CN106795892A - 具有不对称厚度的叶轮叶片 - Google Patents

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Abstract

一种用于叶轮的叶片包括具有前部分和后部分的叶片，前部分具有前缘，后部分具有后缘，前部分和后部分由隔开的压力面和吸力面结合以形成外部叶片表面。叶片压力面由在第一位置对准的第一叶片轮廓的外包络形成；并且通过将第一叶片轮廓围绕前缘旋转以在叶轮的较低流速条件下匹配进入流的角度而形成叶片吸力面的前部分的至少一部分。

Description

具有不对称厚度的叶轮叶片
背景技术
离心泵通常为特定流速和转速而设计。在这种条件(称为最佳效率点)下，叶轮叶片的前部分与进入流对准，如图1a所示。
超过最佳效率点，各种不同类型的叶片被设计成用于在不同的泵送条件和状态期间的更优性能的离心泵中使用。例如，多个专利和申请讨论了尝试改变叶片设计以减少正被泵送的固体附接到叶片边缘中的一个。一个这种申请为美国专利申请公开第2014/0079558 A1号，其示出了特别适用于泵送纤维悬浮液(诸如，造纸原料)的叶轮。叶轮形成有轮叶(vane)，该轮叶具有的圆形或增厚部分的厚度大于轮叶中心区，以避免纤维粘附到轮叶的边缘。类似地，GB1412488也通过增厚轮叶的前缘使得直径大于轮叶其余部分的厚度来解决纤维粘附到该前缘的问题。
美国专利第2,272,469号是公开了具有设计成消除在叶轮叶片的跟部上捕获固体的可能性的特定叶轮的离心泵的另一专利。为此，叶片形成有倒圆的相对窄的前缘，该前缘相对于叶轮轴线以一角度倾斜。叶片进而扩展到较大厚度，并且然后在结合到与叶轮轴线平行的配置中之前变窄。
其它叶片设计用于减小叶片中的应力。在DE4000657中示出了该设计的一个这种实例，其公开了(特别是在部分负载状态期间)有助于减小吸力面上的负压的用于叶轮的叶片。这通过使吸力面增厚并在初始区中直到叶片长度的三分之一处给予其凹形轮廓来实现。
尽管这些叶片都被设计成避免在某些条件下的问题(固体附接到叶片或者固体经受可能损坏叶片的条件和压力)，但都不具体地解决设计用于各种不同流动条件的最佳性能的叶片的问题。超过最优效率点，具体地说在较低流速时，叶片不再与进入流对准。当叶片与进入流之间的角度变得过大时，流动分离将发生，并且流动将不再沿着叶片轮廓，而是脱离叶片表面，如图1b所示。流动分离在流动内导致高能量损失，这降低了泵的能量效率。
发明内容
根据本发明的第一方面，用于叶轮的叶片包括具有前部分和后部分的叶片，前部分具有前缘，后部分具有后缘，前部分和后部分由隔开的压力面和吸力面结合以形成外部叶片表面。叶片压力面由在第一位置对准的第一叶片轮廓的外包络形成；并且，通过将第一叶片轮廓围绕前缘旋转以在叶轮的较低流速条件下匹配进入流的角度，形成叶片吸力面的前部分的至少一部分。
这种具有不对称厚度且在吸力面上更厚的叶片导致在较大工作范围内更抵抗流动分离的轮廓。叶片周围的流动分离的这种抵抗或消除导致更有效的叶轮。
根据一实施例，吸力面的前部分比压力面的前部分更厚。
根据一实施例，叶片的后部分在吸力面和压力面之间具有一致厚度。
根据一实施例，叶片吸力面的通过旋转第一叶片轮廓锁形成的部分为前缘与后缘之间叶片长度的约3％至12％。
根据一实施例，吸力面的后部分由在第一位置对准的第一叶片轮廓的外包络形成。
根据一实施例，吸力面包括过渡部分，在该过渡部分中，叶片轮廓从在前部分处的叶片轮廓过渡到在后部分处的叶片轮廓。可选地，过渡部分为前缘与后缘之间的叶片长度的约30％至70％。
根据一实施例，叶片从前缘到后缘是弯曲的。
根据一实施例，其中，在第一位置对准的叶片轮廓与旋转后的叶片轮廓之间的旋转角为约10度至30度。
根据实施例，叶轮包括至少一个叶片。可选地，叶轮可包括多个叶片，优选地为3个至7个叶片。可选地，叶轮可以是离心泵的一部分。进一步可选地，离心泵可以是容器的一部分。
根据本发明的第二方面，形成用于叶轮的叶片的方法包括：通过第一叶片轮廓对于一设定的流动条件而对准来形成叶片的压力面；通过第一叶片轮廓围绕前缘旋转以在叶轮的较低流速条件下与进入流对准而形成叶片的吸力面的前部分；通过第一叶片轮廓对于该设定的流动条件而对准来形成叶片的吸力面的后部分；以及在吸力面的前部分和后部分之间形成过渡部分。
根据一实施例，叶片的吸力面的前部分包括前缘与后缘之间的叶片宽度的约3％至12％。
根据实施例，叶片的吸力面的过渡部分包括前缘与后缘之间的叶片宽度的约30％至70％。
附图说明
图1a是与进入流对准的现有技术叶片的视图。
图1b是与进入流不对准的现有技术叶片的视图。
图2a是叶轮叶片的截面图。
图2b是形成图2a的叶轮叶片的叶片轮廓的绘图。
图2c是图2b的叶片轮廓的组合绘图。
图3是具有多个叶片的叶轮的截面图。
具体实施方式
图1a是与进入流对准的现有技术叶片10的视图，并且图1b是与进入流不对准的现有技术叶片10的视图。图1a至图1b包括箭头12，其表示叶片10周围的流。用于叶轮的叶片通常被设计成在特定转速下与一设定的进入流速对准，如图1a所示。当由于不同流速、不同转速或这两者而发生叶片不对准的条件时，可能发生流动分离。该流动分离在叶片与进入流动之间的角度变得过大时发生，并导致流12不再沿着叶片10轮廓并脱离叶片10表面。如图1b所示，该流动分离可导致流内的高能量损失，这显著降低叶片和叶轮在其中旋转的泵的能量效率。
图2a是具有特定轮廓以促进流在泵的工作范围内保持附接到叶片20表面的叶轮叶片20的截面图。图2b是形成叶片20的叶片轮廓36、37的绘图，并且图2c是图2b的轮廓的组合绘图。在使用中，叶片20通常具有弯曲轮廓。然而，为观察方便，在图2a至图2c中叶片20被示出具有笔直轮廓。
叶片20包括具有前缘24的前部分22、具有后缘28的后部分26、过渡部分30、压力面32和吸力面34。吸力面34和压力面32形成叶片20的外表面。在所示的实施例中，叶片20是实心叶片，但其它实施例可具有一个或多个内部腔体或空间。
叶片20外包络(envelope)的前部分22由叶片轮廓36和37形成，如图2b所示。叶片轮廓36是对准流并确保该流在一设定的操作条件期间保持附接到叶片表面的叶片轮廓的设计(处于第一对准位置)。这可基于例如叶轮的预期平均流速和转速。轮廓37的形状与轮廓36相同并且以约20度的旋转角AR围绕前缘24旋转。该旋转将轮廓对准以抵抗在叶轮的不同流速条件(例如，较低流速条件)下的流动分离。这可简单地为预期将要经历的较低流速、叶轮的工作范围或另一范围的最低流速。然后，在压力面32上由叶片包络36并在吸力面34上由叶片包络37形成叶片20的前部分22。前部分可为叶片在前缘24与后缘28之间的3％-12％。
过渡部分30在叶片20的前部分22与后部分26之间通过将从吸力面34从轮廓37过渡到轮廓36而形成。该过渡可以是逐渐的，并且可包括在吸力面34上的弯曲。过渡部分30可构成在前缘24与后缘28之间的叶片20的约20％-70％。
后部分26在压力面32和吸力面34两者上通过轮廓36(处于第一对准位置)形成。后部分26形成叶片20在前部分22和过渡部分30之后的剩余部分。
在前部分22处轮廓36和37的组合导致在压力面32与吸力面34之间具有不对称厚度的叶片20，其中，对于前部分22和过渡部分30，吸力面34比压力面32更厚。通过以这种方式形成叶片20，叶片20更好地能够抵抗流动分离。如上所述，在较低流速下，分离通常发生在叶片的吸力面上(见图1b)。通过形成具有旋转轮廓37(为不同流动条件而对准)的叶片20的前部分22的吸力面34，叶片20抵抗流动分离并抵抗由流动分离引起的效率下降。在前部分处使用第一对准轮廓36形成压力面32并使用旋转轮廓37形成吸力面34使得叶片20在叶片20的较大工作范围内更抵抗流动分离。
图3是具有叶轮42的泵40的截面图，该叶轮具有多个叶片20。叶轮42包括形状弯曲的三个叶片20。叶片20均包括具有前缘24的前部分22、具有后缘28的后部分26、过渡部分30、压力面32和吸力面34。叶片20中的每个均根据图2a至图2c所示的叶片20而形成，其中前部分22在压力面32上由轮廓36形成并在吸力面34上由旋转后的轮廓37形成，这导致吸力面34在前部分22中更厚的不对称叶片20厚度。
通过在压力面32上用轮廓36并在吸力面34上用旋转后的轮廓37形成叶片20外包络的前部分22，叶片20可在叶轮42和泵40的更大工作范围上更好地抵抗流动分离。通过保持沿叶片20的轮廓的流，由流动分离引起的能量损失可被减小或消除，这导致更有效的泵40以及叶轮42的更大的有效工作范围。叶片20更好地能够在比为单个流速和转速所设计和对准的现有叶片更大的范围内抵抗流动分离。另外，当在前缘24处叶片20磨损显著时，叶片20在前部分22中的额外厚度可抵抗这种磨损并由此增加叶片20、叶轮42和泵40的寿命。
虽然泵40被示出有具有三个叶片20的叶轮42，但叶轮42可具有更多或更少叶片，例如3-7个叶片。另外，图2a至图3中叶片20的尺寸、形状和曲率仅为示例目的而示出，并可在不同系统中变化。例如，叶片可类似于在WO2012/074402A1中示出的那些叶片。叶片20的前部分22、过渡部分30和后部分26的尺寸也可根据系统需求而变化。虽然轮廓37的旋转角在图2b中被称为20度，但这仅用于示例目的。在其它实施例中该角度可变化，并且可例如在10-30度的范围内。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解在不背离本发明的范围的前提下可做出各种改变并且等同物的要素可被替代。另外，在不背离本发明实质范围的前提下可做出许多修改以使特定状态或材料适应本发明的教导。因此，本发明旨在不限于所公开的特定实施例，而且本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种用于叶轮的叶片，所述叶片包括：
具有前部分和后部分的叶片，所述前部分具有前缘，所述后部分具有后缘，所述前部分和所述后部分由隔开的压力面和吸力面结合以形成外部叶片表面；
其中，所述叶片压力面由在第一位置对准的第一叶片轮廓的外包络形成；并且
其中，通过将所述第一叶片轮廓围绕所述前缘旋转以在所述叶轮的较低流速条件下匹配进入流的角度，形成所述叶片吸力面的所述前部分的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述吸力面的所述前部分比所述压力面的所述前部分更厚。
3.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述叶片的所述后部分在所述吸力面和所述压力面之间具有一致厚度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述叶片吸力面的通过旋转所述第一叶片轮廓所形成的所述部分为所述前缘与所述后缘之间的叶片长度的约3％至12％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述吸力面的所述后部分由在所述第一位置对准的所述第一叶片轮廓的所述外包络形成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述吸力面包括过渡部分，在所述过渡部分中，叶片轮廓从在所述前部分处的叶片轮廓过渡到在所述后部分处的叶片轮廓。
7.根据权利要求6所述的叶片，其中，所述过渡部分为所述前缘与所述后缘之间的叶片长度的约30％至70％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述叶片从所述前缘到所述后缘是弯曲的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述旋转的角度为约10度至30度。
10.一种叶轮，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的叶片，并且优选地包括3个至7个根据前述权利要求中任一项所述的叶片。
11.一种离心泵，包括根据权利要求10所述的叶轮。
12.一种容器，包括根据权利要求11所述的离心泵。
13.一种形成用于叶轮的叶片的方法，所述方法包括：
通过第一叶片轮廓对于一设定的流动条件而对准来形成所述叶片的压力面；
通过所述第一叶片轮廓围绕前缘旋转以在所述叶轮的较低流速条件下与进入流对准而形成所述叶片的吸力面的前部分；
通过所述第一叶片轮廓对于所述设定的流动条件而对准来形成所述叶片的所述吸力面的后部分；以及
在所述吸力面的所述前部分和所述后部分之间形成过渡部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述叶片的所述吸力面的所述前部分包括前缘与后缘之间的叶片宽度的约3％至12％。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的方法，其中，所述叶片的所述吸力面的所述过渡部分包括前缘与后缘之间的叶片宽度的约30％至70％。
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