CN109882446B - 一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法，在叶轮平面投影图上，采用进出口偏置方法在相邻长叶片间流道中的圆弧上得到分流叶片进出口端点；根据叶轮中心与分流叶片进出口端点确定圆心，并作圆弧连接分流叶片进出口端点得到分流叶片压力面型线；通过打点法加厚压力面型线得到分流叶片吸力面型线，闭合两型线得到分流叶片初步造型；对分流叶片进出口压力面进行修缘；本发明可有效提高叶轮内部流动稳定性，并显著改善非设计工况下的叶轮出口流场分布，降低叶轮内部的流动损失，同时减小叶轮与蜗壳间动静干涉引起的压力脉动，在不提高成本的情况下，提高了低比速离心泵的工作性能。

Description

一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法

技术领域

本发明涉及离心泵叶轮设计领域，尤其涉及一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法。

背景技术

随着我国经济转型升级，节能研究日益受到重视。泵属于“电机系统节能工程”中关键设备之一，是除电机外应用最为广泛的通用机械。据统计，世界电能消耗近20％与泵有关，因此对泵产品节能的研究非常有必要。

叶片式离心泵是泵类型中应用最为广泛的一种，其中低比速离心泵被广泛应用于农业排灌、城市供水、消防、石油、化工等诸多领域。低比速离心泵叶轮的叶片由长短叶片组成，短叶片即分流叶片布置在相邻两个长叶片之间。分流叶片可以改善叶轮内的流场分布和叶轮出口处的射流—尾流结构，减小流动损失，从而提高泵的运行性能。

目前，主要采用CFD方法获得离心泵内部流动参数，在进出口偏置和改变进口直径等方面对分流叶片进行优化改进。现有技术中能量梯度函数K可用来确定合理的分流叶片进口偏置角度，但这种方法所考虑的因素单一，只适合初步优化。现有技术中还通过流速分布确定各截面流量等分点，以方便构造扭曲叶片型线，但扭曲叶片成本较高，且等流量原则没有充分考虑分流叶片对内部流场变化的影响。

因此，须从进出口偏置、进口直径、叶片厚度变化规律和进出口边缘形状多个因素，对常规圆柱型分流叶片进行合理设计，以较低成本显著改善离心泵内的流场分布，最终达到节能目的。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法，通过考虑分流叶片各结构参数对泵内流场的影响，发挥分流叶片改善内部流场的作用，以提高低比速离心泵的运行性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法，包括：

A、采用进出口偏置方法在相邻长叶片间流道中的圆弧上得到分流叶片进出口端点，根据叶轮中心与分流叶片进出口端点确定圆心，并作圆弧连接分流叶片进出口端点，得到分流叶片压力面型线；

B、通过打点法加厚压力面型线得到分流叶片吸力面型线，闭合分流叶片压力面型线和分流叶片吸力面型线得到分流叶片初步造型；

C、对分流叶片进出口压力面进行修缘。

优选地，所述步骤A具体为：

先在叶轮平面图上，以叶轮中心为圆心O，作直径D₁＝0.6～0.7D的圆，其中D为叶轮出口直径，该圆与叶轮出口基圆在两相邻长叶片间流道划过的圆弧分别为S₁、S₂；在偏向长叶片吸力面处分别取0.4S₁、0.4S₂圆弧，截点分别为M₁、M₂，再以O为圆心将M₂点向长叶片吸力面偏5°～8°得到M₃点，M₁点为进口端点，M₃点为出口端点，连接M₁点和M₃点得到直线M₁M₃，过圆心O作与直线M₁M₃平行的直线，且与直线M₁M₃的垂直平分线交于O₁，再以O₁为圆心作圆弧连接M₁点与M₃点，得到分流叶片压力面型线。

优选地，所述步骤B具体为：

从分流叶片压力面型线的进口端至出口端，径向厚度由2.6mm逐渐增至4mm，加厚得到分流叶片吸力面型线，然后以叶轮中心为圆心作过两条型线出口端点的圆弧，并连接两条型线的进口端点，使两条型线闭合形成分流叶片的初步造型线。

优选地，所述步骤C具体为：

C1、采用圆弧对分流叶片进口压力面进行修缘，将进口厚度修削为原来的1/2，并对进口端进行圆弧过渡处理；

C2、以吸力面型线出口端为顶点，采用圆弧对分流叶片出口压力面进行修缘，使得压力面型线与吸力面型线相交于出口端点。

优选地，所述步骤C2具体为：

首先以分流叶片吸力面出口端点为起点作分流叶片吸力面型线的切线，然后以分流叶片吸力面型线出口端点为起点作一条偏向分流叶片压力面，且与所述切线呈一定角度的引线，设定该角度为切削角，再以所述引线与分流叶片压力面为相切基准，作大圆弧对分流叶片出口压力面进行修缘。

优选地，分流叶片出口压力面修缘的最大修削角

为所述分流叶片吸力面型线以其出口端点为起点的切线与该分流叶片两侧出口端点连线的夹角；

采用CFD技术对经过不同角度修缘的分流叶片进行数值模拟，得到低比速离心泵的内部流场与性能参数，确定分流叶片出口压力面修缘的最优修削角θ取为

本发明的有益效果：

本发明通过在长叶片之间合理布置分流叶片，可改善叶轮内部流动和出口速度分布，从而减小流动损失。采用本发明设计的分流叶片于0.6～0.7倍出口直径处涉入流场，进出口都稍偏向长叶片吸力面，其在相邻长叶片间的流道中的布置位置较传统设计更为合理，可以起到更好的分流作用，从而提高叶轮内部流动稳定性。此外，分流叶片进出口压力面都经过圆弧修缘处理，特别是出口压力面修缘可以有效改善分流叶片两侧出口速度分布，而进口修缘可以降低分流叶片在涉入流场作用点处对流场的干扰作用。基于本发明设计的分流叶片可以显著提高泵的工作性能，特别是在非设计工况下，这种设计可以改善叶轮出流结构，大大降低叶轮与蜗壳之间动静干涉过程中的流动损失，从而有效提高离心泵的工作效率，并降低其工作噪声。

附图说明

图1为根据本发明实施例的分流叶片压力面型线的确定方法示意图。

图2为根据本发明实施例的分流叶片的初步造型示意图。

图3为根据本发明实施例的分流叶片压力面修缘示意图。

图4为根据本发明实施例的分流叶片径向分布示意图。

图5为根据本发明实施例的低比速离心泵叶轮的结构示意图。

图6为根据本发明实施例的低比速离心泵叶轮轴向截面示意图。

附图标记：

10.叶轮前盖板，11.叶轮后盖板，12.长叶片，13.分流叶片，121.长叶片吸力面，122.长叶片压力面，131.分流叶片吸力面，132.分流叶片压力面，

.分流叶片尾缘最大切削角，θ.分流叶片尾缘最优切削角。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法。

如图5-6所示，根据本发明实施例的低比速离心泵叶轮包括叶轮前盖板10、叶轮后盖板11和若干长叶片12和短的分流叶片13，其中分流叶片13均匀分布于长叶片12之间，且两者数量相同，叶轮后盖板11与长叶片12和分流叶片13铸为一体，再将叶轮前盖板10与其进行焊接形成整个闭式叶轮。液体从轴向进口流进，通过长叶片12和分流叶片13对其做功，从前盖板10与后盖板11之间径向甩出。

根据本发明实施例的低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤A、绘制分流叶片压力面型线，如图1所示。

在叶轮平面投影图上，以叶轮中心为圆心O，作直径D₁＝0.6～0.7D的圆，其中D为叶轮出口直径，该圆与叶轮出口基圆在两相邻长叶片间流道划过的圆弧分别为S₁、S₂；

研究表明，分流叶片偏向长叶片吸力面有助于提高离心泵的扬程与效率，因此，采取分流叶片进出口偏置的设计思路，在偏向长叶片吸力面121处分别取0.4S₁、0.4S₂，截点为M₁、M₂，再以O为圆心将M₂点向长叶片吸力面偏5°～8°为M₃点，将M₁点与M₃点作为分流叶片压力面型线132的进出口端点；

过圆心O作与直线M₁M₃平行的直线L₂，且与直线M₁M₃的垂直平分线L₁交于O₁，再以O₁为圆心作圆弧连接M₁与M₃，得到分流叶片压力面型线132。

该步骤能够避免分流叶片过早或过晚介入流场，造成内部流动紊乱，并且确保分流叶片进口都以合理角度偏向长叶片吸力面，充分发挥分流叶片改善叶轮内部流场的作用；

步骤B、绘制分流叶片吸力面型线，构成分流叶片初步造型，如图2所示。

从分流叶片压力面型线132进口端M₁至出口端M₃，采用打点法将分流叶片压力面型线132按一定规律加厚(此处按径向厚度从2.6mm逐渐增至4mm)，得到分流叶片吸力面型线131，然后以O为圆心作过两条型线出口端点的圆弧，并连接两条型线的进口端，使两条型线闭合形成分流叶片的初步造型线；

在三维软件中，将初步造型线直接拉伸可形成圆柱型分流叶片，圆柱型分流叶片制造难度低，能有效改善叶轮内部流场和出流结构，可以提高离心泵的扬程、效率、汽蚀和噪声等性能；

为进一步提高分流叶片的改善作用，须对其进出口边缘形状进行优化；

步骤C、分流叶片进出口压力面修缘，如图3所示。

采用与分流叶片压力面型线132相切的圆弧对分流叶片进口压力面进行修缘，将进口厚度修削为原来的1/2，并对进口端进行圆弧过渡处理，分流叶片进口压力面经过修缘过后，减小了分流叶片进口厚度，形状更接近翼型，可以降低分流叶片进口对相邻长叶片间流场的干扰，减小此处的流动损失，从而影响离心泵的工作性能；

叶片出口形状对叶轮出流结构有很大影响，分流叶片的出口形状直接影响其对射流-尾流结构的改善性能，为探究分流叶片出口形状对离心泵性能的影响，利用CFD技术模拟对不同分流叶片出口形状(压力面修缘、吸力面修缘、两侧修缘和出口端面倒圆)该低比速离心泵的内部流动，得到离心泵的速度、压强、流线、扬程和效率等参数，通过模拟结果可知，对分流叶片出口压力面修缘可以显著改善叶轮出流结构，提高低比速离心泵工作性能。

其中，分流叶片出口压力面修缘方法具体为：首先根据以分流叶片吸力面出口端点为起点作分流叶片吸力面型线131的切线；然后以分流叶片吸力面型线131出口端点为起点作一条偏向分流叶片压力面132，且与该切线呈一定角度的引线，设定该角度为切削角；再以该引线与分流叶片压力面132为相切基准，作大圆弧对分流叶片的压力面132进行修缘。

如图3所示，分流叶片出口压力面修缘的最大修削角

为所述分流叶片吸力面型线131以其出口端点为起点的切线与该分流叶片两侧出口端点连线的夹角。

为确定分流叶片出口压力面修缘的最优修削角度，采用CFD技术对经过不同角度修缘的分流叶片进行数值模拟，根据模拟结果，确定分流叶片出口压力面修缘的最优修削角θ取为

时，叶轮出口速度分布最佳，离心泵效率最高。

如图4所示，经过合理设计的分流叶片均匀分布于长叶片之间，每个分流叶片于0.6～0.7D处介入相邻两长叶片间的流场，在两长叶片间所处的位置偏向长叶片吸力面121，进出口压力面经过修缘处理。与常规分流叶片相比，采用本发明方法设计的分流叶片对离心泵内流场的改善作用更为突出。

根据本发明的设计方法设计的低比速离心泵叶轮在实际使用过程中，按照常规位置安装于蜗壳流道内，液体从轴向进口流进，长叶片12和分流叶片13高速旋转对液体做功，液体压力逐渐增大，从叶轮出口径向甩出，通过蜗壳导流，并将液体动压能转化为静压能输出。

由于液体在叶轮内部高速流动，长叶片12间的流动状态十分复杂，在叶轮出口位置会形成射流尾流，内部流动损失较大，影响整个离心泵的工作效率。而分流叶片13均匀分布于长叶片12之间，对流体起到辅助做工和分流作用，在合适的位置介入流场，可以很好地发挥分流作用，改善叶轮内部流动状态和叶轮出口处的射流尾流结构。

常规圆柱型分流叶片出口端面与前盖板10和后盖板11在同一圆柱面上，并没有考虑到分流叶片出口形状对流体在叶轮出口流动状态的影响，本发明的出口压力面修缘式分流叶片13可对叶轮出口附近的流体有更好的导向作用。根据数值模拟结果分析，确定出分流叶片出口压力面修缘的最优修削角θ取为

在此条件下经过修削优化过的分流叶片13可以使在长叶片吸力面121与分流叶片压力面132之间的流体经过分流叶片尾缘附近时有最佳的出流方向，进一步改善叶轮出口的射流尾流结构，使叶轮出口的流动状态更加平稳。

本发明中，当离心泵在设计工况下工作时，叶轮内部流动状态最佳，工作效率最高，分流叶片对最高效率有一定的提高。当离心泵在非设计工况下工作时，叶轮内部流动状态十分紊乱，特别是从叶轮出口流出的液体会与蜗壳流道发生强烈的动静干涉作用，这会导致流道内的流动损失增加，增大离心泵工作噪声，严重影响离心泵在该工况下的水力性能。在这种情况下，布置位置合理且进出口压力面经过修缘的分流叶片可以有效改善叶轮内部和出口附近的流场分布，大大减小动静干涉过程中的压力脉动，从而降低离心泵在非设计工况下的工作噪声，提高离心泵的工作性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于，包括：

A、采用进出口偏置方法在相邻长叶片间流道中的圆弧上得到分流叶片进出口端点，根据叶轮中心与分流叶片进出口端点确定圆心，并作圆弧连接分流叶片进出口端点，得到分流叶片压力面型线，具体为：

先在叶轮平面图上，以叶轮中心为圆心O，作直径D₁＝0.6～0.7D的圆，其中D为叶轮出口直径，该圆与叶轮出口基圆在两相邻长叶片间流道划过的圆弧分别为S₁、S₂；在偏向长叶片吸力面处分别取0.4S₁、0.4S₂圆弧，截点分别为M₁、M₂，再以O为圆心将M₂点向长叶片吸力面偏5°～8°得到M₃点，M₁点为进口端点，M₃点为出口端点，连接M₁点和M₃点得到直线M₁M₃，过圆心O作与直线M₁M₃平行的直线，且与直线M₁M₃的垂直平分线交于O₁，再以O₁为圆心作圆弧连接M₁点与M₃点，得到分流叶片压力面型线；

B、通过打点法加厚压力面型线得到分流叶片吸力面型线，闭合分流叶片压力面型线和分流叶片吸力面型线得到分流叶片初步造型，具体为：

从分流叶片压力面型线的进口端至出口端，径向厚度由2.6mm逐渐增至4mm，加厚得到分流叶片吸力面型线，然后以叶轮中心为圆心作过两条型线出口端点的圆弧，并连接两条型线的进口端点，使两条型线闭合形成分流叶片的初步造型线；

C、对分流叶片进出口压力面进行修缘，具体为：

C1、采用圆弧对分流叶片进口压力面进行修缘，将进口厚度修削为原来的1/2，并对进口端进行圆弧过渡处理；

C2、首先以分流叶片吸力面出口端点为起点作分流叶片吸力面型线的切线，然后以分流叶片吸力面型线出口端点为起点作一条偏向分流叶片压力面，且与所述切线呈一定角度的引线，设定该角度为切削角，再以所述引线与分流叶片压力面为相切基准，作大圆弧对分流叶片出口压力面进行修缘。

2.根据权利要求1所述的低比速离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征在于，分流叶片出口压力面修缘的最大修削角

为所述分流叶片吸力面型线以其出口端点为起点的切线与该分流叶片两侧出口端点连线的夹角；

采用CFD技术对经过不同角度修缘的分流叶片进行数值模拟，得到低比速离心泵的内部流场与性能参数，确定分流叶片出口压力面修缘的最优修削角θ取为

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