CN107143520A - 一种稳压离心泵 - Google Patents

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CN107143520A CN201710568678.3A CN201710568678A CN107143520A CN 107143520 A CN107143520 A CN 107143520A CN 201710568678 A CN201710568678 A CN 201710568678A CN 107143520 A CN107143520 A CN 107143520A
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Abstract

本发明提供了一种稳压离心泵，涉及车载消防等特殊用泵技术领域，包括泵体、叶轮、主轴和诱导轮，叶轮套设在所述主轴上、且位于泵体内，诱导轮与主轴同轴线设置、位于泵体的入口内；其中，叶轮包括叶轮主体、n个主叶片和m个背叶片，n、m均为大于等于2的正整数，n个主叶片均匀分布在叶轮主体的第一侧，m个背叶片均匀分布在叶轮主体的第二侧；主叶片为弯折结构，包括主体部和弯折部，弯折部的弯折方向与叶轮使用时的旋转方向一致，弯折部的端部与叶轮主体的边缘对齐设置。本发明的稳压离心泵，具有稳压输出特性，体积小、叶轮叶片结构简单、制造成本低，不易发生锈蚀卡死现象，吸程可达7米以上，满足车载消防泵的各项要求。

Description

一种稳压离心泵
技术领域
本发明涉及车载消防等特种工作用泵技术领域，尤其涉及一种稳压离心泵。
背景技术
消防泵应满足流量和压力要求，具有耐腐蚀性能，水力特性曲线应平缓，应减少或者是避免小流量时压力过高、大流量时压力降低过快的情况出现。
车用消防泵目前多选用离心泵，离心泵随着流量的增加，压力明显变小。用作消防泵时，会出现“跳枪”现象，需要在离心泵系统内增加电子调压系统，结构复杂，可靠性低。
常规离心泵叶轮为扭曲叶片，制造工艺复杂，制造精度很难保证。常规离心泵叶轮为闭式结构，为了防止流量的泄漏，一般需设置口环结构。虽然口环结构保证了离心泵的效率，但消防泵一般长期备用，应急时起动。长期备用导致口环结构容易发生锈蚀、卡死等现象，达不到消防泵应急使用要求。
常规稳压泵吸上高度大约1.5-3米，随着吸上高度的增加，泵内汽蚀现象逐渐加重，甚至不能工作，满足不了消防车吸程7米的基本要求。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种稳压离心泵，随流量增加压力基本保持稳定，体积小、制造成本低，叶轮叶片结构简单，不易发生锈蚀卡死现象，吸程可达7米以上，满足车载消防泵的各项要求。
本发明提供了一种稳压离心泵，包括泵体、叶轮、主轴和诱导轮，所述叶轮套设在所述主轴上、且位于所述泵体内，所述诱导轮与所述主轴同轴线设置、位于所述泵体的入口内；其中，所述叶轮包括叶轮主体、n个主叶片和m个背叶片，n、m均为大于等于2的正整数，n个所述主叶片均匀分布在所述叶轮主体的第一侧，m个所述背叶片均匀分布在所述叶轮主体的第二侧；所述主叶片为弯折结构，包括主体部和弯折部，所述弯折部的弯折方向与所述叶轮使用时的旋转方向一致，所述弯折部的端部与所述叶轮主体的边缘对齐设置。
其中，叶轮的外径D按照下述公式计算：
式中，D-叶轮外径，单位为m；K-速度系数，无量纲，取值为15～16；H-稳压离心泵的扬程，单位为m；g-重力加速度，单位为m/s2；n-叶轮转速，单位为r/min。
其中，稳压离心泵的压水室喉部直径d按照下述公式计算：
式中，d-压水室喉部直径，单位为m；A-直径系数，无量纲，取值为1.0～1.2；Q-流量，单位为m3/h；u-叶轮出口的圆周速度，单位为m/s。
其中，叶轮主叶片的弯折部与主体部的夹角为145°～160°。
其中，叶轮主叶片弯折部的长度为所述主叶片的长度的1/4～1/3。
其中，叶轮还包括n个从叶片，n个所述从叶片均匀分布在所述叶片主体的第一侧，且与n个所述主叶片交替设置；n个所述从叶片为折弯结构，包括第一主体部和第一弯折部，所述第一弯折部的弯折方向与所述叶轮使用时的旋转方向一致，所述第一弯折部的端部与所述叶轮主体的边缘对齐设置，且所述第一弯折部的长度与所述弯折部的长度相等，所述第一主体部的长度小于所述主体部的长度。
其中，稳压离心泵不包括口环结构。
其中，叶轮的轴向两端与所述泵体的内壁之间的间隙为0～2mm。
其中，诱导轮包括空心轮轴和多个螺旋叶片，所述空心轮轴的第一端为圆柱结构、第二端为圆台结构，所述多个螺旋叶片均匀分布在所述空心轮轴的第二端外表面；所述螺旋叶片为右旋结构，所述螺旋叶片的法向厚度为2mm。
其中，诱导轮的螺旋叶片的导程为136.7mm，其进口包角为158°，从所述螺旋叶片的进口边叶尖到出口边叶片包角为355.56°。
本发明提供的稳压离心泵，叶轮采用不带口环结构的半开式结构，可以及时启动，并且不会产生锈蚀、卡死现象。该稳压离心泵随流量的增加，压力基本保持稳定，吸程可达7米以上，无需调压系统，其结构简单、体积小、制造成本低，能够满足车载消防泵的各项要求。
参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明稳压离心泵一种实施例的结构示意图。
图2和图3示出了本发明稳压离心泵一种实施例的叶轮的主视图和左视图。
图4示出了本发明稳压离心泵一种实施例的泵体的结构示意图。
图5为常规离心泵与稳压离心泵的特性曲线对比图
图6示出了本发明稳压离心泵一种实施例的叶轮的主视图。
图7示出了本发明稳压离心泵一种实施例的诱导轮的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明的基本思想是，采用半开式结构的叶片，确保稳压离心泵能够及时启动，避免发生锈蚀卡死的现象，满足车载消防的即启即用的需求；同时将稳压离心泵的叶片倾斜方向设计为与泵在使用时叶轮的旋转方向一致，当叶轮旋转时，在泵腔内形成旋流，达到稳压输出特性。另外，在入水口一侧，增加诱导轮，诱导轮与叶轮同轴转动，诱导轮令稳压离心泵的入水口处水流产生旋转动量，有效改善叶轮入口水流状况，破坏汽蚀发生的机理，使车载消防稳压泵在吸程7米的工况稳定运行。
下面结合附图，对根据本发明所提供的稳压离心泵进行详细描述。
如图1至图4所示，本发明提供的稳压离心泵的一种实施例中，稳压离心泵包括泵体1、叶轮2、主轴3和诱导轮4，所述叶轮2套设在所述主轴3上、且位于所述泵体1内，所述诱导轮4与所述主轴3同轴线设置、位于所述泵体1的入口内；其中，所述叶轮2包括叶轮主体21、n个主叶片22和m个背叶片23，n、m均为大于等于2的正整数，n个所述主叶片22均匀分布在所述叶轮主体21的第一侧，m个所述背叶片23均匀分布在所述叶轮主体21的第二侧。由于叶轮主体21呈圆盘状结构，n个主叶片22和m个背叶片23均由叶轮主体21的中心呈发散状分布在其表面。主叶片数量n、和背叶片数量m可通常设置为6～16。
具体地，主叶片22为弯折结构，包括主体部221和弯折部222，所述弯折部222的弯折方向与所述叶轮2使用时的旋转方向一致，所述弯折部222的端部与所述叶轮主体21的边缘对齐设置。背叶片23为直条状或者直板状结构。
与常规的离心泵不同的是，常规离心泵的叶片旋转、扭曲或倾斜方向与其在使用中的旋转方向相反，而本发明的稳压离心泵中，弯折部222的弯折方向与所述叶轮2使用时的旋转方向一致，叶轮旋转时，在泵腔内产生螺旋流，达到稳压输出的特性。稳压泵随着流量增加，压力基本保持稳定。
图5为常规离心泵和本发明的稳压离心泵的特性曲线对比示意图。曲线L1为本发明的稳压离心泵的特性曲线，曲线L2为常规离心泵的特性曲线，由曲线L1与曲线L2的对比可知，常规离心泵随着流量的增加，其压力明显降低，变化幅度达到50％以上；而本发明的稳压离心泵随着流量变化，其扬程(压力)基本保持稳定，变化幅度在5％以内。
本发明的稳压离心泵，具有稳压输出的特征，同时增加诱导轮4，诱导轮4套设在主轴3上且与主轴3同轴线设置，与叶轮2同轴转动，诱导轮在泵体1入口处，诱导轮4令稳压离心泵入水口处水流产生旋转动量，改善叶轮2入口水流状况，破坏汽蚀发生的机理，令稳压离心泵吸程提高。
根据本发明的稳压离心泵，其叶轮2的外径D按照下述公式计算：
式中，D-叶轮外径，单位为m；K-速度系数，无量纲；H-稳压离心泵的扬程，单位为m；g-重力加速度，单位为m/s2；n-叶轮转速，单位为r/min。依据流场模拟计算结果和实际泵在使用中的测试数据，发明人经过多次试验验证，在低转速时，速度系数K的取值为15～16较为合理。
以12/60泵型为例，其设计扬程为130m，流量为60L/s，转速为2400r/min，按照传统的计算方式，叶轮外径的理论计算值应为368mm；根据流畅模拟计算结果和实际使用的测试数据，叶轮外径D取值为320mm，与理论计算值相差较大。而按照本发明的上述公式及参数计算的叶片2的外径D取值应该为315.5mm～336.5mm，更加接近根据测试数据的到的叶轮外径。由于叶轮外径D对于泵体的设计以及泵型的设计和使用效果等具有较大影响，而通过上述对比可知，传统的计算方式与实际值相差较大，不适用于本发明的稳压离心泵中的叶片2的结构；通过充分查阅资料，发现此种叶片的结构设计并没有相关的公开文献可参考。
叶轮2的外径D减小，不仅仅对于稳压离心泵的参数和使用效果有影响，而且有利于稳压离心泵的体积减小、重量减轻，经大量实验表明，速度系数K为15～16时，在满足叶轮外径减小的情况下，不影响稳压离心泵的整体性能。
稳压离心泵的另一个核心参数为压水室喉部直径d，在本发明中，该参数按照下述公式计算：
式中，d-压水室喉部直径，单位为m；A-直径系数，无量纲；Q-流量，单位为m3/h；u-叶轮出口的圆周速度，单位为m/s。同样地，依据流场模拟计算结果和实际泵在使用中的测试数据，发明人经过大量的试验验证发现，在低转速时，直径系数A的取值为1.0～1.2较为合理。在实际设计中，直径系数A可以优选为1.1。
仍然以12/60泵型为例，其流量Q为60L/s，即216m3/h，叶轮2出口的圆周速度u根据叶轮2的外径D计算得出，依照传统的计算方式可以算得泵的射流口截面积的理论计算值为4247mm2，即压水室喉部直径d的传统理论值约为73.5mm；而在实际试验和测试中，射流口截面积取值3000mm2时，即压水室喉部直径d取值61.8mm，实际流量超过泵的额定流量60L/s、一直达到80L/s时，泵的扬程仍然能够保证在130m，直到实际流量值超过88L/s时，扬程才出现急剧下降的断流状态。由此可知，本发明的稳压离心泵的压水室喉部直径d的数值不宜通过传统的计算方式进行取值，其误差过大，对于泵的结构、参数及使用性能等均具有较大影响。
上述数据是在直径系数A取值约为1.1的情况下测得的，压水室喉部直径d为稳压离心泵的核心数据，目前并没有相关的公开文献确认此种泵中此数据及类似的计算和取值。
另一方面，压水室喉部直径d的减小，有利于稳压离心泵的体积减小，重量减轻。经大量试验表明，直径系数A取1.0～1.2时，在满足压水室喉部直径d减小的情况下，稳压离心泵的截断流量仍达到要求范围。
常规离心泵为了调整满足压力的需求，采用扭曲叶片，其制造工艺极为复杂、而且对于尺寸的精度要求极高；在本发明的稳压离心泵中，主叶片22的结构采用折弯结构，不仅结构简单、加工方便，而且尺寸精度易保证。具体地，其弯折部222与所述主体部221的夹角为145°～160°。弯折部222的长度为所述主叶片22的长度的1/4～1/3。经大量实验表明，弯折部222采用上述长度和角度设计的稳压离心泵性能较好。
另外，根据实际使用需求的不同，本发明的稳压离心泵的叶片还可以是长短相间的设置。如图6所示，稳压离心泵的叶轮2还可以包括n个从叶片24，n个所述从叶片24均匀分布在所述叶片主体21的第一侧，且与n个所述主叶片22交替设置；n个所述从叶片24为折弯结构，包括第一主体部241和第一弯折部242，所述第一弯折部242的弯折方向与所述叶轮2使用时的旋转方向一致，所述第一弯折部242的端部与所述叶轮主体21的边缘对齐设置，且所述第一弯折部242的长度与所述弯折部222的长度相等。叶片倾斜角度与泵旋转方向一致，与常规离心泵方向相反,主叶片22和从叶片24交替设置。从叶片24与泵腔形成的侧向间隙、径向间隙较大，当叶轮旋转时，更易在泵腔内形成螺旋流，从而达到稳压输出特性。
需要指出的是，常规离心泵为了保证其效率，设计了口环结构，但是往往会造成泵锈蚀卡死现象，影响泵的正常使用。本发明的稳压离心泵不包括口环结构，从而可以有效确保稳压离心泵在使用时能够及时启动。
无口环结构的设计，使得叶轮2的轴向两端与泵体1的内腔之间形成一定的轴向间隙，通过大量试验表明，此轴向间隙的大小对于稳压离心泵的性能参数等影响并不大，稳压离心泵的效率仍能达到78％的最高效率。但轴向间隙过大，泵的体积会随之增加，制造成本增加。叶轮2的轴向两端与所述泵体的内壁之间的间隙设置为0～2mm，有利于减小泵的体积，降低稳压离心泵的加工制造成本。
叶轮2与泵体内腔的轴向间隙过小，也易发生锈蚀情况，同时考虑到加工难度，优选地，该轴向间隙设置为0.15mm～2mm。
轴向间隙越小，加工制造难度也会随之增加，加工成本随之增加。为进一步优化加工成本，将该轴向间隙优选设置为1mm～2mm，进一步降低制造难度，降低了制造成本。
诱导轮4设置在泵体1的入水口内，与叶轮2同轴、同方向、同转速转动，有效改善叶轮2入水口的水流情况，防止汽蚀产生，提高稳压离心泵的吸程。在诱导轮4的入口处通过滑动轴承对诱导轮4进行支撑，确保诱导轮4在使用过程中不会发生径向抖动；并通过锁片和锁母保证诱导轮不会发生轴向窜动，进一步确保其使用过程中的平稳转动。诱导轮4的增加，提升了叶轮2的入口处液体的压力，并且让液体在叶轮4的入口处产生旋转动量，破坏了叶轮2入口处的汽蚀产生条件，提高了本发明的稳压离心泵的吸上高度，可将稳压泵吸上能力从1.5米～3米提升至7米以上，满足了车载消防泵的使用需求。
优选地，如图7所示，诱导轮4包括空心轮轴41和多个螺旋叶片42，所述空心轮轴的第一端411为圆柱结构、第二端412为圆台结构，所述多个螺旋叶片42均匀分布在所述空心轮轴的第二端412外表面；所述螺旋叶片42为右旋结构，所述螺旋叶片42的法向厚度为2mm。螺旋叶片42的导程为136.7mm，其进口包角为158°，从所述螺旋叶片42的进口边叶尖到出口边叶片包角为355.56°。
本发明提供的稳压离心泵，体积小、制造成本低，随流量增加压力基本保持稳定，吸程可达到7米以上，不易锈蚀，满足车载消防泵的特殊要求。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种稳压离心泵，其特征在于，所述稳压离心泵包括泵体(1)、叶轮(2)、主轴(3)和诱导轮(4)，所述叶轮(2)套设在所述主轴(3)上、且位于所述泵体(1)内，所述诱导轮(4)与所述主轴(3)同轴线设置、位于所述泵体(1)的入口内；
其中，所述叶轮(2)包括叶轮主体(21)、n个主叶片(22)和m个背叶片(23)，n、m均为大于等于2的正整数，n个所述主叶片(22)均匀分布在所述叶轮主体(21)的第一侧，m个所述背叶片(23)均匀分布在所述叶轮主体(21)的第二侧；
所述主叶片(22)为弯折结构，包括主体部(221)和弯折部(222)，所述弯折部(222)的弯折方向与所述叶轮(2)使用时的旋转方向一致，所述弯折部(222)的端部与所述叶轮主体(21)的边缘对齐设置。
2.如权利要求1所述的稳压离心泵，其特征在于，所述叶轮(2)的外径D按照下述公式计算：
<mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mi>K</mi> <mfrac> <msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msqrt> <mi>n</mi> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
式中，D-叶轮外径，单位为m；
K-速度系数，无量纲，取值为15～16；
H-稳压离心泵的扬程，单位为m；
g-重力加速度，单位为m/s2；
n-叶轮转速，单位为r/min。
3.如权利要求1或2所述的稳压离心泵，其特征在于，所述稳压离心泵的压水室喉部直径d按照下述公式计算：
<mrow> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <msqrt> <mfrac> <mi>Q</mi> <mrow> <mn>3600</mn> <mi>u</mi> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>
式中，d-压水室喉部直径，单位为m；
A-直径系数，无量纲，取值为1.0～1.2；
Q-流量，单位为m3/h；
u-叶轮出口的圆周速度，单位为m/s。
4.如权利要求1所述的稳压离心泵，其特征在于，所述弯折部(222)与所述主体部(221)的夹角为145°～160°。
5.如权利要求1所述的稳压离心泵，其特征在于，所述弯折部(222)的长度为所述主叶片(22)的长度的1/4～1/3。
6.如权利要求1所述的稳压离心泵，其特征在于，所述叶轮(2)还包括n个从叶片(24)，n个所述从叶片(24)均匀分布在所述叶片主体(21)的第一侧，且与n个所述主叶片(22)交替设置；
n个所述从叶片(24)为折弯结构，包括第一主体部(241)和第一弯折部(242)，所述第一弯折部(242)的弯折方向与所述叶轮(2)使用时的旋转方向一致，所述第一弯折部(242)的端部与所述叶轮主体(21)的边缘对齐设置，且所述第一弯折部(242)的长度与所述弯折部(222)的长度相等，所述第一主体部(241)的长度小于所述主体部(221)的长度。
7.如权利要求1所述的稳压离心泵，其特征在于，所述稳压离心泵不包括口环结构。
8.如权利要求1所述的稳压离心泵，其特征在于，所述叶轮(2)的轴向两端与所述泵体(1)的内壁之间的间隙为0～2mm。
9.如权利要求1所述的稳压离心泵，其特征在于，所述诱导轮(4)包括空心轮轴(41)和多个螺旋叶片(42)，所述空心轮轴的第一端(411)为圆柱结构、第二端(412)为圆台结构，所述多个螺旋叶片(42)均匀分布在所述空心轮轴的第二端(412)外表面；所述螺旋叶片(42)为右旋结构，所述螺旋叶片(42)的法向厚度为2mm。
10.如权利要求9所述的稳压离心泵，其特征在于，所述螺旋叶片(42)的导程为136.7mm，其进口包角为158°，从所述螺旋叶片(42)的进口边叶尖到出口边叶片包角为355.56°。
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