CN110374924A - 一种混流泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混流泵，所述混流泵包括蜗壳和叶轮；所述蜗壳的出口与所述叶轮的进口连通；所述蜗壳相对所述叶轮的转轴处中心线倾斜设置，以使所述蜗壳出口的中心线相对所述叶轮的转轴处中心线存在流动锥角θ。蜗壳出口的倾斜放置能够起到改善混流泵作透平叶轮进口来流的作用，有利于减少水力损失，提升混流泵作透平机组性能。本发明可广泛应用于大流量、低水头微型水力发电站中。

Description

一种混流泵

技术领域

本发明涉及液体压力余能回收和小型水力发电领域，特别涉及一种应用于大流量、低水头水力发电站中作透平的混流泵。

背景技术

液体压力能是一种可再生的清洁能源。随着社会发展对能源需求的不断上升，以及节能意识的不断增强，开发利用分散型小功率液体压力能将对建设资源节约型环境友好型社会起到重要的意义。采用泵反转用作透平回收液体余压的方式具有体积小、结构简单、运行维护方便等优点，在工业流程、小水电等节能领域均有广泛运用。

与常规的混流式水轮机不同的是，混流泵作透平由于其径向尺寸限制，通常不设置导叶结构，即高压来流从蜗壳流出后直接进入叶轮流道，故蜗壳出口的结构和形式对叶轮内部流动起着关键的作用。理想的蜗壳出口设计能将出流合理的引至叶轮进口处，减小叶轮流道的水力损失和二次流涡旋现象。目前与混流泵作透平叶轮相匹配的蜗壳中，其出口设计多为参考离心泵作透平的蜗壳出口方式，即蜗壳出口为径向，具体的蜗壳出口的中心线与转轴轴线之间的夹角为90°。

由于混流泵作透平叶轮进口存在一定倾斜角，因此流体从蜗壳出口以径向流出后，速度经过方向上的改变进入叶轮流道，在间隙区域产生一定的损失，影响机组整体效率。与此同时，现有的采用径向出流形式的蜗壳出口与混流式叶轮后盖板轮缘处间隙较大，导致了后泵腔间隙流场与主流流场的过流面积较大，进一步加大了后泵腔间隙流场对主流流场的冲击损失。因此，目前的混流泵作透平蜗壳结构，一定程度上影响了机组的使用效率。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种蜗壳出口液流带有流动锥角θ的混流泵，以适应带有倾斜角度的叶轮，改善叶轮进流条件，降低叶轮进口冲击损失，以提升机组运行性能。

本发明提供了一种混流泵，所述混流泵包括蜗壳和叶轮；所述蜗壳的出口与所述叶轮的进口连通；所述蜗壳相对所述叶轮的转轴处中心线倾斜设置，以使所述蜗壳出口的中心线相对所述叶轮的转轴处中心线存在流动锥角θ。

进一步的，所述蜗壳的出口端所在的平面与所述叶轮的进口端所在的平面相互平行。

进一步的，所述蜗壳出口的中心线与所述叶轮进口的中心线相重合。

进一步的，所述蜗壳出口端与所述叶轮进口端之间的间距为所述叶轮平均外径的3％～8％。

进一步的，所述流动锥角θ为锐角。

进一步的，所述蜗壳的内腔的粗糙度Ra＜6.3μm。

进一步的，所述叶轮包括前盖板和后盖板，所述前盖板和所述后盖板合围形成的进口与所述蜗壳的出口连通。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、蜗壳出口方向经过倾斜后与叶轮进口平行，高压液体沿着蜗壳出口法向流出后直接进入叶轮流道，减少了由于速度方向改变引起的二次流涡旋及水力损失。

2、蜗壳出口倾斜后，蜗壳出流在轴面上的速度投影方向与叶轮前后盖板平行，减小了尤其是前盖板的轮缘冲击损失，进一步改善了叶轮进口区域的流动状态。

3、蜗壳出口倾斜后减小了混流泵作透平叶轮后盖板与蜗壳之间的间隙距离，减小了后泵腔间隙的过流面积，降低了后泵腔间隙流场对叶轮进口的冲击损失。本发明可广泛应用于大流量、低水头微型水力发电站中。

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为本发明实施例所述混流泵的结构示意图；

图2为现有技术中径向出口蜗壳过流截面流线分布图；

图3为本发明所述混流泵的蜗壳过流截面流线分布图；

图4为本发明与与传统的径向出口蜗壳情况下混流泵作透平的各项性能对比示意图；

图5为本发明所述混流泵中三维水体及流动方向示意图。

以下对附图作补充说明：

1-蜗壳；101-蜗壳出口；102-蜗壳内腔；2-叶轮；201-前盖板；202-后盖板；203-叶轮进口；3-流动锥角θ。

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：

如图1所示，本发明实施例提供了一种混流泵，所述混流泵包括蜗壳1和叶轮2；所述蜗壳的出口101与所述叶轮的进口203连通；

所述蜗壳1相对所述叶轮2的中心线倾斜放置，以使所述蜗壳出口101的中心线相对所述叶轮2的中心线存在流动锥角θ3。

可以理解的是，现有技术中混流泵作透平叶轮相匹配的蜗壳中，其出口设计多为参考离心泵作透平的蜗壳出口方式，即蜗壳出口为径向，具体的蜗壳出口的中心线与转轴轴线之间的夹角为90°。而本发明中通过设置了流动锥角θ3能够改变蜗壳1出流流向，以一方面根据实际叶轮2情况，取相应的流动锥角θ3值，能够适应不同进口的叶轮2，另一方面也能够减少由于速度方向改变引起的二次流涡旋及水力损失。

在一些可行的实施方式中，所述蜗壳出口端所在的平面与所述叶轮进口端所在的平面相互平行，以使得流体进入叶轮2流道前不发生方向上的转变，且能够有效减小的后泵腔间隙与主流区的过流面积。从而混流泵作透平内部流场沿流线流动不发生方向突变，以减小由水流冲击、涡流产生的能量损失。可以理解的是，若蜗壳出口101倾斜后与叶轮进口203不平行，仍存在一定的夹角，则蜗壳1出流在进入叶轮2前仍需改变流动方向，无法实现直接入流的作用而导致能量损失。

在一些可行的实施方式中，所述蜗壳出口101的中心线与所述叶轮进口203的中心线相重合。

具体的，可以通过改变混流泵转轴长度来调节叶轮2和蜗壳1相对位置，以保证蜗壳1出流均匀流入叶轮2流道，避免倾斜后的蜗壳出口101中心线与叶轮进口203中心线不重合，导致部分流体在流出蜗壳1后仍需进行流向转变，从而减小其引起能量损失。

在一些可行的实施方式中，所述蜗壳出口端与所述叶轮进口端之间的间距为所述叶轮2平均外径的3％～8％。

在一些可行的实施方式中，所述流动锥角θ3为锐角，也即所述蜗壳出口101的中心线与所述叶轮2的中心线之间的夹角为锐角。

可以理解的是，所述流动锥角θ3或所述夹角也即为蜗壳1液体出流在叶轮2轴面上的速度投影与转轴的夹角为锐角。

进一步的，所述流动锥角θ3可以根据实际情况进行具体取值，比如根据叶轮2的进口方向取值等。

在一些可行的实施方式中，所述蜗壳的内腔102的粗糙度Ra＜6.3μm。

在一些可行的实施方式中，所述叶轮2包括前盖板201和后盖板202，所述前盖板201和所述后盖板202合围形成的进口与所述蜗壳的出口101连通。

蜗壳是水流进入混流泵作透平的第一个部件，本发明实施例所述的蜗壳1其能够将水流以最小的水力损失引至叶轮进口203处。另外，为了提高叶轮的做功效率及保证机组的运行稳定性，要求进入叶轮前的水流具有一定的速度环量。与常规的水轮机不同的是，在混流泵作透平中，由于不存在导叶结构，高压流体通过从蜗壳流出后直接进入叶轮流道，故蜗壳的出口形式很大程度上决定了叶轮的入流状态。另外，与离心泵作透平叶轮不同的是，混流泵作透平的叶轮进口203边存在倾斜角，在采用传统的径向出口蜗壳1的情况下，混流泵作透平内部流体从蜗壳1流出后，流动的速度和大小发生转变以进入叶轮2流道，速度变化的过程中通常伴随着能量的损失，降低了混流泵作透平的运行效率。本发明实施例将蜗壳出口101进行倾斜设置，使得蜗壳出口101处与叶轮进口203处相平行，同时蜗壳出口101中心线与叶轮进口203中心线相重合，从而使得介质从蜗壳出口101流出直接进入叶轮2流道；此外，蜗壳出口101倾斜后减小了蜗壳出口101基圆最小直径，减小了混流泵作透平后泵腔与主流区的过流断面面积，减小了主流区的冲击损失。

因此，采用本发明的混流泵作透平运行效率要明显优于传统的径向出口蜗壳，下面结合CFD流动模拟计算进行说明。图2给出了现有技术中蜗壳过流截面流线分布图。图3给出了本发明所述混流泵的蜗壳1过流截面流线分布情况。根据图2和图3可见，采用径向出口蜗壳的混流泵作透平在前后盖板轮缘处存在二次流漩涡，后盖板轮缘更为明显。随着蜗壳出口101倾斜，叶轮进口203处漩涡明显减小。这是因为，混流泵作透平叶轮进口203边存在一定的倾斜角度，叶轮前盖板首先接触到高压来流，提前开始对叶轮做功，与后进入叶轮流道的液体相比，压力降低，这样就在前盖板轮缘附近形成了垂直于来流的横向压差，形成了指向前盖板的二次回流漩涡。此外，径向出口蜗壳的混流泵作透平的叶轮前盖板与流体存在一定的来流冲击角，流体绕过前盖板轮缘后开始有剥离趋势并产生静压差Δp，形成局部低压区，低压区的面积与流量大小有关。低压力区与周围流体的差压力法向作用在该侧主流上，形成向心加速度，也就是流体绕过前盖板轮缘后形成角区分离涡。与此同时，因叶轮后盖板轮缘处与蜗壳出口距离相对较大，其后泵腔与主流区的过流面积较大，在后盖板轮缘处形成受到后泵腔出流的影响，同样也造成了叠加于主流之上的二次流。由此可见，与传统的径向蜗壳出口的混流泵作透平相比，本发明所述的混流泵，其蜗壳1流出进入叶轮2的流体分布均匀，无明显漩涡产生，有利于减小水力损失。

进一步的，图4给出了本发明与径向蜗壳出口的混流泵作透平的外特性对比情况，可见，本发明所述混流泵的水头、轴功率及效率均有明显的提升。

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 (7)

1.一种混流泵，其特征在于，所述混流泵包括蜗壳(1)和叶轮(2)；所述蜗壳的出口(101)与所述叶轮的进口(203)连通；

所述蜗壳(1)相对所述叶轮(2)的转轴处中心线倾斜设置，以使所述蜗壳出口(101)的中心线相对所述叶轮(2)的转轴处中心线存在流动锥角θ(3)。

2.根据权利要求1所述的混流泵，其特征在于，所述蜗壳的出口端所在的平面与所述叶轮的进口端所在的平面相互平行。

3.根据权利要求1所述的混流泵，其特征在于，所述蜗壳出口(101)的中心线与所述叶轮进口(203)的中心线相重合。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的混流泵，其特征在于，所述蜗壳出口端与所述叶轮进口端之间的间距为所述叶轮平均外径的3％～8％。

5.根据权利要求1所述的混流泵，其特征在于，所述流动锥角θ(3)为锐角。

6.根据权利要求1所述的混流泵，其特征在于，所述蜗壳的内腔(102)的粗糙度Ra＜6.3μm。

7.根据权利要求1所述的混流泵，其特征在于，所述叶轮(2)包括前盖板(201)和后盖板(202)，所述前盖板(201)和所述后盖板(202)合围形成的进口与所述蜗壳的出口(101)连通。