CN109915407B - 一种非光滑表面的离心泵叶轮及其效率和噪声协同提升设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非光滑表面的离心泵叶轮及其效率和噪声协同提升设计方法，包括：盖板，所述盖板的中心部位具有一进口；多个叶片，多个所述叶片环绕所述进口设置于所述盖板的一侧，多个所述叶片间隔分布，至少部分所述叶片的工作面上具有用于减阻的第一非光滑表面结构；至少部分相邻所述叶片之间对应的所述盖板上设有用于减阻的第二非光滑表面结构。本发明通过在叶轮处设置非光滑结构优化，达到提高离心泵性能，降低泵内脉动以及降低振动噪声的效果。

Description

一种非光滑表面的离心泵叶轮及其效率和噪声协同提升设计 方法

技术领域

本发明涉及离心泵技术领域，特别涉及一种非光滑表面的离心泵叶轮及其效率和噪声协同提升设计方法。

背景技术

仿生结构的研究开始于20世纪40年代，人们发现生物特殊的体表结构能显著提高其适应环境的能力。在早期主要关注仿生结构减阻能力的应用，并在石油输送和航运领域成功应用。直到20世纪90年代初，人们发现仿生结构对流动噪声也具有控制作用，由此兴起了对仿生结构研究的又一浪潮。目前国外正在进行在空客的航空发动机上应用仿生结构降低噪声的研究。风力机的仿生降噪应用目前也已取得一定成果。

经检索，与本发明相关的专利申请有：《一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片》，公开号：CN108980101A，其针对轴流式叶片不同位置的流场属性特点分别采用三种水力结构的减阻槽，减阻槽呈四段布置于叶片不同位置，形成整个叶片的减阻表面，虽然在一定程度上增加了泵的效率，但其对结构尺寸以及叶片表面每个位置选择何种减阻结构设计并未给出合理的正交比较，且其忽视了叶片尾缘的减阻效果。此外发明名称为《一种离心式仿生耦合泵》，公开号CN201908846U，其对泵叶片背面及工作面自进水口至出水口进行肋条状凹坑设计，但对于离心泵来说，在叶片工作面进口稍后以及靠近出口的区域是流态最不理想的地方，所以对于叶片工作面进口稍后至出口的设计是最需要注重的，而对于有盖板的叶轮来说，如果对盖板进行非光滑设计可能会让流体在流出盖板之前流态更加好，这样会有效降低泵内脉动情况，从而有效降低泵的振动噪声。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中离心泵圆柱叶片工作面进口稍后至出口部分流态差，流体在叶轮流道内流态紊乱的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种非光滑表面的离心泵叶轮及其效率和噪声协同提升设计方法，包括：

盖板，所述盖板为半开式叶轮的后盖板，所述盖板的中心部位具有一进口；

多个叶片，多个所述叶片环绕所述进口设置于所述盖板的一侧表面，多个所述叶片间隔分布，至少部分所述叶片的工作面上具有用于减阻的第一非光滑表面结构；至少部分相邻所述叶片之间对应的所述盖板上设有用于减阻的第二非光滑表面结构。

进一步地，所述第一非光滑表面结构为多个间隔分布的凹坑。

进一步地，所述凹坑为圆锥形凹坑。

进一步地，所述凹坑的设计参数满足下列关系：

d＝k₁b；

h＝k₂d；

L＝k₃d；

S＝k₄d；

其中，d为凹坑的直径，b为叶片的宽度，k₁为修正系数，k₁＝0.05～0.2；h为凹坑的深度，k₂是修正系数，k₂＝0.2～0.5；L为凹坑的轴向间距，k₃是修正系数，k₃＝0.5～2；S为凹坑的径向间距，k₄＝1～3。

进一步地，所述第一非光滑表面结构在所述叶片的工作面从距离所述进口四分之一端开始至所述叶片的工作面的另一端。

进一步地，所述第二非光滑表面结构为多个间隔分布的条状沟槽。

进一步地，所述条状沟槽的截面为U形。

进一步地，所述条状沟槽的设计满足下列关系：

B＝k₅D₁/Z；

H＝k₆B；

D＝k₇B；

其中，B为条状沟槽的宽度，Z为叶片的数量，D₁为进口的直径，k₅是修正系数，k₅＝0.03～0.15；H为条状沟槽的深度，k₆是修正系数，k₆＝0.3～0.8；D为条状沟槽的间距，k₇是修正系数，k₇＝0.5～3。

进一步地，所述条状沟槽为自所述叶轮的进口至所述叶轮的出口弯曲，所述条状沟槽的弯曲方向与所述叶片的弯曲方向一致。

采用上述技术方案，本发明所述的一种非光滑表面的离心泵叶轮及其效率和噪声协同提升设计方法具有如下有益效果：

1.本发明通过在叶轮处设置非光滑结构优化，达到提高离心泵性能，降低泵内脉动以及降低振动噪声的效果。

2.本发明对叶轮的叶片工作面进口稍后至出口进行圆锥形凹坑设计优化，非光滑表面的形态和结构能够改变和控制固体壁面边界层的流场结构，从而起到减阻效果。且凹坑型非光滑表面单元体内出现了低速流动的反向漩涡，涡內流体能够减小流体与壁面的接触面积，产生附加的动力而推动近壁面流体流动，致使壁面剪应力降低。

3.本发明通过对盖板对应叶片一侧的表面进行U型条状沟槽优化，沟槽自叶轮进口至出口按照叶片弧度均匀布置，这些沟槽可以使得流体作用在盖板上的剪应力得到降低，从而达到优化叶轮流道内的流体流态，使得流体流态更均匀，从而流体流出叶轮进而作用到泵壳体上的脉动强度就会得到降低。

4.本发明通过建立凹坑参数与叶片之间的关系以及沟槽与盖板尺寸之间的关系，使得叶轮的设计具有相对性，不再局限于一个尺寸，可根据叶轮尺寸灵活设计凹坑与沟槽参数，从而使得设计更具合理性；

5.本发明通过对叶轮进行非光滑表面的减阻设计，达到提高离心泵性能效果，达到降低泵内脉动，降低泵振动噪声的效果。同时本发明针对不同尺寸具有盖板的叶轮给出非光滑表面设计参数，使得非光滑表面设计在泵的领域应用范围更广。

6.本发明将减阻优化前和优化后的离心泵的性能对比，可以清楚的看到经过叶轮非光滑减阻优化后，使得泵的扬程有了明显的提高，本发明通过叶片工作面凹坑以及盖板U形条状沟槽的几何参数优化，从而将原先泵的额定工况下的扬程15.2m提高到15.9m，效率由原先的16.2提高到16.8％，噪音降低到78dB。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一个实施例的叶轮叶片工作面凹坑结构设计图以及其横切面放大图。

图2是本发明的一个实施例的叶轮盖板处U形条状沟槽以及其横切面放大图。

图3是本发明的一个实施例的经过非光滑表面设计前后的外特性曲线对比图。

图4是本发明的一个实施例的经过非光滑表面设计前后的噪声声压频谱对比图。

以下对附图作补充说明：

1-盖板；11-进口；12-第二非光滑表面结构；

2-叶片；21-第一非光滑表面结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例1：

结合图1和图2所示，一种非光滑表面的离心泵叶轮及其效率和噪声协同提升设计方法，包括：

盖板1，所述盖板1为半开式叶轮的后盖板，所述盖板1的中心部位具有一进口11；

多个叶片2，多个所述叶片2环绕所述进口11设置于所述盖板1的一侧，多个所述叶片2间隔分布，至少部分所述叶片2的工作面上具有用于减阻的第一非光滑表面结构21；至少部分相邻所述叶片2之间对应的所述盖板1上设有用于减阻的第二非光滑表面结构12。其中关于多个所述叶片2环绕所述进口11设置于所述盖板1的一侧也可以理解为多个所述叶片2周向分布于盖板1表面。

在一些实施例中，如图1所示，所述第一非光滑表面结构21为多个间隔分布的凹坑。本发明对叶轮的叶片2工作面进口11稍后至出口进行圆锥形凹坑设计优化，非光滑表面的形态和结构能够改变和控制固体壁面边界层的流场结构，从而起到减阻效果。且凹坑型非光滑表面单元体内出现了低速流动的反向漩涡，涡內流体能够减小流体与壁面的接触面积，产生附加的动力而推动近壁面流体流动，致使壁面剪应力降低。

在一些实施例中，如图1所示，所述凹坑为圆锥形凹坑。

在一些实施例中，如图1所示，所述凹坑的设计参数满足下列关系：

d＝k₁b； 公式一

h＝k₂d； 公式二

L＝k₃d； 公式三

S＝k₄d； 公式四

其中，d为凹坑的直径，b为叶片2的宽度，k₁为修正系数，k₁＝0.05～0.2；h为凹坑的深度，k₂是修正系数，k₂＝0.2～0.5；L为凹坑的轴向间距，k₃是修正系数，k₃＝0.5～2；S为凹坑的径向间距，k₄＝1～3。

在一些实施例中，如图1所示，所述第一非光滑表面结构21在所述叶片2的工作面从距离所述进口11四分之一端开始至所述叶片2的工作面的另一端。

在一些实施例中，如图2所示，所述第二非光滑表面结构12为多个间隔分布的条状沟槽。

在一些实施例中，如图2所示，所述条状沟槽的截面为U形。本发明对叶轮盖板1面进行U型条状沟槽优化，沟槽自叶轮进口11至出口按照叶片2弧度均匀布置，这些沟槽可以使得流体作用在盖板1上的剪应力得到降低，从而达到优化叶轮流道内的流体流态，使得流体流态更均匀，从而流体流出叶轮进而作用到泵壳体上的脉动强度就会得到降低。

在一些实施例中，如图2所示，所述条状沟槽的设计满足下列关系：

B＝k₅D₁/Z； 公式五

H＝k₆B； 公式六

D＝k₇B； 公式七

其中，B为条状沟槽的宽度，Z为叶片2的数量，D₁为进口11的直径，k₅是修正系数，k₅＝0.03～0.15；H为条状沟槽的深度，k₆是修正系数，k₆＝0.3～0.8；D为条状沟槽的间距，k₇是修正系数，k₇＝0.5～3。

在一些实施例中，如图2所示，所述条状沟槽为自所述叶轮的进口11至所述叶轮的出口弯曲，所述条状沟槽的弯曲方向与所述叶片2的弯曲方向一致。

具体地，以一台低比转速离心泵为例来阐述本发明的实施过程。该泵的具体参数如下：额定功率为800w，比转速为32.0，扬程H＝15.2，流量Q＝3700L/H，转速n＝2775r/m，效率η＝16.2％，叶轮进口11直径D₁＝28.5mm，叶轮外径D₂＝121mm，出口宽度b₂＝4mm，包角Φ＝100°，进口11角β1＝19.3°，出口角β2＝35.0°，叶片2数Z＝6，叶轮前后盖板1厚度δ2＝2mm。

参考图1所示，在叶片2进口11四分之一段至出口设置圆锥形凹坑，凹坑直径用d来表述，本实施例叶片2宽度用b＝4mm，通过公式一可以算出d的值，本设计通过CFD正交数值计算后选择k₁＝0.11，从而根据公式一计算得到d＝0.45mm。

参考图1所示，对凹坑深度进行参数确定，凹坑深度用h来表述，通过CFD数值计算结果选用修正系数K₂＝0.3，从而根据公式二计算得到凹坑深度h＝0.135mm。

参考图1所示，对凹坑轴向间距进行参数确定，凹坑轴向间距用L来表述，通过CFD数值计算结果选用修正系数K₃＝0.8，根据公式三计算得到凹坑轴向间距L＝0.36mm。

参考图1所示，对凹坑径向间距进行参数确定，凹坑径向间距用S来表述，通过CFD数值计算结果选用修正系数K₄＝1.5，根据公式四计算得到凹坑径向间距S＝0.675mm。

参考图2所示，本实施例中叶片2个数Z＝6，叶轮进口11直径D1＝28.5mm，盖板1面上条状沟槽宽度用B来表述，通过CFD数值计算结果选用修正系数K₅＝0.07，根据公式五计算得到条状沟槽宽度B＝0.35mm。

参考图2所示，对条状沟槽深度进行参数确定，条状沟槽深度用H来表述，通过CFD数值计算结果选用修正系数K₆＝0.8，根据公式六计算得到条状沟槽深度H＝0.28mm。

参考图2所示，对条状沟槽之间间距进行参数确定，条状沟槽间距用D来表述，通过CFD数值计算结果选用修正系数K₇＝1.4，根据公式七计算得到条状沟槽间距D＝0.5mm。

如图3所示，是本实施例对叶轮的叶片2和盖板1经过非光滑表面设计前后的外特性曲线对比图，由曲线的变化趋势可以清楚的看到，模型泵的叶轮经过非光滑表面设计后，扬程与效率在各个工况点均有所提高，特别的，在额定工况下，扬程由原来的15.2m提高到15.9m，效率由原先的16.2％提高到16.8％，噪音降低到78dB。

如图4所示，是本实施例的经过非光滑表面设计前后的噪声声压频谱对比图，有曲线变化趋势可以得出，在整个频段内，经过非光滑表面优化后的模型泵相比于原模型泵的整体声压都是下降的，这也意味着非光滑表面设计后，模型泵的整体声压都下降了很多，也验证了非光滑表面达到了降低泵噪声的效果。

因此，本发明通过在叶轮处设置非光滑结构优化，从而达到提高离心泵性能，降低泵内脉动以及降低振动噪声的效果，即离心泵效率和降噪实现协同提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种非光滑表面的离心泵叶轮，其特征在于，包括：

盖板，所述盖板的中心部位具有一进口；

多个叶片，多个所述叶片环绕所述进口设置于所述盖板的一侧，多个所述叶片间隔分布，至少部分所述叶片的工作面上具有用于减阻的第一非光滑表面结构，其特征在于：所述第一非光滑表面结构为多个间隔分布的凹坑；所述凹坑为圆锥形凹坑，且所述凹坑的设计参数满足下列关系：

d＝k₁b；

h＝k₂d；

L＝k₃d；

S＝k₄d；

其中，d为凹坑的直径，b为叶片的宽度，k₁为修正系数，k₁＝0.05～0.2；h为凹坑的深度，k₂是修正系数，k₂＝0.2～0.5；L为凹坑的轴向间距，k₃是修正系数，k₃＝0.5～2；S为凹坑的径向间距，k₄＝1～3；

所述第一非光滑表面结构在所述叶片的工作面从距离所述进口四分之一端开始至所述叶片的工作面的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种非光滑表面的离心泵叶轮，至少部分相邻所述叶片之间对应的所述盖板上设有用于减阻的第二非光滑表面结构，其特征在于：所述第二非光滑表面结构为多个间隔分布的条状沟槽，且所述条状沟槽的截面为U形；所述条状沟槽的设计满足下列关系：

B＝k₅D₁/Z；

H＝k₆B；

D＝k₇B；

其中，B为条状沟槽的宽度，Z为叶片的数量，D₁为进口的直径，k₅是修正系数，k₅＝0.03～0.15；H为条状沟槽的深度，k₆是修正系数，k₆＝0.3～0.8；D为条状沟槽的间距，k₇是修正系数，k₇＝0.5～3；

所述条状沟槽为自所述叶轮的进口至所述叶轮的出口弯曲，所述条状沟槽的弯曲方向与所述叶片的弯曲方向一致。

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