CN107061348B - 一种低比转速离心泵叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在出口边带循环流道的低比转速离心泵叶轮。包括前盖板、后盖板和前盖板与后盖板之间的多个叶片，相邻叶片之间形成狭窄的主流道，主流道出口周向宽度总和为叶轮出口圆周长的10～20％，叶片正背面型线由多段圆弧和/或直线光滑联接组成，叶片表面为直纹面；每个叶片出口边周向上均布有多个循环流道，每个循环流道由通过叶轮径向和平行于叶轮旋转轴方向并空间相交联通的两孔组成。本发明采用狭窄的主流道设计可消除叶轮的叶道涡和出口旋涡、减少能量损失，在出口边上这些小循环流道可提高低比转速离心泵变工况下运行的扬程、及水力稳定性，在保证在叶轮外径不变条件下提高扬程和降低蜗壳中的压力脉动幅值。

Description

一种低比转速离心泵叶轮
技术领域
本发明属于机械设计制造领域，尤其属于离心泵设计制造领域，特别涉一种低比转速离心泵叶轮设计制造技术。
背景技术
低比转速离心泵主要用于抽送小流量较高扬程液体要求的一些用途，按现有离心泵设计理论和方法设计出的叶轮，叶轮叶片间的流道较宽，叶道和出口的旋涡大，在蜗壳产生的压力脉动幅值大，效率偏低，“流量-扬程”曲线的稳定性差。当比转速ns低于30，采用现有设计理论和方法设计离心泵的效率一般将降至30％以下。如何在满足设计流量和扬程要求下，提高运行稳定性和减少水力损失是低比转速离心泵技术的关键。
发明内容
本发明根据现有技术的不足公开了一种在出口边带循环流道的低比转速离心泵叶轮。本发明要解决的问题是提供一种在叶轮外径尺寸不变条件下具有更高扬程并能改善叶轮出口流场分布的低比转速离心泵叶轮设计方案。
本发明通过以下技术方案实现：
低比转速离心泵叶轮，包括前盖板、后盖板和前盖板与后盖板之间的多个叶片，其特征在于：所述相邻叶片之间形成狭窄的主流道，主流道出口周向宽度总和为叶轮出口圆周长的10～20％，叶片正背面型线由多段圆弧和/或直线光滑联接组成，叶片表面为直纹面。
所述每个叶片出口边周向上均布有多个循环流道，每个循环流道由通过叶轮径向和平行于叶轮旋转轴方向并空间相交联通的两孔组成。
一种循环流道结构是采用相交并贯通叶片出口边外周与叶轮前盖板和后盖板的T形孔。
另一种循环流道结构是采用相交并贯通叶片出口边外周与叶轮前盖板的L形孔。
上述循环流道在叶片出口边外周上按等分叶片出口边包角，并沿叶片出口边周向中心对称均匀布置。
本发明循环流道可在每个叶片出口边上设置5或7个。循环流道外周的径向孔位于叶片出口边轴向中心位置，经向孔深是叶轮出口直径的5-7％。循环流道孔径是叶轮出口边轴向宽度的20-30％。
本发明低比转速离心泵叶轮采用构成叶轮的轮盘形状的前、后盖板，和一定数量在靠近出口边外周上带循环流道的叶片构成。叶片出水边的周向厚度大，并在靠叶片出口边周向上均布多个循环流道。每个叶片的循环流道的数量根据叶片出口边包角(对应于周向厚度)大小和需要提高扬程的大小而定，在叶片出口边外周上按等分包角并径向对称均匀设置。为了便于加工，循环流道由通过叶轮径向和平行于叶轮旋转轴并相交的两个直径为Φc的孔组成，两个孔可组合成两种形式的循环流道。平行于叶轮旋转轴的孔贯穿叶轮前后盖板组成T型循环流道，从前盖板只到叶片出口边轴向中心，即1/2叶片轴向宽度处组成L型循环流道。
所述带循环流道的叶片，设叶片出口边的包角为α，带循环流道的数量一般设置为Nc＝5或7个,每个循环流道之间的夹角αc＝int(α/(Nc+1))。循环流道的数量越多，提高扬程越多。以叶片出水边圆周长度的中心作为第3或4个孔的中心并作为循环流道径向孔布置的设计基准位置，然后以该基准作该起点按αc均布Nc个径向孔，孔的轴向中心在叶片出口边1/2轴向宽度，即bc＝b2/2，该径向孔深h与叶轮出口直径D2相关，一般取5-7％D2。对于T型循环流道，平行于叶轮旋转轴的孔深为与径向孔深h处的叶片轴向宽度加前后盖板轴向厚度。循环流道孔径Φc一般取叶轮出口处的叶片轴向宽度加前后盖板轴向厚度的20-30％，孔径Φc的大小对提高扬程有关系，在结构尺寸许可下，孔径越大提高的扬程越大。所述循环流道孔参数的选择主要从流体动力特性角度考虑，在具体叶轮设计时还需要兼顾结构和强度需要。
本发明的低比转速离心泵叶轮具有主流道很狭窄和叶片出水边圆周厚度很大的结构特点，并在出口边上设计一定数量的循环流道，以保证在叶轮外径不变条件下提高扬程和降低蜗壳中的压力脉动幅值。已证明这种很狭窄的主流道设计可消除叶轮的叶道涡和出口旋涡、减少能量损失，在出口边上这些小循环流道可提高低比转速离心泵变工况下运行的扬程、及水力稳定性。该低比转速离心泵叶轮可用于航空航天、核能、制药及消防等领域输送小流量较高扬程液体介质的离心泵，也可改进后用于发电机组推力轴承的镜板泵的流道设计等。
本发明在单级低比转速离心泵应用时，泵体按现有单级离心泵设计设计，并注意蜗壳设计要与叶轮匹配。
普通叶片式离心泵流体的能量只来源于叶轮的主流道作用，而在本发明中，从叶轮主流道中流出的部分高压流体将再次流入型循环流道而获得更高的压力，从而提高了离心泵的扬程并改善叶轮出口流场分布。已证明：T型循环流道可较L型循环流道提高更大的扬程，并使得“流量-扬程”曲线，特别是在小流量和“关死”工况更稳定，但是水力效率较L型循环流道稍低。与不带两循环流道的低比转速叶轮相比，两种形式的扬程都有较大幅度的提高，“流量-扬程”曲线的稳定性更好，蜗壳中的压力脉动幅值大幅度降低。在设计低比转速离心泵时可根据具体情况选用循环流道型式。
附图说明
图1是本发明不带循环流道的低比转速离心泵叶轮结构示意图；
图2是本发明包括循环流道的低比转速离心泵叶轮结构示意图；
图3是本发明带循环流道的叶片和流道结构三维示意图；
图4是本发明带循环流道的单叶片结构剖视图(垂直于轴面)；
图5是本发明叶轮轴截面及其T形循环流道局部剖视示意图；
图6是本发明叶轮轴截面及其L形循环流道局部剖视示意图；
图7是T形循环流道的局部放大图，即图5中的循环流道示意图；
图8是L形循环流道的局部放大图，即图6中的循环流道示意图；
图9是采用本发明离心泵的流道示意图；
图10是本发明实例离心泵的“流量-扬程”曲线，横坐标是流量(L/s)，纵坐标是扬程(m)；
图11是本发明实例离心泵的“流量-效率”曲线，横坐标是流量(L/s)，纵坐标是水力效率；
图中，1是叶轮，1a是无循环流道，1b是带循环流道，2是叶片，2a是L型循环流道，2b是T型循环流道，3是前盖板；4是后盖板；5是蜗壳和泵腔流道示意；
图10和图11中，曲线T是包括T型循环流道的实验结果，曲线L是包括L型循环流道的实验结果，曲线A是无循环流道的实验结果；
D2是叶轮直径，b2是叶片出口边轴向宽度，Φc是循环流道孔径，h是循环流道径向孔深，α是叶片出口边的包角，H表示扬程，Q表示流量，η表示离心泵效率。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整属于本发明保护的范围。
结合图1至图11。
本发明低比转速离心泵叶轮，图1、2所示包括构成叶轮的轮盘形状的前、后盖板，图2中包括6-8个带循环流道的叶片。叶片正背面型线由多段圆弧和/或直线光滑联接组成，叶片表面为直纹面。如图3所示，相邻叶片间的正背面构成叶轮流道并保证叶片进出口角要求，与离心泵的吸入和压出室流道匹配。
下面以一具体设计例进行说明。
本例为一比转速ns＝30的单级低比转速离心泵，主要设计参数：扬程H＝32m、流量Q＝0.36m3/min、转速n＝1450rpm，叶轮直径D2＝Φ320mm、叶片数Z＝7。
如图2所示，低比转速离心泵叶轮1包括构成离心泵叶轮1的轮盘形前盖板3、后盖板4，及7个一样的带循环流道的叶片2组成。如图3所示，在靠叶片出口边周向上均布Nc＝5个Φc＝Φ6mm的循环流道，以第3个循环流道孔中心线设置在叶片出水边圆周长度的中心作为基准，按前述的计算确定每个循环流道的夹角αc＝80确定第1、2、4、5个循环流道孔中心位置。径向孔深h＝20mm，与径向孔深h处的叶片轴向宽度加前后盖板轴向厚度之和为20mm。所以对于T型循环流道，平行于叶轮旋转轴的孔深取20mm，对于L型循环流道，平行于叶轮旋转轴的孔深取10mm。
如图9所示，在运行过程中从叶轮1主流道中流出的部分高压流体进入泵腔，通过循环流道中平行于叶轮旋转轴的孔进入再次做功获得更高的压力，从而提高了离心泵的扬程，同时改善了泵腔中的流场及叶轮出口流场分布，并使得“流量-扬程”曲线更稳定。
针对该实例经检测试验，得到不带循环流道、分别带L或T型循环流道的“流量-扬程”曲线如图10所示，“流量-效率”曲线如图11所示。说明本发明的分别带L或T型循环流道的叶轮可提高低比转速离心泵的扬程，改善运行中的水力稳定性。

Claims (5)

1.一种低比转速离心泵叶轮，包括前盖板、后盖板和前盖板与后盖板之间的多个叶片，其特征在于：相邻叶片之间形成狭窄的主流道，主流道出口周向宽度总和为叶轮出口圆周长的10～20％，叶片正面型线和叶片背面型线由多段圆弧和/或直线光滑联接组成，叶片表面为直纹面；
每个叶片出口边周向上均布置有多个循环流道，每个循环流道由通过叶轮径向和平行于叶轮旋转轴方向并空间相交联通的两孔组成，循环流道在每个叶片出口边上设置5或7个，循环流道孔径是叶轮出口边轴向宽度的20～30％。
2.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮，其特征在于：所述循环流道是相交并贯通叶片外周与叶轮前盖板和后盖板的T形孔。
3.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮，其特征在于：所述循环流道是相交并贯通叶片外周与叶轮前盖板的L形孔。
4.根据权利要求1或2或3所述的低比转速离心泵叶轮，其特征在于：所述循环流道在叶片出口边外周上按等分叶片出口边包角，并沿叶片出口边周向中心对称均匀布置。
5.根据权利要求4所述的低比转速离心泵叶轮，其特征在于：所述循环流道外周的径向孔位于叶片出口边轴向中心位置，径向孔深是叶轮出口直径的5～7％。
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