CN110500314B - 一种叶轮、离心泵及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叶轮、离心泵及车辆。车辆包括车体，所述车体上安装有循环冷却和加热系统，所述循环冷却和加热系统包括离心泵，所述离心泵包括泵体，所述泵体包括蜗壳以及安装在蜗壳内的叶轮，所述叶轮包括安装板，所述安装板的前侧安装有多个前叶片，且多个前叶片在安装板上周向间隔分布，所述前叶片包角为α，且106°≤α≤111°，所述前叶片出口安放角为β，且35°≤β≤38°，所述前叶片出口宽度为d，且4mm≤d≤5mm，所述蜗壳的进口宽度为b，且4.5mm≤b≤5.5mm，所述蜗壳的隔舌安放角为θ，且25.5°≤θ≤26.5°。该离心泵运用于小流量高扬程场合时具有较高的泵效，可用于车辆上的冷却和热循环系统中，增强了车辆中的冷却和热循环系统的性能。

Description

一种叶轮、离心泵及车辆
技术领域
本发明涉及一种叶轮、离心泵及车辆。
背景技术
目前新能源汽车内部需安装冷却和加热系统，换热介质在循环过程中经过加热或散热形成相对高温或低温的液体，然后再通过离心泵将换热介质输送新能源汽车的各个零部件，通过热交换达到传递热量的目的，从而使新能源汽车的各个系统在稳定可靠温度下长期运行。离心泵在该系统中作为驱动小流量换热介质流动的动力源，需克服管路沿程损失、局部阻力损失、位置差等不利因素。因此新能源汽车中的离心泵的高效点需稳定在小流量高扬程处，但是目前市场上的离心泵多为低扬程电泵(最高扬程约10m)，很难满足对换热性能要求越来越高的新能源汽车的发展需求。
现有技术的此类作为管路中液体输送的动力源的离心泵，如中国专利公告号CN104389813B的发明专利说明书中所公开了一种叶轮及离心泵，该离心泵中的叶轮包括盖板和多个叶片，多个叶片均设在盖板的一侧表面上，且多个叶片在盖板的周向上间隔分布，通过将叶片包角(即叶片的叶尖点与盖板中心的连线与叶片的叶根点与盖中心的连线形成的夹角)设置为120°，从而可以有效的提高叶轮的流量及扬程。但上述的此类离心泵主要应用于需要瞬时输送量较高的场合，例如洗碗机，因此其高效点稳定在大流量大扬程处，并不适合于上述的新能源汽车中的冷却和加热系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于小流量高扬程场合的离心泵的、能够提高离心泵的工作效率的叶轮；本发明的目的还在于提供一种安装上述叶轮的离心泵和车辆。
为实现上述目的，本发明的叶轮的技术方案是：
一种叶轮包括盖板，所述盖板的前侧安装有多个前叶片，且多个前叶片在盖板上周向间隔分布，所述前叶片包角为α，且106°≤α≤111°，所述前叶片出口安放角为β，且35°≤β≤38°，所述前叶片出口宽度为d，且4mm≤d≤5mm。
有益效果：过大的前叶片包角增大前叶片摩擦面积不利于提高水利效率；过小的前叶片包角降低了前叶片对流体的控制能力和液流稳定性，也不利于提高泵的效率。保证前叶片安放角调节的同时进行前叶片绘形，任意控制前叶片包角大小，在此基础上进行数值模拟试验。通过大量实验发现当106°≤α≤111°、35°≤β≤38°且4mm≤d≤5mm时，该叶轮适用于小流量高扬程场合时具有较高的泵效。
具体的，所述安装板后侧安装有多个用于将前叶片固定在安装板上的背叶片，所述背叶片设有与前叶片连接的连接部。设置背叶片有助于增强前叶片在安装板上的固定强度。
进一步的，所述多个背叶片沿安装板中心向外呈辐射状设置，且多个背叶片在安装板上均布。
进一步的，所述前叶片包角α为110°，所述前叶片出口安放角β为36°，所述前叶片出口宽度d为4.5mm。
进一步的，所述叶轮为闭式叶轮。
本发明的离心泵的技术方案是：
一种离心泵包括泵体，所述泵体包括蜗壳以及安装在蜗壳内的叶轮，所述叶轮包括安装板，所述安装板的前侧安装有多个前叶片，且多个前叶片在安装板上周向间隔分布，所述前叶片包角为α，且106°≤α≤111°，所述前叶片出口安放角为β，且35°≤β≤38°，所述前叶片出口宽度为d，且4mm≤d≤5mm，所述蜗壳的进口宽度为b，且4.5mm≤b≤5.5mm，所述蜗壳的隔舌安放角为θ，且25.5°≤θ≤26.5°。
有益效果：过大的前叶片包角增大前叶片摩擦面积不利于提高水利效率；过小的前叶片包角降低了前叶片对流体的控制能力和液流稳定性，也不利于提高泵的效率。保证前叶片安放角调节的同时进行前叶片绘形，任意控制前叶片包角大小，在此基础上进行数值模拟试验。通过大量实验发现当叶轮参数为106°≤α≤111°、35°≤β≤38°且4mm≤d≤5mm，蜗壳参数为4.5mm≤b≤5.5mm，且25.5°≤θ≤26.5°时，该离心泵具有较高的泵效及扬程。
具体的，所述安装板后侧安装有多个用于将前叶片固定在安装板上的背叶片，所述背叶片设有与前叶片连接的连接部。设置背叶片有助于增强前叶片在安装板上的固定强度。
进一步的，所述多个背叶片沿安装板中心向外呈辐射状设置，且多个背叶片在安装板上均布。
进一步的，所述前叶片包角α为110°，所述前叶片出口安放角β为36°，所述前叶片出口宽度d为4.5mm。
进一步的，所述叶轮为闭式叶轮。
本发明的车辆的技术方案是：
一种车辆包括车体，所述车体上安装有循环冷却和加热系统，所述循环冷却和加热系统包括离心泵，所述离心泵包括泵体，所述泵体包括蜗壳以及安装在蜗壳内的叶轮，所述叶轮包括安装板，所述安装板的前侧安装有多个前叶片，且多个前叶片在安装板上周向间隔分布，所述前叶片包角为α，且106°≤α≤111°，所述前叶片出口安放角为β，且35°≤β≤38°，所述前叶片出口宽度为d，且4mm≤d≤5mm，所述蜗壳的进口宽度为b，且4.5mm≤b≤5.5mm，所述蜗壳的隔舌安放角为θ，且25.5°≤θ≤26.5°。
有益效果：过大的前叶片包角增大前叶片摩擦面积不利于提高水利效率；过小的前叶片包角降低了前叶片对流体的控制能力和液流稳定性，也不利于提高泵的效率。保证前叶片安放角调节的同时进行前叶片绘形，任意控制前叶片包角大小，在此基础上进行数值模拟试验。通过大量实验发现当叶轮参数为106°≤α≤111°、35°≤β≤38°且4mm≤d≤5mm，蜗壳参数为4.5mm≤b≤5.5mm，且25.5°≤θ≤26.5°时，该离心泵适用于小流量高扬程场合时具有较高的泵效，用于车辆上的冷却和热循环系统中增强了车辆中的冷却和热循环系统的性能。
具体的，所述安装板后侧安装有多个用于将前叶片固定在安装板上的背叶片，所述背叶片设有与前叶片连接的连接部。设置背叶片有助于增强前叶片在安装板上的固定强度。
进一步的，所述多个背叶片沿安装板中心向外呈辐射状设置，且多个背叶片在安装板上均布。
进一步的，所述前叶片包角α为110°，所述前叶片出口安放角β为36°，所述前叶片出口宽度d为4.5mm。
进一步的，所述叶轮为闭式叶轮。
附图说明
图1为本发明的车辆的实施例中的离心泵的结构示意图；
图2为图1中的前端泵体的主视图；
图3为图1中的前端泵体的右视图；
图4为图1中的前端泵体的左视图；
图5为蜗壳的水力图；
图6为蜗壳的截面示意图；
图7为图1中叶轮的结构示意图；
图8为图7中的A-A向剖视图；
图9为图7中的叶轮的右视图；
附图中：1、前端泵体；11、蜗壳；12、进液口；13、出液口；2、叶轮；21、前叶片；22、背叶片；23、前盖板；24、后盖板；3、后端泵体；4、叶轮轴；5、轴承；6、电机；7、电机接插件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的车辆的具体实施例，包括车体，车体内安装有循环冷却和加热系统，循环冷却和加热系统通过离心泵将换热介质泵送至车内各零部件，使整个车辆处于正常温度范围内工作。如图1至图9所示，离心泵包括前端泵体1、叶轮2、后端泵体3、叶轮轴4、轴承5、电机6以及电机插接件7等零部件。
前端泵体1内部安装有蜗壳11，蜗壳11内具有螺旋形内腔道，螺旋形内腔与前端泵体1上的进液口12、出液口13连通。本实施例中的出液口13位于前端泵体1的上部，进液口12位于前端泵体1的侧面中心位置。
本实施例中的蜗壳11的截面为梯形，这样设计的好处是流道沿旋转方向出口逐渐增大，使得流速更加均匀。参照图6可知，蜗壳11内具有十一个流道，十一个流道分别为Ⅰ-Ⅰ流道、Ⅱ-Ⅱ流道、…ⅩⅠ-ⅩⅠ流道。本实施例中的蜗壳11的进口宽度b为4.5～5.5mm，并且蜗壳11隔舌与蜗壳11中心的连线与水平线的夹角，即蜗壳11的隔舌安放角θ大于等于25.5°并小于等于26.5°，当然，隔舌安放角θ采用这样设计是在大量实验基础上得到的。隔舌安放角采用上述设计能够更好的将旋转的螺旋形内腔与出口管光滑连接，保证效率的同时减少隔舌处的冲击损失。
本实施例中的叶轮2为闭式叶轮，叶轮2包括前盖板23、后盖板24以及位于前、后盖板之间的前叶片。后盖板24为圆形板，后盖板24的前侧安装有七个前叶片21，七个前叶片21均为光滑平整的流线型结构并且七个前叶片21分度均布于圆形后盖板24上，前叶片凸出的侧面为工作面。前叶片21采用光滑平整的流线型结构，不仅具有极佳的抗气蚀性能，而且极大的减小脱流、冲击、速度方向及大小变化引起的水力损失。前叶片21采用这种设计使得叶轮2水力效率高达62％，前叶片21工作面曲线平整光滑具有极高的转换效率，即机械能转化为液体的势能。本实施例中的前叶片21为了对吸入液体施加更大的旋转力，前叶片21采用立式布置。为使输出流量控制在合适的范围内，同时将输出功率控制在最大范围内，通过实验优选前叶片21出口宽度d在4～5mm范围内。前叶片21的叶尖点与盖板中心的连线与前叶片21的叶根点与盖板中心的连线形成夹角为α，即叶片包角；前叶片21在叶根点的切线与盖板在叶根点的切线之间的夹角为β，即叶片安放角。过大的叶片包角增大叶片摩擦面积不利于提高水利效率；过小的叶片包角降低了叶片对流体的控制能力和液流稳定性，也不利于提高泵的效率。保证叶片安放角调节的同时进行叶片绘形，任意控制叶片包角大小，在此基础上通过数值模拟试验。通过大量实验发现当106°≤α≤111°并且35°≤β≤38°时，前叶片21工作面的漩涡区消失，叶轮2流道内的液体几乎是沿着前叶片21表面光滑流动，流道扩散小，水力效率高，使用该叶轮2可显著提供离心泵的扬程。
为了使前叶片21在后盖板24上更加稳固，叶轮2的后盖板24的后侧具有背叶片22。本实施例中的背叶片22为六个，六个背叶片22在盖板上分度布置，并以盖板中心呈辐射状布置。本实施例中的六个背叶片22采用对称式布置方式，实验发现该布置方式可减少叶轮2工作时产生的40％的轴向力，这大大提升了叶轮2轴承5的稳定性。
本发明中的离心泵由上述叶轮2与蜗壳11配合使用，不仅使离心泵的高效点稳定在小流量高扬程处，而且水力效率极高，大大减少了由于水力设计缺陷引起的不必要水力损失。本实施例中的离心泵还具有与泵体前端螺纹连接的泵体后端，泵体后端内安装有电机6，电机6的叶轮轴4通过轴承5安装在后端泵体上，电机6通过叶轮轴4与叶轮2连接，后端泵体3的外壳上安装有电机接插件7，电机6以及电机接插件7的设置使得离心泵也通过电力驱动，并且电机6与叶轮2、蜗壳11一体设计大大提升了离心泵使用便利性。
下面对本发明中的叶轮的前叶片包角、前叶片安放角及前叶片厚度进行验证，验证方法采用行业中惯用并认可的CFD(计算流体动力学)方法。针对本发明的叶轮具体参数设计值，即106°≤前叶片包角α≤111°、35°≤前叶片安放角β≤38°、4mm≤前叶片出口宽度d≤5mm，建立九个模型进行验证。
模型A:本模型中叶轮的前叶片包角为90°，前叶片安放角为36°，前叶片出口宽度为4.5mm；
模型B:本模型中叶轮的前叶片包角为130°，前叶片安放角为36°，前叶片出口宽度为4.5mm；
模型C:本模型中叶轮的前叶片包角为110°，前叶片安放角为36°，前叶片出口宽度为4.5mm；
模型D:本模型中叶轮的前叶片包角为110°，前叶片安放角为36°，前叶片出口宽度为3.5mm；
模型E:本模型中叶轮的前叶片包角为110°，前叶片安放角为36°，前叶片出口宽度为5.5mm；
模型F:本模型中叶轮的前叶片包角为110°，前叶片安放角为45°，前叶片出口宽度为4.5mm；
模型G:本模型中叶轮的前叶片包角为110°，前叶片安放角为30°，前叶片出口宽度为4.5mm；
模型H：本模型中叶轮的前叶片包角为106°，前叶片安放角为35°，前叶片出口宽度为4mm；
模型I：本模型中叶轮的前叶片包角为111°，前叶片安放角为38°，前叶片出口宽度为5mm；
分别对上述九个叶轮模型进行性能测试，测试结果如下表所述。
分别对比模型A与模型C以及模型B与模型C发现，前叶片包角小于106°以及前叶片包角大于111°都会导致扬程以及效率降低。对比模型C与模型D发现，前叶片出口宽度小于4mm，扬程以及效率降低。对比模型C与模型E发现，前叶片出口宽度大于5mm会导致功率超过300W难以适用于车内的热交换系统内且效率降低；对比模型C与模型F发现，前叶片安放角大于38°会导致功率超过300W难以适用于车内的热交换系统内；对比模型C与模型G发现，前叶片安放角小于35°会导致离心泵扬程及效率降低。参照模型H及模型I可以看出功率与泵效均可达到较高水准。
综上所述，106°≤前叶片包角α≤111°、35°≤叶片安放角β≤38°、4≤叶片出口宽度d≤5mm的情况下，离心泵适用于小流量高扬程的车内冷却和加热系统中。
下面对本发明中的蜗壳的进口宽度及隔舌安放角进行验证。针对本发明的蜗壳的具体参数设计值，即25.5°≤隔舌安放角为θ≤26.5°、4.5mm≤进口宽度b≤5.5mm，建立七个模型进行验证。
模型A:本模型中蜗壳的进口宽度为4mm，隔舌安放角为26°；
模型B:本模型中蜗壳的进口宽度为6mm，隔舌安放角为26°；
模型C:本模型中蜗壳的进口宽度为5mm，隔舌安放角为26°；
模型D:本模型中蜗壳的进口宽度为5mm，隔舌安放角为25°；
模型E:本模型中蜗壳的进口宽度为5mm，隔舌安放角为27°；
模型F:本模型中蜗壳的进口宽度为4.5mm，隔舌安放角为25.5°；
模型G:本模型中蜗壳的进口宽度为5.5mm，隔舌安放角为26.5°；
分别对上述七个蜗壳模型进行性能测试，测试结果如下表所述。
分别对比模型A与模型C发现，进口宽度小于于4.5mm时，离心泵效率较低；对比模型B与模型C发现，进口宽度大于5.5时，离心泵的扬程过高难以适用于车内的热交换系统内。对比模型C与模型D发现，隔舌安放角小于25.5°时，离心泵的功率降低；对比模型C与模型E发现，隔舌安放角大于26.5°时，离心泵的功率降低；参照模型F及模型G可以看出功率与泵效均可达到较高水准。
综上所述，25.5°≤隔舌安放角为θ≤26.5°、4.5mm≤进口宽度b≤5.5mm，的情况下，离心泵适用于小流量高扬程的车内冷却和加热系统中。
本发明的叶轮的具体实施例，本实施例中的叶轮与上述车辆的实施例中的叶轮的结构相同，不再赘述。
本发明的离心泵的具体实施例，本实施例中的离心泵与上述车辆的实施例中的离心泵的结构相同，不再赘述。

Claims (15)

1.一种叶轮，包括安装板，所述安装板的前侧安装有多个前叶片，且多个前叶片在安装板上周向间隔分布，其特征在于：所述前叶片包角为α，且106°≤α≤111°，所述前叶片出口安放角为β，且35°≤β≤38°，所述前叶片出口宽度为d，且4mm≤d≤5mm。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：所述安装板后侧安装有多个用于将前叶片固定在安装板上的背叶片，所述背叶片设有与前叶片连接的连接部。
3.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：所述多个背叶片沿安装板中心向外呈辐射状设置，且多个背叶片在安装板上均布。
4.根据权利要求1~3任一项所述的叶轮，其特征在于：所述前叶片包角α为110°，所述前叶片出口安放角β为36°，所述前叶片出口宽度d为4.5mm。
5.根据权利要求1~3任一项所述的叶轮，其特征在于：所述叶轮为闭式叶轮。
6.一种离心泵，包括泵体，所述泵体包括蜗壳以及安装在蜗壳内的叶轮，所述叶轮包括安装板，所述安装板的前侧安装有多个前叶片，且多个前叶片在安装板上周向间隔分布，其特征在于：所述前叶片包角为α，且106°≤α≤111°，所述前叶片出口安放角为β，且35°≤β≤38°，所述前叶片出口宽度为d，且4mm≤d≤5mm，所述蜗壳的进口宽度为b，且4.5mm≤b≤5.5mm，所述蜗壳的隔舌安放角为θ，且25.5°≤θ≤26.5°。
7.根据权利要求6所述的离心泵，其特征在于：所述安装板后侧安装有多个用于将前叶片固定在安装板上的背叶片，所述背叶片设有与前叶片连接的连接部。
8.根据权利要求7所述的离心泵，其特征在于：所述多个背叶片沿安装板中心向外呈辐射状设置，且多个背叶片在安装板上均布。
9.根据权利要求6~8任一项所述的离心泵，其特征在于：所述前叶片包角α为110°，所述前叶片出口安放角β为36°，所述前叶片出口宽度d为4.5mm。
10.根据权利要求6~8任一项所述的离心泵，其特征在于：所述叶轮为闭式叶轮。
11.一种车辆，包括车体，所述车体上安装有循环冷却和加热系统，所述循环冷却和加热系统包括离心泵，所述离心泵包括泵体，所述泵体包括蜗壳以及安装在蜗壳内的叶轮，所述叶轮包括安装板，所述安装板的前侧安装有多个前叶片，且多个前叶片在安装板上周向间隔分布，其特征在于：所述前叶片包角为α，且106°≤α≤111°，所述前叶片出口安放角为β，且35°≤β≤38°，所述前叶片出口宽度为d，且4mm≤d≤5mm，所述蜗壳的进口宽度为b，且4.5mm≤b≤5.5mm，所述蜗壳的隔舌安放角为θ，且25.5°≤θ≤26.5°。
12.根据权利要求11所述的车辆，其特征在于：所述安装板后侧安装有多个用于将前叶片固定在安装板上的背叶片，所述背叶片设有与前叶片连接的连接部。
13.根据权利要求12所述的车辆，其特征在于：所述多个背叶片沿安装板中心向外呈辐射状设置，且多个背叶片在安装板上均布。
14.根据权利要求11~13任一项所述的车辆，其特征在于：所述前叶片包角α为110°，所述前叶片出口安放角β为36°，所述前叶片出口宽度d为4.5mm。
15.根据权利要求11~13任一项所述的车辆，其特征在于：所述叶轮为闭式叶轮。
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