CN108350907B - 低气蚀叶轮以及泵 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于离心泵的低气蚀叶轮。所述叶轮提供从导流器部段直至出口部段的平滑的流动路径。连续的主叶片从入口孔处的前缘延伸至叶轮出口处的后缘，并且连续的副叶片从过渡区域中的前缘延伸至叶轮出口处的后缘。

Description

低气蚀叶轮以及泵
发明背景
技术领域
本发明涉及一种用于离心泵的叶轮，特别是一种轴向和径向组合式叶轮，其减少了操作过程中的气蚀以及随后的损坏。
背景技术
利用叶轮叶片的离心泵在本领域是熟知的。有关离心泵和叶轮叶片的例子可以在美国专利8,998,582和89308869.0号欧洲专利申请中看到。
发明内容
在一个实施例中，离心泵叶轮包括：旋转轴线；沿旋转轴线与出口端部相对的导流器端部；至少两个主叶片；至少两个副叶片；其中所述导流器端部包括入口孔；其中每个主叶片是从主叶片前缘延伸至主叶片后缘的连续脊；其中每个主叶片前缘与所述入口孔相邻，且每个主叶片后缘限定所述出口端部的第一半径；其中每个主叶片遵循围绕所述导流器端部从所述主叶片前缘朝向所述主叶片后缘的螺旋形或盘旋的路径，并且其中每个主叶片在其自身和相邻的主叶片之间限定连续的导流器通道；其中每个主叶片包括在所述导流器端部和所述出口端部之间的过渡区域；其中每个主叶片包括在所述出口端部上垂直于所述旋转轴线而径向延伸的长度，以及平行于所述旋转轴线延伸的高度；其中每个副叶片是从副叶片前缘延伸至副叶片后缘的连续脊；其中每个副叶片前缘被设置在两个相邻的主叶片中的每个主叶片的两个相邻的过渡区域之间；其中每个副叶片后缘限定所述出口端部的第二半径，所述第二半径与所述出口端部的第一半径相等；并且其中每个副叶片限定两个出口通道，其中每个出口通道由第一壁、第二壁和连接所述第一壁与所述第二壁的底面限定，其中每个出口通道的所述第一壁是副叶片的一个表面，并且每个出口通道的所述第二壁是面对限定所述第一壁的所述副叶片的所述表面的相邻主叶片的表面，其中每个出口通道的所述底面是将所述第一壁连接至所述第二壁的所述叶轮的表面。
在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，每个出口通道包括其底面中的平衡孔。在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，所述离心泵叶轮包括四个主叶片和四个副叶片。在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，所述离心泵还包括在每个主叶片后缘与每个副叶片后缘之间的径向切口，其中所述径向切口包括所述叶轮的部段，该部段具有小于所述第一半径和所述第二半径的第三半径。
在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，每个副叶片与每个相邻的主叶片从所述副叶片前缘直至所述副叶片后缘为等距。
在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，每个副叶片在几何上类似于相邻的主叶片区域。
在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，所述过渡区域限定位于每个导流器通道和所述出口端部之间的连续流动路径。
在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，每个副叶片包括垂直于所述旋转轴线而径向延伸的长度，以及平行于所述旋转轴线延伸的高度。
在根据任何其它实施例或实施例的组合的另一实施例中，每个副叶片的高度等于每个主叶片的高度。
在另一实施例中，离心泵包括叶轮，该叶轮实现在此描述的任何特征或特征的组合。
附图简要说明
本发明可以结合附图参考下述描述来理解，其中，相同的参考数字表示相同的元件，其中：
图1是被配置为在离心泵中使用的叶轮的一个实施例的透视图；
图2是本发明的叶轮的同一实施例的不同透视图；
图3是包括本发明的叶轮的一个实施例的离心泵的截面图。
详细说明
本发明的一个实施例是被配置为用于离心泵的叶轮，以及另一实施例是包括叶轮的离心泵。本发明的叶轮可被描述为一种轴向叶轮和径向叶轮的组合(或两级叶轮)，因为其包括向被泵送的流体施加轴向流动的导流器部段(或第一级)，以及向该流体施加径向流动的出口部段(或第二级)。
图1示出了本发明的叶轮的一个实施例的透视图。叶轮100包括导流器端部102和出口端部104。当叶轮围绕其旋转轴线旋转时，流体在孔106处进入靠近叶轮的导流器端部的离心泵的泵室中，被叶轮叶片加速，并排出泵室进入围绕叶轮的泵的蜗形壳体中。
本发明的叶轮包括主叶片108(有时被称为叶片)，其是从导流器端部前缘118延伸至出口端部后缘120的连续脊。在导流器端部102上，主叶片108以螺旋路径或盘旋路径从前缘118围绕旋转轴线向出口端部104延伸。在导流器端部102和出口端部104之间的部段是过渡区域114，在该过渡区域，主叶片108从螺旋形或盘旋的路径过渡为轴向/径向路径。
结果是每个主叶片包括垂直于叶轮的旋转轴线而径向延伸的长度116，具有平行于旋转轴线的叶片高度132，包括过渡部分114，和螺旋形部段102。上述垂直于旋转轴线的部段116从后缘120向前缘118延伸，并在过渡部段114的一端结束。过渡部分114将螺旋形或盘旋的导流器部段102连接至与旋转轴线垂直的部段116。
用于叶轮的现有技术设计，例如美国专利8,998,582中所示的叶轮，在导流器部段和出口部段之间的叶片中包括间隙或间断。本发明与现有技术的一个区别在于，本发明的每个主叶片108从前缘118到后缘120是连续脊。所以，从导流器端部前缘到过渡部段存在连续的导流器通道或流动路径126(其被副叶片110分为两个通道或流动路径，下文将更详细描述)，并且通至出口。这种结构为被泵送的流体提供了从导流器部段的轴向流动(沿轴向方向流动)到出口部段的径向流动(沿径向方向流动)的平滑过渡。
本发明的叶轮100还包括至少一个副叶片110。每个副叶片110包括后缘124，其类似于主叶片108的后缘120。副叶片110包括从后缘124延伸至前缘122的脊。每个副叶片110的前缘122位于每个相邻的主叶片108的过渡区域114之间。每个副叶片包括从叶轮的旋转轴线径向延伸的长度，以及平行于旋转轴线延伸的高度。在一个优选实施例中，副叶片的该部分在几何上类似于每个相邻主叶片108的每个相邻区域。另外，在一个实施例中，每个副叶片与每个相邻的主叶片等距地被设置在叶轮上。
每个副叶片将由位于副叶片的两侧的主叶片所限定的连续导流器通道126分成两个连续的出口通道128和130。每个出口通道被限定为副叶片和相邻的主叶片之间的空间，并且每个出口通道从副叶片的前缘122和相邻主叶片上的周向相邻位置之间的区域延伸至副叶片的后缘和同一主叶片的后缘之间的区域。每个出口通道由第一壁和第二壁，以及连接第一壁与第二壁的底面所限定。第一壁包括主叶片的一个表面，并且第二壁包括面对包括第一壁的主叶片的表面的相邻副叶片的表面。底面是连接第一壁与第二壁的叶轮的表面。出口通道128或130中的一个或两个可以包括平衡孔，如下文所述。
在优选实施例中，每个出口通道包括位于出口通道的底面中的径向切口134。该径向切口是一个区域，其中，叶轮的出口端部处的外边缘的半径小于叶轮在主叶片的后缘处或副叶片的后缘处的位置处的半径。该径向切口有助于减小叶轮后侧的轴向载荷，但不能向旋转轴线延伸太远，否则它们将影响叶轮叶片的结构整体性。
在优选实施方案中，叶轮包括至少一个平衡孔112。平衡孔有助于平衡叶轮护罩前侧和后侧的压力。省略平衡孔会导致叶轮后面产生太多的压力，其增加了轴向推力载荷并且提高了失效轴承的风险。
图2是图1所示叶轮的不同透视图，其中安装组件140是可见的。安装组件140用于将叶轮固定到致动装置上，如由齿轮箱驱动的曲柄轴，如下文所详细描述。安装组件可使用键槽连接、花键连接、螺纹连接、螺栓和螺母连接、或本领域已知的任何其它安装组件安装叶轮。
图3是包括本发明的叶轮的一个实施例的两级离心泵200的一个实施例的截面图。两级泵包括第一级206，第一入口216与叶轮入口106的位置相对应。流体流经入口216，通过导流器部段102和出口部段104，然后流入蜗形壳体210中。叶轮通过耦合到叶轮的曲柄轴212围绕其旋转轴线进行旋转。曲柄轴212由齿轮箱204转动。
蜗形壳体210与流体出口通道(未示出，在图3中其横截面向观察者延伸)流体连通，该流体出口通道将流体供给到两级离心泵200的第二级208的入口218。流体从入口开始通过第二叶轮并且通过出口蜗形壳体220流出。第二叶轮通过曲柄轴222围绕其旋转轴线进行旋转，曲柄轴222由齿轮箱204转动。第二叶轮优选不是在此描述的本发明的叶轮，因为在第二级入口218的入口处的压力足够高，从而可以使用常规叶轮而不会引起气蚀或性能的劣化。
虽然图3所示的实施例是两级离心泵，本发明的叶轮可以与几乎任何的离心泵(例如立式单级泵)连接使用。
在本文中描述的本发明的叶轮提供给专业人员的主要优点是在泵运行期间的气蚀减小。气蚀由局部流动分离和回流引起，其会引起流体中的不均匀加速，并且因此在压降位置处形成蒸汽腔。当泵内的压力重新正常化，蒸汽腔被再加压并内爆，导致靠近内爆的叶轮的表面产生损伤。已经发现这在叶轮的入口孔处发生，并且对于在美国专利8,998,582中公开的叶轮，这在导流器叶片和出口叶片之间的间隙中，在包括出口部段的径向叶片的前缘处发生。
气蚀是离心泵中的主要问题，甚至当泵被设计成具有正确设计的叶轮和足够量的吸头时，也会发生。一旦发现气蚀存在，则难以从设计中预防或消除。处理气蚀的已知方法包括修改入口壳体的几何形状，蜗壳型，导流器设计，磨圆叶片角，或减小叶轮的速度。这些常规方法通常不能消除叶轮的孔的气蚀。
通过不允许再循环、分流、或回流，已经显示本发明基本上减少或消除了叶轮的孔内，沿着叶轮叶片的整个流动路径，并且沿着泵的整个操作包络线的气蚀。在一个实施例中，本发明的叶轮可被设定尺寸以改造现有的泵设计，并且可以容易地与原设备设计设置的叶轮互换。本发明的叶轮可被改装到现有的泵上，并且允许高达120％的额定流量或最佳效率点(BEP)而不会造成气蚀损伤。
尽管本发明可能有各种修改和替代形式，但本发明的特定实施例已经通过示例的方式在附图中示出，并在此详细描述。然而，应该理解的是，本文所述的特定实施例的描述并不旨在将本发明局限于所公开的特定形式。

Claims (17)

1.一种离心泵叶轮，包括：
旋转轴线；
沿所述旋转轴线与出口端部相对的导流器端部；
至少两个主叶片；
至少两个副叶片；
其中所述导流器端部包括入口孔；
其中每个主叶片是从主叶片前缘延伸至主叶片后缘的连续脊；
其中每个主叶片前缘与所述入口孔相邻，且每个主叶片后缘限定所述出口端部的第一半径；
其中每个主叶片遵循围绕所述导流器端部从所述主叶片前缘朝向所述主叶片后缘的螺旋形或盘旋的路径，并且其中每个主叶片在其自身和相邻的主叶片之间限定连续的导流器通道；
其中每个主叶片包括在所述导流器端部和所述出口端部之间的过渡区域；
其中每个主叶片包括在所述出口端部上垂直于所述旋转轴线而径向延伸的长度，以及平行于所述旋转轴线延伸的高度；
其中每个副叶片是从副叶片前缘延伸至副叶片后缘的连续脊；
其中每个副叶片前缘被设置在两个相邻的主叶片中的每个主叶片的两个相邻的过渡区域之间；
其中每个副叶片后缘限定所述出口端部的第二半径，所述第二半径与所述出口端部的第一半径相等；
其中每个副叶片限定两个出口通道，其中每个出口通道由第一壁、第二壁和连接所述第一壁与所述第二壁的底面限定，其中每个出口通道的所述第一壁是副叶片的一个表面，并且每个出口通道的所述第二壁是面对限定所述第一壁的所述副叶片的所述表面的相邻主叶片的表面，其中每个出口通道的所述底面是将所述第一壁连接至所述第二壁的所述叶轮的表面，其中每个出口通道包括其底面中的平衡孔。
2.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，包括四个主叶片和四个副叶片。
3.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，还包括在每个主叶片后缘与每个副叶片后缘之间的径向切口，其中所述径向切口包括所述叶轮的部段，所述部段具有小于所述第一半径和所述第二半径的第三半径。
4.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片与每个相邻的主叶片从所述副叶片前缘直至所述副叶片后缘为等距。
5.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片在几何上类似于相邻的主叶片区域。
6.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，其中所述过渡区域限定位于每个导流器通道和所述出口端部之间的连续流动路径。
7.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片包括垂直于所述旋转轴线而径向延伸的长度，以及平行于所述旋转轴线延伸的高度。
8.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片的高度等于每个主叶片的高度。
9.一种离心泵，包括权利要求1所述的叶轮。
10.一种离心泵叶轮，包括：
旋转轴线；
沿所述旋转轴线与出口端部相对的导流器端部；
至少两个主叶片；
至少两个副叶片；
其中所述导流器端部包括入口孔；
其中每个主叶片是从主叶片前缘延伸至主叶片后缘的连续脊；
其中每个主叶片前缘与所述入口孔相邻，且每个主叶片后缘限定所述出口端部的第一半径；
其中每个主叶片遵循围绕所述导流器端部从所述主叶片前缘朝向所述主叶片后缘的螺旋形或盘旋的路径，并且其中每个主叶片在其自身和相邻的主叶片之间限定连续的导流器通道；
其中每个主叶片包括在所述导流器端部和所述出口端部之间的过渡区域；
其中每个主叶片包括在所述出口端部上垂直于所述旋转轴线而径向延伸的长度，以及平行于所述旋转轴线延伸的高度；
其中每个副叶片是从副叶片前缘延伸至副叶片后缘的连续脊；
其中每个副叶片前缘被设置在两个相邻的主叶片中的每个主叶片的两个相邻的过渡区域之间；
其中每个副叶片后缘限定所述出口端部的第二半径，所述第二半径与所述出口端部的第一半径相等；
其中每个副叶片限定两个出口通道，其中每个出口通道由第一壁、第二壁和连接所述第一壁与所述第二壁的底面限定，其中每个出口通道的所述第一壁是副叶片的一个表面，并且每个出口通道的所述第二壁是面对限定所述第一壁的所述副叶片的所述表面的相邻主叶片的表面，其中每个出口通道的所述底面是将所述第一壁连接至所述第二壁的所述叶轮的表面；以及
在每个主叶片后缘与每个副叶片后缘之间的径向切口，其中所述径向切口包括所述叶轮的部段，所述部段具有小于所述第一半径和所述第二半径的第三半径。
11.根据权利要求10所述的离心泵叶轮，包括四个主叶片和四个副叶片。
12.根据权利要求10所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片与每个相邻的主叶片从所述副叶片前缘直至所述副叶片后缘为等距。
13.根据权利要求10所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片在几何上类似于相邻的主叶片区域。
14.根据权利要求10所述的离心泵叶轮，其中所述过渡区域限定位于每个导流器通道和所述出口端部之间的连续流动路径。
15.根据权利要求10所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片包括垂直于所述旋转轴线而径向延伸的长度，以及平行于所述旋转轴线延伸的高度。
16.根据权利要求10所述的离心泵叶轮，其中每个副叶片的高度等于每个主叶片的高度。
17.一种离心泵，包括权利要求10所述的叶轮。
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