CN109958659A - 一种具有导流结构的离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有导流结构的离心泵，包括泵体和至少一个导流叶片，所述泵体的出口端具有扩散段，所述至少一个导流叶片沿预设液体流动方向设置于所述扩散段内；所述导流叶片为弧拱形结构，所述导流叶片包括依次连接的前缘导流曲线段、中间导流曲线连接段和后缘导流直线段。本发明离心泵的泵体扩散段通过设置导流叶片，可以有效地减弱泵出口端不稳定流动，进而效地减弱离心泵内因湍流脉动、空化、旋转失速、动静干涉等因素引起泵内水动力噪声，降低泵水动力噪声对周围环境的污染。

Description

一种具有导流结构的离心泵

技术领域

本发明涉及离心泵水动力噪声消减领域，特别涉及一种具有导流结构 的离心泵。

背景技术

离心泵是重要的流体输送设备，广泛应用于石油化工、航空航天、船 舶工业、城市给水等国民经济的各个领域，用量大，且产生大量噪声。然 而，随着国家的经济技术水平的发展和人们的环保意识的逐步提高，离心 泵的减噪技术逐渐成为泵设计的重要指标。离心泵的噪声包括机械振动噪 声和水动力噪声。目前，随着三维数字设计、数控加工技术和主动控制技 术的快速发展，离心泵的机械振动噪声已经可以得到有效抑制。

然而，由于离心泵的水动力噪声产生机理复杂，其减噪技术尚未得到 很好的解决。离心泵内部水动力噪声是由流场的湍流脉动、旋转失速、空 化和动静干涉等激励引起的受迫振动问题。具体而言，湍流脉动不仅可以 直接诱导水动力噪声的产生，而且会激发机械部件的振动，振动会在相邻 的工作介质内引起声压波动，产生较大的噪声。离心泵在小流量工况下易 发生旋转失速现象，在叶轮各流道内会产生周期性的失速团，导致叶轮受到压力脉动的激振力，产生异常振动噪声。离心泵在运行过程中，当过流 区域局部液流的绝对压力低于当时温度的汽化压力时，液体开始汽化，形 成气泡，这些气泡随着水流流动到高压区时会破裂，而周围液体快速填充 空穴，造成局部高压射流，引起周围流体压力脉动，产生水激励。动静干 涉会干扰叶轮内部流动，诱使漩涡的发生，改变叶轮与压水室内的流动结 构，引起流场的压力脉动，产生水激励诱导振动。总体而言，流场的湍流 脉动、旋转失速、空化和动静干涉等因素加剧了泵出口流体流动不稳定性， 往往泵出口端的水动力噪声很大，而此处噪声又可通过管路向环境中传播， 这不可避免的造成环境的污染。因此，开展对离心泵出口端水动力噪声减 噪技术的研究具有重要的意义。

目前，已有的专利提出了一些措施，如中国专利申请号201111008136.0 文献记载的离心泵复合式水消声器，提出了由一级消声机构、二级消声机 构和保护罩组成的消声器，可以控制泵内非定常流动诱导噪声向下游管路 传播，但结构大、成本高、安装不方便；中国专利申请号201420421784.0 记载的一种提高离心泵噪声音质的叶轮，设计了一种叶片出口边不在同一 周面的叶轮，可以减小因叶片与隔舌动静干涉产生的噪声。现有的论文主 要集中在离心泵流动机理方面，通过数值模拟、试验等手段，优化水力模 型、结构设计制造等研究，对离心泵进行降噪。《超低比转速离心泵的减 振降噪设计》通过优化水力模型、成型工艺研究、结构设计、转子平衡技 术等方面开降噪设计；《船用离心泵减振降噪分析》从离心泵产生振动噪 声的因素出发，对某型船用离心泵进行了设计、制造改进，达到减噪目的； 《离心泵作透平倾斜叶片主动降噪》从同相位脉动水动力作用面积与辐射 噪声的关系出发，建立了叶片倾斜角度关系式，提出了在保证性能前提下 倾斜叶片的主动控制降噪方法；《某型离心泵减振降噪分析及优化设计》 通过数值模拟的方法，对泵的水力模型进行优化，达到减噪目的；《离心 泵组减噪降噪分析与研究》通过对泵组振动测试结果分析，提出了泵组优 化和降噪方案；《单级单吸离心泵设计及降噪技术研究》通过优化零部件、水力部件、优选电机等措施减噪。

综上所述，目前离心泵的减噪措施主要集中在泵水力部件上，如泵水 力模型优化、设计新的叶片、优化泵零部件等，或者设置消声装置，而对 泵的出口端专门设置有减噪功能的装置尚未见报道。

发明内容

本发明要解决是现有离心泵的水动力噪声大、对周围环境污染问题的 技术问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种具有导流结构的离心泵，包 括泵体和至少一个导流叶片，所述泵体的出口端具有扩散段，所述至少一 个导流叶片沿预设液体流动方向设置于所述扩散段内；

所述导流叶片为弧拱形结构，所述导流叶片包括依次连接的前缘导流 曲线段、中间导流曲线连接段和后缘导流直线段。

进一步地，所述导流叶片具有第一导流面，所述第一导流面为导流叶 片的凸面，所述第一导流面沿所述预设液体流动方向设有若干导流沟槽。

进一步地，所述第一导流面两侧的所述导流沟槽为三角形沟槽，所述 第一导流面中间的所述导流沟槽为齿形沟槽。

进一步地，所述离心泵包括两个所述导流叶片，两个所述导流叶片平 行且间隔设置于所述扩散段内。

进一步地，所述若干导流沟槽的宽度均相等，所述导流沟槽的总数满 足：

其中，B为导流叶片理论出口宽度，B'为导流沟槽宽，k₁的取值范围 为0.5-1.0。

进一步地，所述导流叶片的进口安放角α₁＝30°-60°，所述进口安放角 为所述前缘导流曲线段的进口切线方向与第一方向的夹角，所述第一方向 垂直于两个所述导流叶片之间形成的出口的延伸方向；

所述导流叶片的出口安放角α₂＝90°，所述出口安放角为所述后缘导流 直线段的延伸方向与所述第一方向的夹角；

所述前缘导流曲线段的倾角α₃＝70°-80°，所述倾角为所述前缘导流曲线 段远离进口一端的切线方向与所述第一方向的夹角。

进一步地，两个所述导流叶片之间形成的进口宽度B₂＝k₂B，两个所述 导流叶片之间形成的出口宽度B₁＝B₂sinα₁；

其中k₂＝λD_d/B，D_d为泵体扩散段的出口直径，B为导流叶片理论出口 宽度，λ的取值范围为0.1-0.3。

进一步地，所述导流叶片的进口高度h＝k₃H'，其中比例系数k₃的取值 范围为0.25-0.5，H'为泵体的扩散段高度；

所述前缘导流曲线段的型线高度h₁＝k₄h，其中k₄的取值范围为0.5-0.6；

所述后缘直线曲线段的型线高度h₂＝k₅h，其中k₅的取值范围为0.2-0.3。

进一步地，所述导流叶片理论出口宽度满足公式：

其中，ε为流道扩散角，所述流道扩散角的取值范围为6°-10°。

进一步地，所述导流叶片的厚度t为5mm-10mm；

和/或，

所述前缘导流曲线段的型线曲率半径R＝h₁/(cosα₁-cosα₃)；

和/或，

所述中间导流曲线连接段的型线对应的曲线方程为y＝ax³+bx²+cx+d， 其中a、b、c、d为常数，且a、b、c>0。

采用上述技术方案，本发明所述的具有导流结构的离心泵具有如下有 益效果：

1)本发明离心泵的泵体扩散段通过设置导流叶片，可以有效地减弱泵 出口端不稳定流动，进而效地减弱离心泵内因湍流脉动、空化、旋转失速、 动静干涉等因素引起泵内水动力噪声，降低泵水动力噪声对周围环境的污 染；

2)本发明的导流叶片采用三角形、齿形等微造型导流槽不仅进一步地 减弱泵出口端不稳定流动现象，而且起到减阻作用，减小导流叶片的磨损。

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为本发明实施例离心泵的结构示意图；

图2为本发明实施例泵体扩散段尺寸示意图；

图3为本发明实施例导流叶片的型线示意图；

图4为本发明实施例导流叶片的导流沟槽结构示意图；

图5为本发明的实施例与未安装减噪装置的泵出口端偶极子声源声压 频率分布对比图。

以下对附图作补充说明：

1-泵体，101-泵体扩散段，2-导流叶片，e-前缘导流曲线段，f-后缘导 流直线段，g-中间导流曲线连接段。

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。应该理解这样使用的数据在适当情况 下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描 述的那些以外的顺序实施。

实施例1：

结合图1-图4所示，一种具有导流结构的离心泵，包括泵体1和至少 一个导流叶片，所述泵体1的出口端具有扩散段101，所述至少一个导流叶 片沿预设液体流动方向设置于所述扩散段101内；

所述导流叶片为弧拱形结构，所述导流叶片包括依次连接的前缘导流 曲线段e、中间导流曲线连接段g和后缘导流直线段f。

所述导流叶片具有第一导流面，所述第一导流面为导流叶片的凸面， 所述第一导流面沿所述预设液体流动方向设有若干导流沟槽。

所述导流沟槽沿所述导流叶片的型线均匀布置，且所述导流沟槽的截 面与所述导流叶片的型线垂直。

所述若干导流沟槽的宽度均相等，所述导流沟槽的总数满足：

其中，B为导流叶片理论出口宽度，B'为导流沟槽宽，比例系数 k₁＝0.5-1.0。

所述第一导流面两侧的所述导流沟槽为三角形沟槽，所述第一导流面 中间的所述导流沟槽为齿形沟槽。

所述三角形沟槽的宽度B'＝k₁t，k₁的取值范围为0.5-1.0，所述三角形沟 槽的深度为所述三角形沟槽的宽度的1/2。

所述齿形沟槽的宽度B'＝k₁t，k₁的取值范围为0.5-1.0，所述齿形沟槽的 深度为所述齿形沟槽的深度的1/2，所述齿形沟槽的曲率为0.2-0.5。

所述离心泵包括两个所述导流叶片，两个所述导流叶片平行且间隔设 置于所述扩散段101内。

所述导流叶片的进口安放角α₁＝30°-60°，所述进口安放角为所述前缘 导流曲线段e的进口切线方向与第一方向的夹角，所述第一方向垂直于两 个所述导流叶片之间形成的出口的延伸方向；

所述导流叶片的出口安放角α₂＝90°，所述出口安放角为所述后缘导流 直线段f的延伸方向与所述第一方向的夹角。

所述前缘导流曲线段e的倾角α₃＝70°-80°，所述倾角为所述前缘导流曲 线段e远离进口一端的切线方向与所述第一方向的夹角。

两个所述导流叶片之间形成的进口宽度B₂＝k₂B，其中k₂＝λD_d/B，D_d为 泵体1扩散段101的出口直径，B为导流叶片理论出口宽度，λ的取值范围 为0.1-0.3；

两个所述导流叶片之间形成的出口宽度B₁＝B₂sinα₁；

所述导流叶片的进口高度h＝k₃H'，其中比例系数k₃＝0.25-0.5，H'为泵 体1的扩散段101高度。

所述导流叶片的厚度t为5mm-10mm。

所述前缘导流曲线段e的型线高度h₁＝k₄h，其中k₄的取值范围为0.5-0.6；

所述后缘直线曲线段的型线高度h₂＝k₅h，其中k₅的取值范围为0.2-0.3；

所述前缘导流曲线段e的型线曲率半径R＝h₁/(cosα₁-cosα₃)。

所述导流叶片理论出口宽度满足公式：

其中，ε为流道扩散角，ε的取值范围为6°-10°。

所述中间导流曲线连接段g的型线对应的曲线方程为y＝ax³+bx²+cx+d， 其中a、b、c、d为常数，且a、b、c>0。

实施例2：

结合附图1、2、3和4所示，以一台比转速为158的离心泵为例，其 设计参数为，设计流量Qd＝330m3/h，扬程H＝35m，转速n＝2792r/min。

泵体1扩散段101的出口直径D_d＝280mm、泵体1扩散段101的高度 H'＝300mm、流道扩散角ε＝8°；

导流叶片的理论出口宽度B＝65mm，比例系数取k＝1.0；

导流叶片的进口安放角α₁＝40°、导流叶片的出口安放角α₂＝90°、导 流叶片的前缘导流曲线段e的倾角α₃＝70°。

导流叶片的出口宽度B₂＝65mm，导流叶片的进口宽度B₁＝42mm，导流 叶片的进口高度h＝150mm，导流叶片的厚度t＝5mm；

所述前缘导流曲线段e的型线高度h₁＝0.6h＝90mm，所述后缘导流直线 段f的型线高度h₂＝0.2h＝30mm，所述前缘导流曲线段e的型线曲率半径 R＝h₁/(cosα₁-cosα₃)＝212mm；所述中间导流曲线连接段g的曲线方程采用 y＝5x³+3x²+x。

如图3、4所示，三角形导流沟槽的宽B'＝1.0t＝5mm，槽深为2.5mm； 齿形导流沟槽的宽B'＝1.0t＝5mm，槽最大深度为2.5mm，槽的齿形的曲率为 0.3；所述第一导流面的两侧设有三角形微型导流沟槽、中间段设有齿形微 型导流沟槽，且这两种沟槽宽度相等，沟槽总数为B/B'＝15；三角形导流沟 槽和齿形导流沟槽沿叶片型线均匀布置，且导流沟槽的截面与导叶型线垂 直。

为了验证该实施例离心泵的减噪效果，采用CFD和LMS(LMS Virtual Lab)方法分别对离心泵安装导流结构和未安装导流结构的水动力噪声进行 模拟，如图5所示为泵出口端的偶极子声源声压频率分布对比图，从图5 中可以看出，安装导流结构的本实施例的泵出口端噪声强度明显减小，达 到了减噪效果。

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 (10)

1.一种具有导流结构的离心泵，其特征在于，包括泵体和至少一个导流叶片，所述泵体的出口端具有扩散段，所述至少一个导流叶片沿预设液体流动方向设置于所述扩散段内；

所述导流叶片为弧拱形结构，所述导流叶片包括依次连接的前缘导流曲线段、中间导流曲线连接段和后缘导流直线段。

2.根据权利要求1所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述导流叶片具有第一导流面，所述第一导流面为导流叶片的凸面，所述第一导流面沿所述预设液体流动方向设有若干导流沟槽。

3.根据权利要求2所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述第一导流面两侧的所述导流沟槽为三角形沟槽，所述第一导流面中间的所述导流沟槽为齿形沟槽。

4.根据权利要求3所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述离心泵包括两个所述导流叶片，两个所述导流叶片平行且间隔设置于所述扩散段内。

5.根据权利要求4所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述若干导流沟槽的宽度均相等，所述导流沟槽的总数满足：

其中，B为导流叶片理论出口宽度，B'为导流沟槽宽，k₁的取值范围为0.5-1.0。

6.根据权利要求5所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述导流叶片的进口安放角α₁＝30°-60°，所述进口安放角为所述前缘导流曲线段的进口切线方向与第一方向的夹角，所述第一方向垂直于两个所述导流叶片之间形成的出口的延伸方向；

所述导流叶片的出口安放角α₂＝90°，所述出口安放角为所述后缘导流直线段的延伸方向与所述第一方向的夹角；

所述前缘导流曲线段的倾角α₃＝70°-80°，所述倾角为所述前缘导流曲线段远离进口一端的切线方向与所述第一方向的夹角。

7.根据权利要求6所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，两个所述导流叶片之间形成的进口宽度B₂＝k₂B，两个所述导流叶片之间形成的出口宽度B₁＝B₂sinα₁；

其中k₂＝λD_d/B，D_d为泵体扩散段的出口直径，B为导流叶片理论出口宽度，λ的取值范围为0.1-0.3。

8.根据权利要求7所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述导流叶片的进口高度h＝k₃H'，其中比例系数k₃的取值范围为0.25-0.5，H'为泵体的扩散段高度；

所述前缘导流曲线段的型线高度h₁＝k₄h，其中k₄的取值范围为0.5-0.6；

所述后缘直线曲线段的型线高度h₂＝k₅h，其中k₅的取值范围为0.2-0.3。

9.根据权利要求8所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述导流叶片理论出口宽度满足公式：

其中，ε为流道扩散角，所述流道扩散角的取值范围为6°-10°。

10.根据权利要求9所述的具有导流结构的离心泵，其特征在于，所述前缘导流曲线段的型线曲率半径R＝h₁/(cosα₁-cosα₃)；

和/或，

所述中间导流曲线连接段的型线对应的曲线方程为y＝ax³+bx²+cx+d，其中a、b、c、d为常数，且a、b、c>0。