低比转速离心复合叶轮及其设计方法，结构紧凑，提高使用性能，可靠性高，别适用于小流量低比转速泵，适配范围广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1和图2所示，一种低比转速离心复合叶轮，包括前盖板1和后盖板2，所述的前盖板1与后盖板2间形成若干叶轮腔3，所述的叶轮腔3的起始段为单叶片，所述的叶轮腔3的出口处为双叶片，所述的叶轮腔3中的单叶片与双叶片呈一体化分布。

所述的叶轮腔3设有三个，三个叶轮腔3呈均分状分布，所述的叶轮腔3呈圆弧状，所述的单叶片中叶腔的宽度逐渐扩大，所述的双叶片中叶腔Ⅰ4的长度大于叶腔Ⅱ5的长度。

所述的双叶片中叶腔Ⅰ4与叶腔Ⅱ5间形成翼型空间6。

一种低比转速离心复合叶轮的设计方法，按以下步骤进行：

(一)、型线设计：工作面型线设计按传统无限叶片数的方法设计，背面型线设计按实际叶片数(有限叶片数)，利用面积变化比(控制流速)的创新方法设计；

以上工作面与前一片叶片所设计的背面型线形成了叶轮的主通道设计(叶腔Ⅰ)；

以上工作面与同一叶片所设计的背面型线所夹的空腔组成叶腔Ⅱ；

叶腔Ⅱ的设计型线方式采用副叶轮的设计法，通过将叶腔Ⅱ与后盖板贯通，形成完整的副叶轮；叶轮圆周面的旋转方向形成主副腔交替的流道；

(二)、模型分析：

利用上述方法设计而成的型线，进行三维建模造型，形成三维计算网格模型；进行流场模拟计算，进行优化设计；

流动的分析采用求解器Fluent，解析过程先后为：对实物进行简化并建立几何模型；划分网格；导入网格并检查网格质量；选择处理器、选择湍流模型和边界处理函数；输入或选择流体属性；确定边界条件；选择算法；求解；进行后处理；

边界条件总共有进口、出口、移动壁面、固定壁面以及周期性边界，为了充分模拟水泵水力性能试验过程，数值计算也采用调节不同流量计算扬程的方法，同时通过模拟获得叶轮内部流动的详细信息；

进口边界条件采用速度进口，并且假设整个进口上具有均匀的速度；出口边界采用压力出口，假定无汽蚀情况发生，统一设定出口静压；

运用CFD流体数值计算方法，结合相关实验，研究其内部流场的流动特性，分析其整个水力性能；

(三)、叶轮采用铸造：

制造叶轮采用铸造，其中叶腔Ⅱ形成翼型的翼型空间作为无叶腔，制造时与后盖板贯通，一次性铸造完成。

Claims (4)

1.一种低比转速离心复合叶轮，其特征在于：包括前盖板(1)和后盖板(2)，所述的前盖板(1)与后盖板(2)间形成若干叶轮腔(3)，所述的叶轮腔(3)的起始段为单叶片，所述的叶轮腔(3)的出口处为双叶片，所述的叶轮腔(3)中的单叶片与双叶片呈一体化分布。

2.根据权利要求1所述的一种低比转速离心复合叶轮，其特征在于：所述的叶轮腔(3)设有三个，三个叶轮腔(3)呈均分状分布，所述的叶轮腔(3)呈圆弧状，所述的单叶片中叶腔的宽度逐渐扩大，所述的双叶片中叶腔Ⅰ(4)的长度大于叶腔Ⅱ(5)的长度。

3.根据权利要求2所述的一种低比转速离心复合叶轮，其特征在于：所述的双叶片中叶腔Ⅰ(4)与叶腔Ⅱ(5)间形成翼型空间(6)。

4.一种根据权利要求1或2或3所述的低比转速离心复合叶轮的设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

(一)、型线设计：工作面型线设计按传统无限叶片数的方法设计，背面型线设计按实际叶片数(有限叶片数)，利用面积变化比(控制流速)的创新方法设计；

以上工作面与前一片叶片所设计的背面型线形成了叶轮的主通道设计(叶腔Ⅰ)；

以上工作面与同一叶片所设计的背面型线所夹的空腔组成叶腔Ⅱ；

叶腔Ⅱ的设计型线方式采用副叶轮的设计法，通过将叶腔Ⅱ与后盖板贯通，形成完整的副叶轮；叶轮圆周面的旋转方向形成主副腔交替的流道；

(二)、模型分析：

利用上述方法设计而成的型线，进行三维建模造型，形成三维计算网格模型；进行流场模拟计算，进行优化设计；

流动的分析采用求解器Fluent，解析过程先后为：对实物进行简化并建立几何模型；划分网格；导入网格并检查网格质量；选择处理器、选择湍流模型和边界处理函数；输入或选择流体属性；确定边界条件；选择算法；求解；进行后处理；

边界条件总共有进口、出口、移动壁面、固定壁面以及周期性边界，为了充分模拟水泵水力性能试验过程，数值计算也采用调节不同流量计算扬程的方法，同时通过模拟获得叶轮内部流动的详细信息；

进口边界条件采用速度进口，并且假设整个进口上具有均匀的速度；出口边界采用压力出口，假定无汽蚀情况发生，统一设定出口静压；

运用CFD流体数值计算方法，结合相关实验，研究其内部流场的流动特性，分析其整个水力性能；

(三)、叶轮采用铸造：

制造叶轮采用铸造，其中叶腔Ⅱ形成翼型的翼型空间作为无叶腔，制造时与后盖板贯通，一次性铸造完成。