CN108331784B - 离心泵开式叶轮结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离心泵开式叶轮结构。叶轮包括叶片板、叶片和叶片边缘的凹槽结构，叶片板呈盘状，叶片沿圆周布置固定在叶片板端面上，每个叶片沿叶片板径向布置，每个叶片在位于沿叶片板周向的同一侧固定设有凹槽结构，凹槽结构与叶片平行，凹槽结构紧贴固定于叶片的侧面；在相邻叶片之间的叶片板上开有一个平衡孔，本发明能增加间隙流动阻力，减小间隙泄漏量，同时改变局部流动结构和泄漏流方向，不让液流直接冲向下一个流道，减小泄漏流对叶轮流道主流流动的冲击。

Description

离心泵开式叶轮结构
技术领域
本发明涉及了一种泵叶轮，具体涉及了一种离心泵开式叶轮结构。
背景技术
开式叶轮离心泵由于具有输送介质流量小、扬程高的特点而被广泛运用。但是高速离心泵开式叶轮存在叶顶间隙泄漏流和轴向力问题。这两个问题对泵的影响较大，尤其是转速越高，影响越显著。
现有技术中，以往开式叶轮的设计方法大都采用闭式叶轮的设计方法，由于开式叶轮和闭式叶轮结构存在很大的区别，流体的流动方式也存在很大的区别，按照此方法设计出来的开式叶轮无法满足要求。
发明内容
为克服已有技术中叶顶间隙泄漏流、轴向力平衡等不足，本发明提供了一种离心泵开式叶轮结构，能增加流动阻力，降低叶顶间隙处的泄漏流，同时能够提供支撑，增加刚度。
本发明采用如下技术方案：
本发明的叶轮布置在前盖板和后盖板之间，叶轮包括叶片板、叶片和叶片边缘的凹槽结构，叶片板呈盘状，叶片沿圆周布置固定在叶片板端面上，每个叶片沿叶片板径向布置，每个叶片在位于沿叶片板周向的同一侧固定设有凹槽结构，凹槽结构与叶片平行，凹槽结构紧贴固定于叶片的侧面。
所述的叶片板上开有平衡孔，相邻叶片之间的叶片板上开有一个平衡孔，平衡孔包括大孔和小孔，大孔和小孔沿叶片板周向交替布置。
所述的叶片和前盖板之间形成前泵腔，在前泵腔内凹槽结构和前盖板之间形成叶顶间隙流。
所述的凹槽结构长度与叶片靠近前盖板一侧的边沿径向长度相等，并沿叶轮圆周方向均匀排列。
所述的叶片沿圆周间隔均匀地固定在叶片板端面上。
所述的凹槽结构随离心泵泵轴做旋转运动，增加间隙流动阻力，减小间隙泄漏量，同时改变了叶片和前盖板之间的局部流动结构和泄漏流方向，使得液流不直接冲向下一个叶片流道，减少了流体流动对叶片的冲击。
通过所述凹槽结构使得离心泵工作时后盖板内侧面所受的轴向力F2增大，平衡掉部分后盖板外侧面所受的轴向力F1。
通过所述凹槽结构和叶片随离心泵的泵轴做旋转运动，当流体经过凹槽结构时，增加了流体流动阻力增加，从而减小了叶顶间隙流处的泄漏量。
本发明的有益效果是：
本发明结构简单，易于加工，克服了传统开式叶轮采用闭式叶轮的设计方法的不足。
本发明增设了凹槽结构，增加了叶片在后盖板上的投影面积，由于压力是和投影面积成正比，投影面积增加意味着压力的增大，也就是后盖板内侧轴向力增大，可以部分平衡掉后盖板外侧的轴向力。
本发明中，当流体经过凹槽结构时，由于凹槽结构与流体之间有相对运动，凹槽结构会受到流体的阻力，流动阻力的增加使得能量更多以阻力的形式消耗，从而减小了叶顶间隙流处的泄漏量。
本发明凹槽结构能改变局部流动结构和泄漏流方向，不让液流直接冲向下一个流道，从而较小了流体流动对叶片的冲击。
附图说明
图1是实施例的叶轮三维结构图；
图2是离心泵受力示意图；
图3是叶轮轴向力示意图；
图4是叶片某一位置剖视图。
其中：1、叶片板；2、叶片；3、凹槽结构；4、前盖板；5、叶顶间隙流；6、后泵腔；7、前泵腔，8、平衡孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
如图2所示，叶轮布置在前盖板4和后盖板之间。如图1所示，叶轮包括叶片板1、叶片2和叶片2边缘的凹槽结构3，叶片板1呈盘状，叶片2沿圆周间隔均匀地布置固定在叶片板1端面上，每个叶片2沿叶片板1径向布置，每个叶片2在位于沿叶片板1周向的同一侧固定设有凹槽结构3，凹槽结构3与叶片2平行(即与沿叶片板1径向平行)，凹槽结构3紧贴固定于叶片2的侧面。凹槽结构3长度与叶片2靠近前盖板4一侧的边沿径向长度相等，并沿叶轮圆周方向均匀排列。
叶轮的轴心位置设置有轴套，轴套固定在泵轴上，其中叶片前缘凹槽结构与叶片是一体化设计的，凹槽结构只设置在叶片其中的一侧，各个叶片的凹槽结构布置在同一侧，凹槽结构与叶片的长度相等，高度与叶片前缘平齐，凹槽结构数量与叶片数相等。
如图1所示，叶片板1上开有平衡孔8，相邻叶片2之间的叶片板1上开有一个平衡孔8，平衡孔8包括大孔和小孔，大孔和小孔沿叶片板1周向交替布置，即沿周向顺序的第一个叶片2和第二个叶片2之间的叶片板1上开有一个大孔的平衡孔8，然后沿周向顺序的第二个叶片2和第三个叶片2之间的叶片板1上开有一个小孔的平衡孔8。叶片板的两种不同尺寸的孔，布置大孔的叶片板处主要用于平衡轴向力，布置小孔的叶片板处可以支撑叶片，加强叶轮刚度。
本发明具体实施原理如下：
如图2所示，原有离心泵的结构中，叶片板1和后盖板之间形成后泵腔6，叶片2和前盖板4之间形成前泵腔7，在前泵腔7内凹槽结构3和前盖板4之间形成叶顶间隙流5。
在离心泵中，液体在低压强P1下从进口进入叶轮，而在高压强P2下流出叶轮到出口，P1表示叶轮进口压强，P2表示叶轮出口压强。离心泵的出口压力大于进口压力，而且有叶片板1无前盖板的叶轮结构导致叶轮前后不对称，使得叶轮轴向两端受力，且所受的液体压力不相等，而产生轴向推力。
如图2所示，叶轮出口侧产生而施加到叶片板外侧面的压强为叶轮入口侧产生而施加到叶片板内侧面的压强为/>压差为/>由于P2>P1，所以△P是正值，因此离心泵运转时这个压差就形成了轴向力，具体为一个沿叶轮轴向并由出口指向入口的力。式中，Pr—叶片板外侧面所受的轴向压强，Pl—叶片板内侧面所受的轴向压强，P1—叶轮进口压强，P2—叶轮出口压强，R2—叶轮出口半径，Rm—叶轮进口半径，△P—叶轮两侧压差。
受离心泵的出口压力大于进口压力的影响，离心泵运转时这个压差就在使得叶轮/叶片板两端形成了轴向力，如图3(b)所示，两个轴向力合力为一个沿叶轮轴向并由出口指向入口的力，本发明通过凹槽结构的设置平衡了两轴向力，使得合力减弱。
如图3所示，叶片板1外侧面所受的轴向力(即叶轮出口侧产生的压力)采用以下公式计算，叶片板1外侧面为叶片板1未设置叶片的一面：
式中，F1—后盖板外侧面所受的轴向力，P2—叶轮出口压强，R2—叶轮出口半径，Rh—叶轮轮毂半径，Ra—平衡孔的大孔半径，Rb—平衡孔的小孔半径，z1—叶片板上平衡孔的大孔数量，z2—叶片板上平衡孔的小孔数量，ρ—流体的密度，g—重力加速度，Hp—叶轮出口势扬程，H1—叶轮单级扬程，u2—叶轮出口的圆周速度，ω—叶轮旋转角速度。其中部分尺寸如图3(a)所示。
叶片板1内侧面所受的轴向力(即叶轮入口侧产生的压力)采用以下公式计算，叶片板1内侧面为叶片板1设置有叶片的一面：
式中，F2—叶片板内侧面所受的轴向力，Rm—叶轮进口半径，b—凹槽结构宽度，θ—叶片倾斜角度。
设置凹槽结构3后，增加了叶片2在叶片板1上的投影面积，由于压力是和投影面积成正比，投影面积增加意味着压力的增大，使得离心泵工作时叶片板1内侧面所受的轴向力F2增大，平衡掉部分叶片板1外侧面所受的轴向力F1。虽然无法完全平衡掉叶片板1外侧的轴向力，但能够平衡掉的范围是70％-85％，即F2＝(70％～85％)F1。
另外，在原有离心泵结构中，前泵腔7内凹槽结构3和前盖板4之间的叶顶间隙流5处，如图4(a)所示，没有凹槽结构的设置使得经过叶片的液流直接冲向下一个叶片2。
而本发明增设凹槽结构3后，凹槽结构3和叶片2随离心泵的泵轴做旋转运动，当流体经过凹槽结构3时，由于凹槽结构3与流体之间有相对运动，凹槽结构3会对流体产生的新阻力，新阻力方向和凹槽结构3相对于流体的速度方向相反，其大小增加了流体流动阻力，如图4(b)所示，改变了叶片2和前盖板4之间的局部流动结构和泄漏流方向，使得液流不直接冲向下一个叶片2，使得流体能量更多以阻力的形式消耗，从而减小了叶顶间隙流5处的泄漏量，减少了流体流动对叶片2的冲击。
新阻力计算公式中：FD—流动阻力，CD—无量纲流动阻力系数，ρ—流体的密度，V—流体来流速度，A—凹槽结构的有效横截面积，凹槽结构(3)在叶片板(1)上的投影面积。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种离心泵开式叶轮结构，叶轮布置在前盖板（4）和后盖板之间，其特征在于：叶轮包括叶片板（1）、叶片（2）和叶片（2）边缘的凹槽结构（3），叶片板（1）呈盘状，叶片（2）沿圆周布置固定在叶片板（1）端面上，每个叶片（2）沿叶片板（1）径向布置，每个叶片（2）在位于沿叶片板（1）周向的同一侧固定设有凹槽结构（3），凹槽结构（3）与叶片（2）平行，凹槽结构（3）紧贴固定于叶片（2）的侧面；
所述的叶片（2）和前盖板（4）之间形成前泵腔（7），在前泵腔（7）内凹槽结构（3）和前盖板（4）之间形成叶顶间隙流（5）；
所述的凹槽结构（3）长度与叶片（2）靠近前盖板（4）一侧的边沿径向长度相等，并沿叶轮圆周方向均匀排列。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵开式叶轮结构，其特征在于：所述的叶片板（1）上开有平衡孔（8），相邻叶片（2）之间的叶片板（1）上开有一个平衡孔（8），平衡孔（8）包括大孔和小孔，大孔和小孔沿叶片板（1）周向交替布置。
3.根据权利要求1所述的一种离心泵开式叶轮结构，其特征在于：
所述的叶片（2）沿圆周间隔均匀地固定在叶片板（1）端面上。
4.根据权利要求1所述的一种离心泵开式叶轮结构，其特征在于：
所述的凹槽结构（3）随离心泵泵轴做旋转运动，增加间隙流动阻力，减小间隙泄漏量，改变了叶片（2）和前盖板（4）之间的局部流动结构和泄漏流方向，使得液流不直接冲向下一个叶片（2）流道，减少了流体流动对叶片（2）的冲击。
5.根据权利要求1所述的一种离心泵开式叶轮结构，其特征在于：
通过所述凹槽结构（3）使得离心泵工作时叶片板（1）内侧面所受的轴向力增大，平衡掉部分叶片板（1）外侧面所受的轴向力。
6.根据权利要求1所述的一种离心泵开式叶轮结构，其特征在于：
通过所述凹槽结构（3）和叶片（2）随离心泵的泵轴做旋转运动，当流体经过凹槽结构（3）时，增加了流体流动阻力增加，从而减小了叶顶间隙流（5）处的泄漏量。
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