CN107433148B - 可修整的叶轮装置和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种可修整的叶轮装置和系统。叶轮包括毂和多个叶片。每个叶片从毂延伸出去。叶轮具有由多个叶片的相应的尖端限定的原始直径。每个叶片包括中心轴线、前缘、后缘、原始轮廓以及多个修整轮廓。原始轮廓具有外部部分和后部部分。外部部分与中心轴线具有大约40°至大约90°的范围内的角度，后部部分与中心轴线具有大约10°至大约50°的范围内的角度。多个修整轮廓中的第一选择修整轮廓沿着平行于外部部分的第一线和平行于后部部分的第二线延伸。

Description

可修整的叶轮装置和系统

技术领域

本公开总体上涉及一种叶轮。更具体地，本公开与被配置成修整到多个不同直径的基本叶轮有关。

背景技术

通常已知的是，叶轮用于保持流体混合和/或微粒悬浮(当存储在容器中时)。典型地，叶轮相对靠近容器的底部放置，以帮助混合以及当容器变空时允许混合。基于多种因素，可能有利的是，叶轮在一定的尺寸范围内是可使用的。可影响叶轮的直径的因素的示例可包括例如：待混合的流体的体积；混合容器的形状；容器中的开口的尺寸；使叶轮旋转的马达的速度和/或扭矩额定值；待混合的流体的粘度；待混合的流体的微粒尺寸和/或总量等。然而，由于与生成模具或模子相关联的成本和/或与维持处于各种直径的叶轮的存货相关联的成本，生产处于一定直径范围内的叶轮，可能没有成本效益。因此，期望的是，提供一种至少在某种程度上能够克服本文描述的缺点的叶轮。

发明内容

通过本公开的实施例，至少在某种程度上满足上述需求，其中，在一方面，提供一种能够被修整到不同直径的叶轮。

实施例涉及一种包括毂和多个叶片的叶轮。每个叶片从毂延伸出去。叶轮具有由多个叶片的相应的尖端限定的原始直径。每个叶片包括中心轴线、前缘、后缘、原始轮廓以及多个修整轮廓。原始轮廓具有外部部分和后部部分。外部部分与中心轴线具有大约40°至大约90°的范围内的角度，后部部分与中心轴线具有大约10°至大约50°的范围内的角度。多个修整轮廓中的第一选择修整轮廓沿着平行于外部部分的第一线和平行于后部部分的第二线延伸。

另一实施例与一种包括轴和叶轮的叶轮组件有关。轴具有第一端和第二端。第一端被配置成由马达旋转。叶轮设置在第二端，叶轮包括附接到轴的第二端的毂和多个叶片。每个叶片从毂延伸出去。叶轮具有由多个叶片的相应的尖端限定的原始直径。每个叶片包括中心轴线、前缘、后缘、原始轮廓以及多个修整轮廓。原始轮廓具有外部部分和后部部分。外部部分与中心轴线具有大约40°至大约90°的范围内的角度，后部部分与中心轴线具有大约10°至大约50°的范围内的角度。多个修整轮廓中的第一选择修整轮廓沿着平行于外部部分的第一线和平行于后部部分的第二线延伸。

另一实施例涉及一种包括容器、马达和叶轮组件的混合系统。叶轮组件包括叶轮和轴，轴具有第一端和第二端。马达被配置成使第一端旋转。叶轮设置在第二端。叶轮包括附接到轴的第二端的毂和多个叶片。每个叶片从毂延伸出去。叶轮具有由多个叶片的相应的尖端限定的原始直径。每个叶片包括中心轴线、前缘、后缘、原始轮廓以及多个修整轮廓。原始轮廓具有外部部分和后部部分。外部部分与中心轴线具有大约40°至大约90°的范围内的角度，后部部分与中心轴线具有大约10°至大约50°的范围内的角度。多个修整轮廓中的第一选择修整轮廓沿着平行于外部部分的第一线和平行于后部部分的第二线延伸。

因此，已经相当宽泛地概述了本公开的某些实施例，使得可更好地理解本文的详细描述以及使得可更好地领会本技术贡献。当然，存在额外的实施例，这些额外的实施例将在下面描述且将形成所附的权利要求的主旨。

在这个方面，在详细解释至少一个实施例之前，将理解的是，本公开在其应用时不限于在下面的描述中阐述的或在附图中示出的构造的细节和部件的布置。公开的装置和方法能够是除了描述的实施例之外的实施例且能够以各种方式实践和执行。此外，将理解的是，本文以及摘要使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应该被认为是限制。

同样，本领域技术人员将领会到，本公开所依据的构思可容易地用作设计用于执行各个实施例的数个目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，在不脱离各个实施例的精神和范围的情况下，权利要求被认为是包括这样的等同构造。

附图说明

图1是与适合用于实施例的容器一起使用的叶轮系统的剖视透视图。

图2是叶轮的叶片的俯视图，其示出了根据实施例的修整轮廓。

图3是根据实施例的处于100％直径的叶轮的透视图。

图4是根据实施例的处于100％直径的叶片的俯视图。

图5是根据实施例的处于90％直径的叶轮的透视图。

图6是根据实施例的处于90％直径的叶片的俯视图。

图7是根据实施例的处于80％直径的叶轮的透视图。

图8是根据实施例的处于80％直径的叶片的俯视图。

图9是示出功率数的改变与不同叶轮的直径改变的关系的图。

图10是示出流量数的改变与不同叶轮的直径改变的关系的图。

图11是使用根据实施例的处于100％直径的叶轮的容器内的流动的视图。

图12是使用根据实施例的处于80％直径的叶轮的容器内的流动的视图。

图13是根据实施例的处于100％直径的叶片的流动性能特性的视图。

图14是根据实施例的处于80％直径的叶片的流动性能特性的视图。

图15是示出处于100％直径的叶轮所用的不同的毂弦角处的流动性能特性的视图。

图16是示出处于80％直径的叶轮所用的不同的毂弦角处的流动性能特性的视图。

图17是示出根据实施例的具有流动加速器和不具有流动加速器的流动性能特性的视图。

图18是叶轮的侧视图，其示出了根据实施例的尖端弦角、毂弦角和扭曲。

具体实施方式

本文描述的叶轮的各个方面适合用于混合设备，尤其用于容纳在容器中的液体、液态的固体悬浮物以及气体的混合的设备。更具体地，本文描述的叶轮的一些方面适合用于针对化学处理的混合设备，可能适合用于针对固体悬浮物和乳化剂的混合器、通风装置以及其他混合操作中。

现在，将参照绘制的图描述实施例，在图中，相同的附图标记始终指示相同的部件。图1是与适合用于实施例的容器12一起使用的叶轮系统10的剖视透视图。如图1所示，叶轮系统10包括叶轮组件14。叶轮组件14包括叶轮16和轴18。叶轮系统10进一步包括齿轮箱20和马达22。容器12包括任何合适的容器或器皿，例如诸如桶、罐、槽、管等。

一般来说，马达22被配置成使轴18旋转。轴18被配置成穿过容器12的盖26中的口24向下插入。轴18的旋转促使叶轮组件14旋转。更具体地，促使叶轮16旋转。如图1所示，叶轮16包括安装到毂32的多个叶片30。在一些示例中，叶轮16可包括三个叶片30，在其他示例中，叶轮16可包括两个、四个或更多个叶片30。

在一些方面，叶片30可包括双刨光的弧形的桨叶轮廓34，以在整个混合容器中以高的效率提供大致轴向的流动(最大化Q/P，其中Q是以加仑/分钟表示的轴向流动，P是以马力表示的能量)。叶片30的桨叶轮廓34可通过上蒙皮和下蒙皮形成，上蒙皮和下蒙皮可沿着叶片30的长度从每个叶片30的根部36到每个叶片30的尖端38扭曲和改变厚度。

在图1中，流体填充容器12，到由波浪线42示出的液面。容器12可装备有从容器12的壁径向地延伸的一个或多个叶片或挡板44。流动的主要方向是轴向，即，沿着作为叶轮16的旋转轴线的轴18的轴线的方向。沿着矢量的方向向下泵送流动，矢量以其长度指示流动的速度大小，以其方向指示流动的方向。循环46示出了容器12中的全部流的方向，循环46通过叶轮16沿着泵送方向轴向向下然后沿着容器12的壁轴向向上。向上的流动稍微被挡板44限制。由于叶轮16的作用，获得流动的主要轴向分量。在图1中示出的叶轮系统10中，容器12的直径T是叶轮16的直径D的大约3倍。叶轮16的直径D被限定为由叶片30的相应的尖端38的外边缘包围的圆的直径。这是D/T之比。对于诸如叶轮系统10的混合装置，1/3的比值是典型的。使用的比值基本上不会影响流态，其原因是叶轮沿着大致轴向的方向泵送流体。示出了向下泵送，其原因是在固体悬浮物混合装置中，向下泵送是典型的。可通过使叶轮16倒置并使叶轮16沿着相反的方向旋转，获得向上泵送。在这种情况下，叶轮16会更靠近容器12的底部放置。

图2是叶轮16的叶片30的俯视图，其示出了根据实施例的原始轮廓132和多个修整轮廓134-136。叶片30的优点是，叶片30通过单个初始叶片几何结构跨越宽范围的直径。另一优点是，对于使用该二次切割方法的20％的直径减小，叶片30显示叶轮16的功率数(Np)的小于5％的增加。另一优点是，对于20％的直径减小，叶片30显示流量数(Nq)的小于10％的损失。另一优点是，修整轮廓134-136平行于原始轮廓132，以简单化。另一优点是，叶片30胜过用于传统叶轮的单次切割修整方法。

如图2所示，叶片30包括中心轴线140和垂直于中心轴线140行进的弦142。另外，叶片30包括流动加速器144、尖端38、毂32、前缘150、后缘152，以及在原始轮廓132和每个修整轮廓134-136处，叶片30包括相应的半径r和直径D(在图1中示出)。为了生成修整轮廓134-136中的每一个，第一次切割154平行于原始轮廓132的原始轮廓132_外部生成，第二次切割156平行于原始轮廓132的原始轮廓132_后部生成且在从前缘150起的弦长C处与第一次切割154相交。弦长C可由任何合适的等式限定。在示例中，合适的等式可包括下述等式：

C＝-0.02×D²+0.8×D-6.2 等式1

其中，D是叶轮16的直径。就这一点而言，虽然修整轮廓134-136可表示分别处于叶轮16的原始直径的90％和80％的预定的一组线，但是可基于等式1计算其他修整轮廓。例如，叶轮16可通过如下操作来修整，即，平行于原始轮廓132_外部以直径D的85％第一次切割每个叶片30，然后切割平行于原始轮廓132_后部的线，同时在从前缘150起的距离C处与第一切割线相交。按照这种方式，叶轮16可自定义尺寸。值得注意的，原始轮廓132也由等式1限定。

在图2中示出的特定示例中，原始轮廓132_外部与轴线140成大约85°±10°，原始轮廓132_后部与轴线140成大约30°±10°。然而，在其他示例中，原始轮廓132_外部可与轴线140成大约60°至大约90°的范围内的角度，原始轮廓132_后部可与轴线140成大约20°至大约45°的范围内的角度。另外，前缘150和后缘152与轴线140以大约3°±10°分叉，以在处于完整尺寸的叶片30的轮廓中生成外倾部(flare)。后缘152的该外倾部响应于修整而被去除或减小。

图3-8是根据实施例的处于不同直径的叶轮的交替的透视图和俯视图。在图3和图4中，叶轮16被示出为处于完整尺寸或100％直径。值得注意的，流动加速器144在图3中是特别明显的。在操作时，当叶轮16旋转时，与叶轮30的更靠近毂32的部分相比，尖端38运动穿过周围的流体所用的速度相对更大。在所有其他因素相等的情况下，更快的尖端速度会导致流体推力的不成比例的部分在尖端38处或靠近尖端38生成。如本文示出的，流动加速器144被配置成便于沿着叶片30的长度均衡流体推力。例如，流动加速器144从后缘152以与叶片30的毂弦角相同的角度或比叶片30的毂弦角相对更陡峭的角度延伸。例如，如果毂弦角是30°，则流动加速器144可从后缘152以相对于水平面在大约30°到大约60°之间的角度延伸，导致流体以比弦142(在图2中示出)的弦角相对更陡峭的角度脱离叶片30的该部分。尖端弦角(TCA)、毂弦角(HCA)、加速器弦角(ACA)的更详细的公开在图18中示出并在本文中参照图18描述。另外，流动加速器144可成锥形，使得与远离毂32的弦长相比，流动加速器144在邻近毂32处具有相对更大的弦长。

在图5和图6中，叶轮16被示出为处于90％直径。如图5和图6所示，与图3和图4中示出的原始轮廓132_后部相比，修整轮廓134的后缘138_后部相对更长，且在被示出为处于90％直径的叶轮16中，后缘152已经减小。如图7和图8所示，该趋势继续，在图7和图8中，处于80％直径的叶轮16的后缘152已经基本上被去除。

图9和图10是分别示出功率数的改变和流量数的改变与不同叶轮的直径改变的关系的图。给定的叶轮具有独特的功率数，该功率数将由叶轮获取的功率与叶轮旋转速度和叶轮扫掠直径相关联。同样，给定的叶轮具有独特的流量数，该流量数将由叶轮泵送的流体的量与叶轮旋转速度和叶轮扫掠直径相关联。对于叶轮，只要叶片形状保持相同，这些值就保持恒定。对于传统叶轮，功率数和流量数不会在可接受的范围内保持恒定，其原因是叶轮的叶片被修剪以改变其直径。处于各种修剪直径的传统叶轮的不可接受的功率数和流量数的示例在图9和图10中示出。按照约定，图9和图10示出了在这种情况下，叶轮16由于被修剪而具有保持在初始值的5.5％内的功率数，以及叶轮16由于被修剪而具有保持在初始值的10％内的流量数。

图11和图12是使用根据实施例的处于100％和80％直径的叶轮16的容器内的流动的视图。通过比较图11和图12，可以看到，虽然存在速度的小的减小，但是维持总的流态，处于100％和80％直径的叶轮具有最小的流动体积。

图13和图14是根据实施例的处于100％和80％直径的叶片30的流动性能特性的视图。通过比较图11和图12，可以看到，流速较高且沿着处于100％和80％直径的叶片30的大部分长度是相对均匀的。即，处于100％和80％直径的叶片30沿着其长度相对均匀地生成流速。流速的这种均匀生成改善了容器中的流动特性并减小流体剪切力。

图15和图16是示出处于100％和80％直径的叶轮16所用的不同的毂弦角处的流动性能特性的视图。如图15和图16所示，在24°至45°的毂弦角的范围内，由处于100％和80％直径的叶轮16生成的流动保持在轴向。即，流动基本上与叶轮16的中心轴线一致。

图17是示出根据实施例的具有流动加速器和不具有流动加速器的流动性能特性的视图。如图17所示，流动加速器144使流动增加4％并且使功率输入的增加小于1％。

图18是叶轮16的侧视图，其示出了根据实施例的尖端弦角、毂弦角和扭曲。如图18所示，TCA是尖端38处的弦角的测量值，HCA是毂36处的弦角的测量值，扭曲是HCA和TCA之间的差。另外，加速器弦角(ACA)是流动加速器144的弦角的测量值。HCA、TCA和ACA中的每个从叶轮16的水平面50测量。叶轮平面或水平面50由通过相应的尖端38围绕毂32旋转而形成的圆限定。

各个实施例的许多特征和优点从详细描述中显而易见，因此，意在由所附的权利要求涵盖落入实施例的真实精神和范围内的所有这样的特征和优点。进一步地，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和改变，因此不期望将实施例限制到示出的和描述的精确构造和操作，因此，可采取所有合适的修改和等同，从而落入各个实施例的范围内。

Claims (5)

1.一种修整叶轮的方法，包括以下步骤：

提供叶轮，所述叶轮包括：

毂；以及

多个叶片，每个叶片从所述毂延伸出去，所述叶轮具有由所述多个叶片的相应的尖端限定的原始直径，其中每个叶片包括：

中心轴线；

前缘；

后缘；以及

第一轮廓，具有外部部分和后部部分，所述外部部分与所述中心轴线具有40°至90°的范围内的角度，所述后部部分与所述中心轴线具有10°至50°的范围内的角度；以及

将所述叶轮修整成第二叶轮，包括以下步骤：

沿着与所述外部部分平行的相应的第一线对每个叶片进行切割；

沿着与所述后部部分平行的相应的第二线对每个叶片进行切割；

在从所述前缘起的一定弦长处使所述第一线和所述第二线相交，其中所述弦长由下述等式限定：

C＝-0.02×D²+0.8×D-6.2 等式1

其中C是弦长，D是由所述多个叶片的相应的尖端限定的叶轮直径，所述多个叶片的相应的尖端通过相应的第一次切割生成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述外部部分与所述中心轴线具有75°至90°的角度，所述后部部分与所述中心轴线具有30°±10°的角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述叶轮进一步包括相应的流动加速器，所述流动加速器设置在每个叶片上并从所述后缘的邻近所述毂的部分延伸。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述流动加速器从相应的后缘以如下的角度延伸，所述角度的范围处于与所述叶片的毂弦角相同的角度到与所述叶片的毂弦角相比相对于水平线相对更陡峭的角度之间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述流动加速器从相应的后缘以与所述叶片的毂弦角相比相对于水平线相对更陡峭的角度延伸。

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