CN109209987B - 一种抗空化离心泵叶轮及离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利机械设备技术领域，具体涉及一种抗空化离心泵叶轮。为了提高现有离心泵的抗空化性能，本发明公开了一种抗空化离心泵叶轮。该抗空化离心泵叶轮，包括叶片、后盖板和小叶片，小叶片位于叶片的背面位置并且与后盖板固定连接。本发明公开的抗空化离心泵叶轮，不仅结构简单，便于加工，而且通过在叶片的背面设置小叶片结构，使叶轮流道内部的低压区域获得改善，对离心泵在发生空化时产生的空泡体积产生抑制作用，提高离心泵的抗空化性能。

Description

一种抗空化离心泵叶轮及离心泵

技术领域

本发明属于水利机械设备技术领域，具体涉及一种抗空化离心泵叶轮及离心泵。

背景技术

离心泵是一种常见的水力机械，在石油化工、水利灌溉、航空航天以及航海等领域中发挥着重要作用。因此，提高离心泵的使用效率具有十分重要的应用价值。

目前，提高离心泵效率的一个常规方法就是，通过提高泵的转速来提高泵的比转速。然而，叶轮在高速运转时，在叶轮流道内部会出现低压区，当压力低于饱和蒸汽压力时，叶轮流道内部的液体会相变为汽态，进行空化初生阶段，开始出现并且产生大量的空泡。此时，叶轮内部产生和存在的空泡不仅会对离心泵的水力性能造成影响，例如空泡对叶轮内部空间体积的占据会造成离心泵扬程的下降，而且会对离心泵的稳定运行产生影响，甚至造成叶轮的破坏，影响整个离心泵的使用寿命。因此，需要对离心泵的空化初生阶段进行控制，即对叶轮内部空泡的产生进行抑制，以实现对离心泵空化性能的提升。

发明内容

为了提高现有离心泵的抗空化性能，本发明提出了一种抗空化离心泵叶轮。该抗空化离心泵叶轮，包括叶片、后盖板和小叶片，所述小叶片位于所述叶片的背面区域，并且与所述后盖板固定连接；沿叶轮直径方向，所述小叶片的内边缘与所述叶片的内边缘保持齐平，所述小叶片的外边缘位置为r＝K_r×R；沿叶轮轴线方向，所述小叶片的宽度为b_m＝K_b×B_m；沿叶轮的圆周方向，所述小叶片与相邻所述叶片的背面之间距离为c＝K_cm×2πr_m/n；所述小叶片的厚度与所述叶片的进口厚度相等；其中，K_r为径向位置系数且K_r＝0.15～0.35，K_b为宽度尺寸系数且K_b＝0.30～0.70，K_cm为圆周距离系数且K_cm＝0.30～0.50，R为所述叶轮的半径尺寸，B_m为所述叶片沿叶轮直径方向在m位置处的宽度尺寸，r_m为所述小叶片沿叶轮直径方向在m位置的径向尺寸，m的选择区域为所述小叶片沿叶轮直径方向所在区域，n为小叶片的数量。

优选的，所述小叶片的数量与所述叶片的数量相同，并且沿叶轮圆周方向，所述小叶片和所述叶片依次交替布置。

优选的，所述小叶片与所述后盖板采用一体式铸造加工而成。

优选的，所述小叶片与所述后盖板采用焊接方式固定连接。

进一步优选的，所述后盖板上设有安装槽，所述小叶片穿过所述安装槽后，在所述后盖板的背面进行焊接固定。

一种抗空化离心泵，包括以上所述的抗空化离心泵叶轮。

在离心泵采用本发明的抗空化离心泵叶轮时，具有以下有益效果：

1、本发明的抗空化离心泵叶轮，通过在叶片背面空化初生区域的后盖板上设置小叶片，利用小叶片对空化初生区域流体的做功，使其周围的流场分布发生变化，从而改变叶轮流道内部的压力分布。通过小叶片对其周围流场分布的影响，进而使叶轮内部的整个低压力区受到抑制作用，这样在离心泵空化发展的过程中，可以对叶轮内部的低压力区进行快速有效的限制和抑制作用，使离心泵叶轮的出口端保持在相对的高压状态，进而对离心泵叶轮内部由空化产生的空泡分布区域和空泡体积发展产生有效的限制作用。其中，通过与现有技术离心泵叶轮相比较，在本发明抗空化离心泵叶轮内部的空泡体积缩小了20％以上，这样在离心泵叶轮内部低压力区受到抑制，空泡分布区域和体积缩小的情况下，不仅可以提高离心泵的空化性能，稳定离心泵的输出扬程，而且可以降低空泡对离心泵的破坏，提高对离心泵的保护。

此外，在实现对叶轮内部低压力区域范围以及空泡分布区域和体积均产生有效抑制作用的情况下，即推迟空化发生的情况下，就可以对离心泵在空化状态下的运行高效区域进行提升，从而使离心泵的使用性能获得到极大改善。

2、在本发明中，通过将小叶片与叶片背面之间的距离设定为c＝K_cm×2πr_m/n，从而使小叶片与叶片背面之间的流道形成一个八字形扩散结构，即沿叶轮直径方向，由进口端向出口端小叶片与叶片之间的流道开口逐渐变大。这样，可以对流入该区域的流体进行减速升压操作，进一步提高叶片背面的流体压力，改善流体压力的分布情况，提高叶轮的抗空化性能。

附图说明

图1是本发明抗空化离心泵叶轮沿轴向中间横截面的结构示意图；

图2是沿图1中F方向的叶轮局部结构示意图；

图3是图1中A处局部结构的放大示意图；

图4是对采用现有技术离心泵叶轮的离心泵进行数值模拟时，叶轮轴向不同截面位置的压力分布云图；

图5是对采用本发明抗空化离心泵叶轮的离心泵进行数值模拟时，叶轮轴向不同截面位置的压力分布云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细介绍。

结合图1、图2和图3所示，本发明抗空化离心泵叶轮包括后盖板1、叶片2和小叶片3，并且小叶片3与后盖板1固定连接。

小叶片3的位置和尺寸为：沿叶轮的直径方向，小叶片3的内边缘与与叶片2的内边缘保持齐平，小叶片3的外边缘位置为r＝K_r×R；沿叶轮的轴线方向，小叶片3的宽度为b_m＝K_b×B_m；沿叶轮的圆周方向，小叶片3与叶片2的背面21之间距离为c＝K_cm×2πr_m/n；小叶片3的厚度与叶片2的进口厚度相等。其中，K_r为径向位置系数且K_r＝0.15～0.35，K_b为宽度尺寸系数且K_b＝0.30～0.70，K_cm为圆周距离系数且K_cm＝0.30～0.50，R为叶轮的半径尺寸，B_m为叶片沿叶轮直径方向在m位置处的宽度尺寸，r_m为小叶片沿叶轮直径方向在m位置的径向尺寸，m的选择区域为小叶片沿叶轮直径方向所在区域，n为小叶片的数量。

在本发明中，将小叶片3的数量与叶片2的数量进行相等设置，并且沿叶轮的圆周方向，小叶片3和叶片2依次交替布置。这样，可以由一个对应的小叶片3对相应叶片2背面区域内的流体进行流场和压力分布的改善，抑制每一个叶片背面产生的空泡，提高整个叶轮的抗空化性能。

此外，在本发明中，小叶片3与后盖1之间既可以采用一体式铸造加工而成，保证小叶片3与后盖1之间的连接强度，也可以采用分体式加工，通过焊接组对的方式进行固定连接，从而保证小叶片尺寸和固定位置的精度。

其中，在采用焊接方式进行小叶片和后盖的固定连接时，可以预先在后盖上开设安装小叶片的安装槽，同时在小叶片的加工过程中设置定位台阶，这样将小叶片插入安装槽并且利用定位台阶进行定位，可以提高小叶片的安装精度，同时在后盖的背面进行小叶片和后盖的焊接固定，可以避免焊缝对小叶片和后盖连接位置的尺寸影响，提供小叶片工作过程中对流体的准确影响，保证叶轮的抗空化性能。

借助数值模拟的方法对本发明的技术方案产生的效果进行实验验证。

首先，选取和设置相关的模拟数据和参数。

数值模拟选取直叶片叶轮离心泵作为模型，其中，离心泵的主要几何参数为：

泵吸入口直径	泵输出口直径	叶轮入口直径	叶轮出口直径
				90mm	65mm	80mm	310mm
叶片进口宽度	叶片出口宽度	叶片进口角	叶片出口角
				28mm	12mm	37°	37°
叶片进口厚度	叶片数量	叶片包角	泵轴直径
				4mm	6	170°	40mm

在进行数值模拟时，采用ZGB空化模型，进口边界条件为压力进口，出口边界条件为质量流量进口，系统参考压力为0atm，壁面边界条件为无滑移边界，设置空化压力为3169Pa，转速为500r/min，时间步长为0.001s，非定常空化计算离心泵叶轮旋转8圈，并且选取最后两圈的模拟结果进行数据处理，以保证叶轮内部流体进入稳定流动状态。

在对采用本发明离心泵叶轮的离心泵进行的计算模型中，离心泵叶轮的半径R等于叶轮出口直径尺寸的一半为155mm，小叶片的厚度等于叶轮的进口厚度为4mm，同时选取K_r＝0.22、K_b＝0.40和K_cm＝0.40，则

沿叶轮的直径方向，小叶片的内边缘位置与叶片的内边缘保持齐平，小叶片的外边缘位置为r_外边缘＝K_r×R＝0.22×155＝34.1mm；

沿叶轮的轴线方向，小叶片的宽度为b_m＝K_b×B_m，b_m为叶片在沿叶轮直径方向m位置处的宽度值，B_m为叶片在沿叶轮直径方向m位置处的宽度值，此时，小叶片在进口位置的宽度为b_进口＝K_b×B_进口＝0.40×28＝11.2mm，小叶片在出口位置的宽度为b_出口＝K_b×B_r＝0.40×14.25＝5.7mm，B_r为叶片在半径为r＝34.1mm位置处的叶片宽度，而小叶片在进口位置和出口位置之间区域的宽度值则根据对应位置的叶片宽度与宽度尺寸系数K_b之间的关系确定；

沿叶轮的圆周方向，小叶片与叶片的背面之间距离为c＝K_cm×2πr_m/n，r_m为小叶片在沿叶轮直径方向m位置处的半径值，其中小叶片出口位置与叶片背面之间的距离c_出口＝K_cm×2πr_外边缘/n＝0.40×2π×34.1÷6＝14.3mm，小叶片在进口位置和出口位置之间区域与叶片的背面之间距离，根据对应位置的小叶片半径尺寸r_m确定。

然后，对现有技术离心泵叶轮和本发明抗空化离心泵叶轮进行数值模拟并获取相关的对比数据。

结合图4和图5所示，在离心泵的运行过程中，小叶片对叶轮内部不同位置的流体压力分布产生不同影响。

小叶片3对后盖板表面的流体压力分布没有产生明显影响，这是由于小叶片3是从叶片进口位置开始沿后盖板表面固定设置，所以在对叶轮轴线方向的截面进行截取观察时，小叶片3对叶轮内部流体的做功主要集中在叶轮中间截面与前盖板之间的区域。

以叶轮中间截面为基准，在向前盖板方向偏移8mm的轴向截面内，小叶片对叶轮内该区域的流体压力产生了一定的局部影响，主要是对叶轮进口附近靠近叶片背面的局部低压区域进行了一定的压缩抑制，此时沿叶轮径向方向，由叶轮的进口端指向叶轮的出口端叶轮内部的压力分布逐渐由低变高，并且低压力区只出现在叶轮的进口端；在向前盖板方向偏移10mm的轴向截面内，小叶片对叶轮内部的压力分布呈现出一定的影响，提高了叶轮出口周围流体的压力，使叶轮内部的逆压梯度和低压力区域的扩张受到一定的抑制；在向前盖板方向偏移12mm的轴向截面内，小叶片对该区域叶轮内部的压力分布产生了明显的改善效果，不仅将该区域叶轮内部的低压区域面积由原来大约50％的占比压缩至只有大约30％的占比，而且使叶轮出口区域的流体压力获得明显提升并且沿圆周方向的分布更加均匀；在向前盖板方向偏移14mm的轴向截面内，在现有离心泵叶轮内部该区域的低压区域已经延伸至叶轮出口区域并且覆盖了整个叶轮出口位置，而本发明抗空化离心泵叶轮在小叶片的作用下，对该区域内的低压区域面积产生了进一步的抑制，将该区域叶轮内部的低压区域面积由现有技术中大约90％的占比压缩至只有大约50％的占比，并且阻止了低压区域对叶轮出口位置的完全覆盖占据。

本发明的抗空化离心泵叶轮与现有技术的离心泵叶轮相比较，通过在叶片2背面区域设置小叶片3，使叶轮内部的压力分布得到改善，降低了低压区域在叶轮流道内的占比面积，有效的阻止了低压区域由叶轮进口端向叶轮出口端的快速扩张。

在小叶片3对叶轮内部的流体压力分布产生影响的作用下，叶轮内部由于空化产生的空泡也发生变化。选取数据模拟过程中最终两圈数据的平均值，对空化发生时的空泡体积进行计算，其中在现有技术离心泵叶轮内部的空泡体积平均为1.92×10⁵mm³，而本发明的抗空化离心泵叶轮内部的空泡体积平均为1.49×10⁵mm³，在小叶片的作用下，叶轮内部的空泡体积减少近22.4％，从而大大降低空泡对离心泵运行过程中的影响。

Claims (6)

1.一种抗空化离心泵叶轮，包括叶片和后盖板，其特征在于，还包括小叶片，所述小叶片位于所述叶片的背面区域，并且与所述后盖板固定连接；沿叶轮直径方向，所述小叶片的内边缘与所述叶片的内边缘保持齐平，所述小叶片的最大外边缘位置为r＝K_r×R；沿叶轮轴线方向，所述小叶片的宽度为b_m＝K_b×B_m；沿叶轮的圆周方向，所述小叶片与相邻所述叶片的背面之间距离为c＝K_cm×2πr_m/n；所述小叶片的厚度与所述叶片的进口厚度相等；其中，K_r为径向位置系数且K_r＝0.15～0.35，K_b为宽度尺寸系数且K_b＝0.30～0.70，K_cm为圆周距离系数且K_cm＝0.30～0.50，R为所述叶轮的半径尺寸，B_m为所述叶片沿叶轮直径方向在m位置处的宽度尺寸，r_m为所述小叶片沿叶轮直径方向在m位置的径向尺寸，m的选择区域为所述小叶片沿叶轮直径方向所在区域，n为小叶片的数量。

2.根据权利要求1所述的抗空化离心泵叶轮，其特征在于，所述小叶片的数量与所述叶片的数量相同，并且沿叶轮圆周方向，所述小叶片和所述叶片依次交替布置。

3.根据权利要求1所述的抗空化离心泵叶轮，其特征在于，所述小叶片与所述后盖板采用一体式铸造加工而成。

4.根据权利要求1所述的抗空化离心泵叶轮，其特征在于，所述小叶片与所述后盖板采用焊接方式固定连接。

5.根据权利要求4所述的抗空化离心泵叶轮，其特征在于，所述后盖板上设有安装槽，所述小叶片穿过所述安装槽后，在所述后盖板的背面进行焊接固定。

6.一种抗空化离心泵，其特征在于，包括权利要求1-5中任意一项所述的抗空化离心泵叶轮。