CN106939898B - 一种抗空化高扬程离心泵叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗空化高扬程离心泵叶轮。为了解决离心泵在运行过程中随着空化强度的增加，叶轮内部的流体压力快速下降而导致离心泵扬程降低的问题，本发明公开了一种全新的抗空化高扬程离心泵叶轮。该抗空化高扬程离心泵叶轮，包括叶片、盖板和凸台，其中所述凸台与所述叶片固定连接，并且位于所述叶片的工作面一侧。本发明公开的抗空化高扬程离心泵叶轮，不仅结构简单，便于加工，而且通过在叶片的工作面设置凸台结构，对叶轮流道内部的低压力区和逆压梯度产生改善作用，进而对离心泵在发生空化时产生的空泡体积产生抑制作用，从而达到提高离心泵空化状态下的扬程值以及离心泵在空化状态下的运行高效区域的目的。

Description

一种抗空化高扬程离心泵叶轮

技术领域

本发明涉及一种叶轮，具体涉及一种抗空化高扬程离心泵叶轮。

背景技术

离心泵是一种依靠叶轮旋转产生的离心力来输送流体的泵。离心泵启动前，在泵壳和吸水管内充满流体，然后启动电机，使泵轴带动叶轮和流体做高速旋转运动，流体发生离心运动并被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入离心泵的压水管路，最后流体从压水管路中输出。随着叶轮内部流体的不断排出，在叶轮中心位置逐渐形成低压区，甚至达到真空，此时离心泵入口处的流体在大气压力的作用下，通过吸入管源源不断地流入叶轮，再由叶轮甩出。在这个过程中，叶轮将泵轴的机械能传给流体，变成流体的压能和动能，并体现为离心泵的扬程输出。

但是，在非定常空化流场的模拟中发现，在叶轮的旋转过程中发生空化，并且空化强度随着运行时间的变化而变化。其中，在空化强度增加的时候，叶轮内部产生的空泡体积也逐渐增加，从而引起叶轮表面空泡体积的分布不均匀和叶片表面压力的分布不均。这些在叶轮旋转过程中产生的空泡和压力紊乱都对叶轮进行的能量转换产生抑制影响，造成离心泵扬程的下降。此外，在叶轮内部流体压力快速下降时，即叶轮内部低压力区域由于叶轮入口端向叶轮出口端快速扩张时又会进一步促进叶轮内部空泡的产生和变大，从而对叶轮内的能量转换再次产生抑制影响。

发明内容

为了解决在离心泵运行过程中随着空化强度的增加，由于叶轮内部的流体压力快速下降而导致离心泵扬程降低的问题，本发明提出了一种全新的抗空化高扬程离心泵叶轮。该抗空化高扬程离心泵叶轮，包括叶片，盖板和凸台，其中所述凸台与所述叶片的工作面固定连接；所述凸台在所述叶片上的径向位置为r＝K_r×R，轴向位置为对应叶片轴向截面线的1/2处；所述凸台的横截面长度尺寸为a＝K_a×R，所述凸台的横截面宽度尺寸为b＝K_b×R，所述凸台的顶部距离所述叶片表面的高度尺寸为h＝K_h×R；其中R为所述叶轮的半径尺寸，K_r为径向位置系数且K_r＝0.20～0.70，K_a为长度尺寸系数且K_a＝0.01～0.10，K_b为宽度尺寸系数且K_b＝0.01～0.10，K_h为高度尺寸系数且K_h＝0.02～0.10。

优选的，所述凸台与所述叶片的工作面固定连接时，所述凸台在所述叶片工作面垂直方向上的最大横截面指向所述叶片表面流体的来流方向。

优选的，所述凸台与所述叶片的工作面垂直固定连接。

优选的，所述凸台与所述叶片采用螺栓连接，其中所述凸台设有螺纹孔，所述叶片设有通孔。

进一步优选的，所述叶片上设置的通孔采用沉孔结构，且所述沉孔的沉台部分位于所述叶片的非工作面一侧。

离心泵采用本发明的抗空化高扬程离心泵叶轮时，具有以下有益效果：

本发明的抗空化高扬程离心泵叶轮，通过在叶片的工作面设置凸台结构，对凸台周围的流场分布产生影响，从而改变叶轮流道内部的压力分布情况。通过凸台对其周围流场分布的影响，使叶轮内部的低压力区和逆压梯度受到抑制作用，这样在离心泵空化发展的后期，将叶轮内部低压力区的扩张范围控制在叶轮径向的中部位置，使离心泵叶轮的出口端保持在相对的高压状态，并且使离心泵叶轮内部由空化产生的空泡的体积发展受到极大地抑制。与现有技术离心泵叶轮相比较，本发明抗空化高扬程离心泵叶轮内部的空泡体积缩小了40％～50％。这样在离心泵叶轮内部低压力区受到抑制，空泡体积缩小的情况下，离心泵叶轮的能量转换效率提高，离心泵的输出扬程获得大幅度提升。与采用现有技术离心泵叶轮的离心泵相比较，采用本发明抗空化高扬程离心泵叶轮的离心泵在空化发展后期的扬程值提高了至少40％。此外，叶轮内部低压力区域范围受到抑制作用的情况下，离心泵在空化状态下的运行高效区域得到扩大，从而使离心泵的使用性能得到提升。

附图说明

图1是本发明抗空化高扬程离心泵叶轮沿轴向中间横截面的结构示意图；

图2是沿图1中F方向叶片的局部结构示意图；

图3是图1中A处局部结构放大示意图；

图4是在不同空化状态下，对现有技术离心泵叶轮进行数值模拟时，叶轮轴向中间截面的绝对压力等值线图；

图5是在不同空化状态下，对本发明的抗空化高扬程离心泵叶轮进行数值模拟时，叶轮轴向中间截面的绝对压力等值线图；

图6是在不同空化状态下，对现有技术离心泵叶轮和本发明抗空化高扬程离心泵叶轮进行数值模拟时，在一个叶轮旋转周期内，叶轮内部空泡体积随时间变化的对比曲线图；

图7是在不同空化状态下，对现有技术离心泵叶轮和本发明抗空化高扬程离心泵叶轮进行数值模拟时，离心泵输出扬程的对比曲线图；

图8是在不同空化状态下，对现有技术离心泵叶轮、本发明抗空化高扬程离心泵叶轮以及对现有叶片的非工作面设置凸台的离心泵叶轮进行数值模拟时，离心泵输出扬程的对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细介绍。

结合图1、图2和图3所示，本发明抗空化高扬程离心泵叶轮包括盖板1、叶片2和凸台3，其中凸台3与叶片2的工作面21固定连接。以叶轮的中心轴线为基准，凸台3在工作面21上的位置为：径向位置r＝K_r×R；轴向位置为径向位置r处工作面21上的轴向截面线211的1/2处。凸台3的外形结构尺寸为：横截面的长度尺寸a＝K_a×R；横截面的宽度尺寸b＝K_b×R；凸台3的顶部距离工作面21的高度尺寸h＝K_h×R。其中,R为叶轮的半径尺寸；K_r为径向位置系数，K_r＝0.20～0.70；K_a为长度尺寸系数，K_a＝0.01～0.10；K_b为宽度尺寸系数，K_b＝0.01～0.10；K_h为高度尺寸系数，K_h＝0.02～0.10。

此外，在本发明中，将凸台3与叶片2进行垂直固定连接，并且将凸台3在垂直工作面21方向上的最大横截面指向叶片2表面流体的来流方向，这样可以进一步提高凸台3对流过工作面21上的流体进行流场和压力分布的改善，降低叶轮内部的逆压梯度以及抑制叶轮内部低压力区域的快速扩散，从而提高不同空化状态下离心泵的扬程。

借助数值模拟的方法对本发明的技术方案产生的效果进行实验验证。

首先，选取和设置相关的模拟数据和参数。

计算模型中采用比转速为32的低比转速闭式离心泵，离心泵的设计参数为：额定流量Q＝8.6m³/h,扬程H＝4.2m,转速n＝500rpm，叶片形状为圆柱叶片，离心泵的主要几何参数为：

泵吸入口直径	泵输出口直径	叶轮入口直径	叶轮出口直径
				90mm	65mm	80mm	310mm
叶轮出口宽度	叶片数量	叶片进口角	叶片出口角
				12mm	6	37°	37°

对叶轮流道内进行六面体网格划分，以便准确捕捉凸台3对其周围流场的影响。蜗壳采用适应性较强的四面体网格，通过网格无关性检查，最终确定网格单元数934624，节点数838520。

在计算模型中，离心泵叶轮的半径R等于叶轮出口直径尺寸的一半为155mm，并选取适当的K_r、K_a、K_b和K_h，将凸台3设置为一个横截面为2mm×2mm，高度为6mm的矩形结构。

然后，对现有技术离心泵叶轮和本发明抗空化高扬程离心泵叶轮进行数值模拟并获取相关的对比数据。

在流体机械领域，常用无量纲空化数σ表述空化发生的可能性，其定义为：

其中，P1为基准静压力，即离心泵的进口压力；Pv为饱和蒸汽压力；U为基准速度，在离心泵中采用叶轮的叶片进口边与前盖板交点处的圆周速度，即

其中，n为轴转速；D1为叶轮叶片进口边与前盖板交点处的直径。这样，无量纲空化数σ代表了叶轮进口压力条件。因此，在本方案的数值模拟过程中，以空化数σ作为参考变量进行相关的数据对比。

结合图4和图5所示，在不同空化状态下，凸台3对叶轮内部的压力分布产生不同的影响。其中，在空化初生阶段空化数σ＝0.82时，凸台3对叶轮内部的压力分布无明显影响。此时沿叶轮径向方向，由叶轮的进口端指向叶轮的出口端叶轮内部的压力分布逐渐由低变高，并且低压力区只出现在叶轮的进口端。在空化发展阶段空化数σ＝0.15时，沿叶轮径向方向叶轮内部的低压区域逐渐由叶轮的进口端向叶轮的出口端扩张，此时凸台3对叶轮内部的压力分布呈现出一定的影响，提高了其自身周围流体的压力，使叶轮内部的逆压梯度和低压力区域的扩张受到一定的抑制。在空化后期空化数σ＝0.09时，凸台3对叶轮内部压力分布的影响进一步加大，其中现有离心泵叶轮内部的低压力区域几乎扩张延伸至了叶轮的出口端，而本发明抗空化高扬程离心泵叶轮在凸台3的作用下，其内部的低压力区域被阻止在叶轮的中部区域附近。因此，本发明的抗空化高扬程离心泵叶轮与现有技术的离心泵叶轮相比较，通过在叶片2的工作面21上设置凸台3，使叶轮内部的压力分布得到改善，降低了叶轮流道内的逆压梯度并且在凸台3附近形成了相对的高压区域，有效的阻止了低压区域由叶轮进口端向叶轮出口端的扩张。

在凸台3对叶轮内部的压力分布产生影响的作用下，叶轮内部由于空化产生的空泡也发生变化，其中在不同的空化阶段，空泡体积的发展都得到了极大的抑制。结合图6所示，无论是在空化初生阶段空化数σ＝0.82，在空化发展阶段空化数σ＝0.15，还是在空化发展后期空化数σ＝0.09，本发明的抗空化高扬程离心泵叶轮通过在叶片2的工作面21上设置凸台3都对空泡的体积起到了压缩和抑制的作用，并且与现有技术的离心泵叶轮相比较，凸台3的设置使叶轮内部产生的空泡体积减小了40％～50％。从而，通过叶轮将泵轴的机械能传给流体并变成流体的压能和动能的效率得到提高，最终使离心泵的输出扬程提高。结合图7所示，本发明的抗空化高扬程离心泵叶轮通过在叶片2的工作面21设置凸台3对离心泵的扬程产生了促进影响。其中，在空化初生阶段虽然与现有技术离心泵叶轮相比较没有对促进扬程产生明显的效果，但是在空化发展得后期，采用本发明抗空化高扬程离心泵叶轮的离心泵扬程达到3.71m，采用现有技术离心泵叶轮的离心泵扬程为2.60m，扬程值提高了42.7％。从而达到提高离心泵输出扬程的目的，这样也提高了离心泵在空化状态下运行的高效区域。

优选的，结合图3所示，在本发明中凸台3与叶片2通过螺钉4进行固定连接，其中在凸台3上设有与螺钉4相互匹配的螺纹孔31，叶片2上设有通孔23，用于穿设螺钉4。这样可以避免在采用焊接方式对凸台3与叶片2进行固定连接时，由于焊接过程产生的热量对厚度小的叶片造成形变。此外，结合图8所示，将凸台3设置在叶片2的非工作面22上，并在离心泵的空化发展到后期时，离心泵的扬程仅为1.87m，这样不仅没有对提高离心泵扬程起到促进作用，反而造成了抑制作用。因此，进一步优选，将通孔23采用沉孔结构，并且将沉台设置在非工作面22的一侧，用于埋放螺钉4的螺帽部分。从而避免在叶片2的非工作面22上出现类似凸台3的凸起结构而对离心泵的扬程提高造成抑制作用。

Claims (5)

1.一种抗空化高扬程离心泵叶轮，包括叶片和盖板，其特征在于，还包括凸台，所述凸台与所述叶片的工作面固定连接；所述凸台在所述叶片上的径向位置为r＝K_r×R，轴向位置为对应叶片轴向截面线的1/2位置处；所述凸台的横截面长度尺寸为a＝K_a×R，所述凸台的横截面宽度尺寸为b＝K_b×R，所述凸台的顶部距离所述叶片表面的高度尺寸为h＝K_h×R；其中R为所述叶轮的半径尺寸，K_r为径向位置系数且K_r＝0.20～0.70，K_a为长度尺寸系数且K_a＝0.01～0.10，K_b为宽度尺寸系数且K_b＝0.01～0.10，K_h为高度尺寸系数且K_h＝0.02～0.10。

2.根据权利要求1所述的抗空化高扬程离心泵叶轮，其特征在于，所述凸台与所述叶片的工作面固定连接时，将所述凸台在垂直于所述叶片工作面方向上的最大横截面指向所述叶片表面流体的来流方向。

3.根据权利要求1所述的抗空化高扬程离心泵叶轮，其特征在于，所述凸台与所述叶片的工作面垂直固定连接。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的抗空化高扬程离心泵叶轮，其特征在于，所述凸台与所述叶片采用螺栓连接，其中所述凸台设有螺纹孔，所述叶片设有通孔。

5.根据权利要求4所述的抗空化高扬程离心泵叶轮，其特征在于，所述叶片上设置的通孔采用沉孔结构，且所述沉孔的沉台部分位于所述叶片的非工作面一侧。