CN110500312A - 一种离心泵叶轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种离心泵叶轮，包括多个叶片、前盖板和后盖板，至少一个所述叶片的开口边设有第一沟槽，所述前盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第二沟槽，所述后盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第三沟槽，所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽相互连通形成用于改善叶轮出口流态的沟槽结构。本发明离心泵叶轮能够改善叶轮中流体的出口流态，优化叶轮出口至隔舌间流体的流动，最终达到改善目前离心泵运行时的振动现象。

Description

一种离心泵叶轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及离心泵技术领域，特别涉及一种离心泵叶轮及其设计方法。

背景技术

离心泵作为一种基础通用水力机械，广泛应用于给水排水、农业、工业、车辆工程、航海工程和航空航天工程。振动噪声是离心泵性能评价的重要指标，由多方面因素导致，其中动静干涉是引起机组振动的关键因素，螺旋形压水室的几何不对称性和叶轮旋转造成的动静干涉作用导致了隔舌处速度和压力的明显变化，极易产生流道诱导振动，恶化离心泵工作环境，影响运行稳定性，缩短工作寿命。

发明内容

本申请实施例通过提供一种离心泵叶轮及其设计方法，解决了现有技术中由于叶轮和隔舌间动静干涉作用导致的振动问题，改善目前离心泵运行时的振动现象。

为解决上述技术问题，本发明公开了第一方面，公开了一种离心泵叶轮，包括多个叶片、前盖板和后盖板，至少一个所述叶片的开口边设有第一沟槽，所述前盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第二沟槽，所述后盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第三沟槽，所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽相互连通形成用于改善叶轮出口流态的沟槽结构。

可选地，所述沟槽结构的数量小于等于所述叶片的数量。

可选地，所述沟槽结构为工字型或H型。

第二方面，本发明公开了一种离心泵叶轮设计方法，所述方法包括以下步骤：

S1.根据泵扬程、运行流量和比转速参数，计算第一沟槽的宽度和深度，并以叶片的出口边中心线对称布置所述第一沟槽；

S2.以步骤S1参数为依据，计算第二沟槽、第三沟槽的宽度和深度，以前盖板的外缘壁面的中心线对称布置所述第二沟槽，以后盖板的外缘壁面的中心线对称布置所述第三沟槽；

S3.根据叶片数分别确定所述第二沟槽和所述第三沟槽的数量、开槽安装角度；

S4.确定所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽的联接处尺寸，并连同所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽。

可选地，所述步骤S1具体包括：

(a)计算所述第一沟槽的宽度l₁：

当30≤n_s<80时，

当80≤n_s<150时，

当150≤n_s<200时，

当200≤n_s<300时，

(b)计算所述第一沟槽的槽深h₁：

当30≤n_s<80时，

当80≤n_s<150时，

当150≤n_s<200时，

当200≤n_s<300时，

式中，n_s为比转速，Q为设计流量，n为泵转速。

所述步骤S2具体包括：

(a)计算所述第二沟槽的深度h₂和所述第三沟槽的深度h₃：

h₂＝h₃＝h₁

(b)计算所述第二沟槽的槽宽l₂和所述第三沟槽的槽宽l₃：

式中，t₁为前盖板的厚度，t₂为后盖板的厚度。

可选地，所述步骤S3具体包括：

确定第二沟槽或第三沟槽的数量N：

当30≤n_s<150时，N＝叶片数

当150≤n_s<200时，N＝叶片数-1

当200≤n_s<300时，N＝叶片数-2

确定所述第二沟槽或所述第三沟槽的沟槽圆心角θ：

当30≤n_s<150时，

当150≤n_s<300时，

其中，θ为第二沟槽两端的圆心与前盖板或后盖板中心形成的夹角，所述第三沟槽和所述第二沟槽的沟槽圆心角相等，所述第二沟槽和所述第三沟槽的数量相等。

可选地，所述步骤S4具体包括：

确定所述第一沟槽和所述第二沟槽的联接圆角处的圆角半径r_h1：

确定所述第一沟槽和所述第三沟槽的联接圆角处的圆角半径r_h2

式中，t₁为前盖板的厚度，t₂为后盖板的厚度，l₂为第二沟槽的槽宽，l₃为所述第三沟槽的槽宽。

采用上述技术方案，本发明所述的离心泵叶轮及其设计方法具有如下有益效果：

本发明针对离心泵叶轮和蜗壳的动静干涉引起隔舌处振动的问题，通过在叶片出口边和前后盖板处设置特定的沟槽，改善叶轮中流体的出口流态，优化叶轮出口至隔舌间流体的流动，最终达到改善目前离心泵运行时的振动现象。此结构简单易实现，能够在低成本的条件下有效的调整离心泵运行时稳定性。

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为实施例中第一、第二和第三沟槽截面示意图。

图2为实施例中前盖板的第二沟槽尺寸示意图。

图3为实施例中第二沟槽截面示意图。

图4为实施例中后盖板的第三沟槽尺寸示意图。

图5为实施例中第三沟槽截面示意图。

图6为实施例中离心泵叶轮的沟槽结构尺寸图。

图7为实施例中沟槽结构匹配放大示意图。

图8为实施例中数值模拟的压力脉动前后对比图。

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：

一种离心泵叶轮，包括多个叶片、前盖板和后盖板，至少一个所述叶片的开口边设有第一沟槽，所述前盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第二沟槽，所述后盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第三沟槽，所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽相互连通形成用于改善叶轮出口流态的沟槽结构。

所述沟槽结构的数量小于等于所述叶片的数量。

所述沟槽结构为工字型或H型。

本发明实施例还提供一种离心泵叶轮设计方法，所述方法包括以下步骤：

S1.根据泵扬程、运行流量和比转速参数，计算第一沟槽的宽度和深度，并以叶片的出口边中心线对称布置所述第一沟槽；

S2.以步骤S1参数为依据，计算第二沟槽、第三沟槽的宽度和深度，以前盖板的外缘壁面的中心线对称布置所述第二沟槽，以后盖板的外缘壁面的中心线对称布置所述第三沟槽；

S3.根据叶片数分别确定所述第二沟槽和所述第三沟槽的数量、开槽安装角度；

S4.确定所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽的联接处尺寸，并连同所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽。

所述步骤S1具体包括：

(a)计算所述第一沟槽的宽度l₁：

当30≤n_s<80时，

当80≤n_s<150时，

当150≤n_s<200时，

当200≤n_s<300时，

(b)计算所述第一沟槽的槽深h₁：

当30≤n_s<80时，

当80≤n_s<150时，

当150≤n_s<200时，

当200≤n_s<300时，

式中，n_s为比转速，Q为设计流量，n为泵转速。

所述步骤S2具体包括：

(a)计算所述第二沟槽的深度h₂和所述第三沟槽的深度h₃：

h₂＝h₃＝h₁

(b)计算所述第二沟槽的槽宽l₂和所述第三沟槽的槽宽l₃：

式中，t₁为前盖板的厚度，t₂为后盖板的厚度。

所述步骤S3具体包括：

确定第二沟槽或第三沟槽的数量N：

当30≤n_s<150时，N＝叶片数

当150≤n_s<200时，N＝叶片数-1

当200≤n_s<300时，N＝叶片数-2

确定所述第二沟槽或所述第三沟槽的沟槽圆心角θ：

当30≤n_s<150时，

当150≤n_s<300时，

其中，θ为第二沟槽两端的圆心与前盖板或后盖板中心形成的夹角，所述第三沟槽和所述第二沟槽的沟槽圆心角相等，所述第二沟槽和所述第三沟槽的数量相等。

所述步骤S4具体包括：

确定所述第一沟槽和所述第二沟槽的联接圆角处的圆角半径r_h1：

确定所述第一沟槽和所述第三沟槽的联接圆角处的圆角半径r_h2

式中，t₁为前盖板的厚度，t₂为后盖板的厚度，l₂为第二沟槽的槽宽，l₃为所述第三沟槽的槽宽。

具体地，以一转速n＝2950r/min，流量Q＝30m³/h，扬程H＝54m，效率η＝72％的离心泵为例，其叶轮外径D＝195mm，出口宽度b＝5.1mm；前盖板顶端厚度为t₁＝2mm，后盖板顶端厚度为t₂＝2.5mm，叶轮叶片数为6。

该离心泵比转速

将n_s＝49.34代入上述对应式子，

h₁＝h₂＝h＝0.82mm

沟槽数N＝叶片数＝6

沟槽安装圆心角

为保证叶轮进出口水流稳定进出，在前后盖板沟槽和叶轮沟槽连接处通过圆角连接构成H型沟槽，圆角处尺寸如下：

该具体实施方式下，离心泵叶轮压力脉动幅值和周期关系的在开槽前和开槽后的模拟结果如图8所示，开槽后的离心泵叶轮压力脉动幅值-0.13到0.15的范围内，明显优于开槽之前的离心泵叶轮。

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 (8)

1.一种离心泵叶轮，包括多个叶片、前盖板和后盖板，其特征在于，至少一个所述叶片的开口边设有第一沟槽，所述前盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第二沟槽，所述后盖板的外缘壁面上对应第一沟槽的位置处设有第三沟槽，所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽相互连通形成用于改善叶轮出口流态的沟槽结构。

2.根据权利要求1所述的离心泵叶轮，其特征在于，所述沟槽结构的数量小于等于所述叶片的数量。

3.根据权利要求1或2所述的离心泵叶轮，其特征在于，所述沟槽结构为工字型或H型。

4.一种离心泵叶轮设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1.根据泵扬程、运行流量和比转速参数，计算第一沟槽的宽度和深度，并以叶片的出口边中心线对称布置所述第一沟槽；

S2.以步骤S1参数为依据，计算第二沟槽、第三沟槽的宽度和深度，以前盖板的外缘壁面的中心线对称布置所述第二沟槽，以后盖板的外缘壁面的中心线对称布置所述第三沟槽；

S3.根据叶片数分别确定所述第二沟槽和所述第三沟槽的数量、开槽安装角度；

S4.确定所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽的联接处尺寸，并连同所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽。

5.根据权利要求4所述的离心泵叶轮设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

(a)计算所述第一沟槽的宽度l₁：

当30≤n_s<80时，

当80≤n_s<150时，

当150≤n_s<200时，

当200≤n_s<300时，

(b)计算所述第一沟槽的槽深h₁：

当30≤n_s<80时，

当80≤n_s<150时，

当150≤n_s<200时，

当200≤n_s<300时，

式中，n_s为比转速，Q为设计流量，n为泵转速。

6.根据权利要求5所述的离心泵叶轮设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

(a)计算所述第二沟槽的深度h₂和所述第三沟槽的深度h₃：

h₂＝h₃＝h₁

(b)计算所述第二沟槽的槽宽l₂和所述第三沟槽的槽宽l₃：

式中，t₁为前盖板的厚度，t₂为后盖板的厚度。

7.根据权利要求6所述的离心泵叶轮设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

确定第二沟槽或第三沟槽的数量N：

当30≤n_s<150时，N＝叶片数

当150≤n_s<200时，N＝叶片数-1

当200≤n_s<300时，N＝叶片数-2

确定所述第二沟槽或所述第三沟槽的沟槽圆心角θ：

当30≤n_s<150时，

当150≤n_s<300时，

其中，θ为第二沟槽两端的圆心与前盖板或后盖板中心形成的夹角，所述第三沟槽和所述第二沟槽的沟槽圆心角相等，所述第二沟槽和所述第三沟槽的数量相等。

8.根据权利要求7所述的离心泵叶轮设计方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

确定所述第一沟槽和所述第二沟槽的联接圆角处的圆角半径r_h1：

确定所述第一沟槽和所述第三沟槽的联接圆角处的圆角半径r_h2

式中，t₁为前盖板的厚度，t₂为后盖板的厚度，l₂为第二沟槽的槽宽，l₃为所述第三沟槽的槽宽。