CN110529426B - 一种高速泵用开式叶轮结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工程机械。目的是提供一种开式叶轮结构的改进，该叶轮应具有减弱或消除驼峰曲线、平衡轴向力，减轻排挤现象、降低进口流速、减小泵的水力损失的特点。技术方案是：一种高速泵用开式叶轮结构，包括轮毂、与轮毂连为一体且以轮毂轴线为中心放射状布置的若干叶片承载板以及一一布置在叶片承载板上的若干叶片；其特征在于：每个叶片承载板由靠近轮毂且倾斜于轮毂轴线的倾斜段与垂直于轮毂轴线的直线段组成；所述叶片的一部分穿嵌在叶片承载板倾斜段上预设的通槽中并且在叶轮背面露出部分叶片形成辅助叶片，另一部分作为正面叶片固定在叶片承载板直线段的正面且与直线段平面垂直。

Description

一种高速泵用开式叶轮结构
技术领域
本发明涉及一种工程机械，具体涉及一种高速泵用开式叶轮结构。
背景技术
离心泵作为水力机械领域的代表，在工业生产中有着重要的作用，但是在离心泵的设计、制造、生产、运行过程中总是出现一些难以避免的问题。
(1)离心泵运行过程中产生的驼峰曲线，原因是流量大于或小于设计流量时，液流方向与叶片方向不一致，导致泵的实际性能曲线偏离理论曲线。在小流量处时，冲击损失和漩涡损失偏大、沿程摩擦损失偏小，对性能曲线的稳定性更为不利，极易产生驼峰；高速泵表现更为明显。驼峰的产生泵的性能产生很大的负面影响，很有必要消除或减弱驼峰。为此，目前工程上通常设计成对称蜗壳；而此种方法较为明显的缺点是当泵在大流量区工作时，扬程受到影响，工作效率降低；还有一些消除高速泵驼峰的方法则是在泵壳内安装扩散器，这有利于减弱驼峰现象，但是这种方法对扩散器的安装精度要求很高，制造加工都比较困难。
(2)离心泵运行过程中产生的轴向力，对于开式叶轮而言，叶片承载板后侧的压力大于前侧压力，由此产生一个较大的指向前侧的轴向力。叶轮对液体做功时，虽在叶轮出口处，液体动量轴向方向作用了一个指向后侧的动反力，然而此动反力不能平衡压差产生的轴向力，因此，有必要采取他法来平衡轴向力。对于高速泵来说，为了消除和减弱空化，诱导轮被广泛应用在叶轮进口处，诱导轮的存在使泵在工作时产生的轴向力进一步增大。对于轴向力问题，目前通常采取平衡孔、平衡盘等结构设计；虽有效果，但由于很大的扰流作用，增加了损失。而高速泵的叶片较薄，在叶片上设置平衡孔不适合。选择添加背叶片的方法则会增大叶轮后腔间隙。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种开式叶轮结构的改进，该叶轮应具有减弱或消除驼峰曲线、平衡轴向力，减轻排挤现象、降低进口流速、减小泵的水力损失的特点。
本叶轮结构采用如下技术方案：
一种高速泵用开式叶轮结构，包括轮毂、与轮毂连为一体且以轮毂轴线为中心放射状布置的若干叶片承载板以及一一布置在叶片承载板上的若干叶片；
其特征在于：每个叶片承载板由靠近轮毂且倾斜于轮毂轴线的倾斜段与垂直于轮毂轴线的直线段组成；所述叶片的一部分穿嵌在叶片承载板倾斜段上预设的通槽中并且在叶轮背面露出部分叶片形成辅助叶片，另一部分作为正面叶片固定在叶片承载板直线段的正面且与直线段平面垂直；所述叶片承载板的倾斜段与直线段的径向长度比例为1：1.1-1.2。
穿嵌在叶片承载板通槽中的部分叶片，还从叶片长度方向的中部往轮毂方向伸展时开始扭曲且偏离轮毂的直径线，从而与轮毂的直径线形成进口安放角度 可由以下公式得出：
式中：Q--流量
F1--轴面流道过水断面面积
ηv--泵的容积效率
D1--叶轮进口直径
δ1--叶片的厚度
λ1--轴面截线和轴面流线的夹角，这里取为75°
Z--泵的叶片数目；
β1--叶片进口安放角；
m--经验系数，一般值为0.055～0.08
其中：F1＝2πRCh
式中：RC--曲线的曲率半径(如图7所示)；
Q、ηv、β1-可从设计手册选取。
所述正面叶片宽度b1与辅助叶片宽度b2的比例为2：0.8至2：1；
其中：
式中：h--叶片总宽度。
本发明的有益效果是：叶片进行扭曲处理，增加正冲角后使叶片进口流道加宽，排挤现象减轻，流道变得较为平缓，由此降低了进口流速，减小了泵的水力损失；所设计的辅助叶片还能对叶轮背面侧流体做功，增大速度以将其甩出，从而减弱了叶轮背面侧流体的压力，很好地平衡了轴向力，减弱了除驼峰曲线。
附图说明
图1是本发明实施例的立体结构示意图。
图2是本发明实施例的背面结构示意图。
图3是本发明实施例的俯视方向剖视图。
图4是图3中叶片承载板的剖视图。
图5是本发明实施例的正面结构示意图。
图6是本发明实施例的轴截面结构示意图。
图7是本发明实施例的轴向力分析示意图。
其中：1、叶片承载板；2、轮毂；3、辅助叶片；4、平衡孔(平衡孔直径为d)；5、叶片。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步的详细描述。
1、本发明所述的高速泵用开式叶轮具体实施例如图1和图2所示，所述高速叶轮的叶片不再完全采取平直叶片，而是在进口段位置进行扭曲处理，设置一定的进口角度
可由以下公式得出：
式中：Q--流量(由设计要求确定)
F1--轴面流道过水断面面积(由设计要求确定)
ηv--泵的容积效率(由设计要求确定)
D1--叶轮进口直径
δ1--叶片的厚度
λ1--轴面截线和轴面流线的夹角，这里取为75°
Z--泵的叶片数目；
β1--叶片进口安放角，可从设计手册选取；
m--经验系数，一般值为0.055～0.08
计算F1时，选择的简化计算公式如下：
F1＝2πRCh
式中：
RC--流道边缘曲线的曲率半径(如图6所示)；(由设计要求确定)
本发明将叶片进行扭曲处理，目的在于增加正冲角后使叶片进口流道加宽，排挤现象减轻，流道变得较为平缓，由此降低了进口流速，减小了泵的水力损失。
局部损失公式为：
式中：Hf--局部损失水头
ζ--损失系数
w--进口圆周速度。
由以上局部损失公式可知：局部损失水头主要与进口速度的平方有关，因此降低进口流速是减小水力损失的可行办法，另外采取较小的正冲角也有利于减弱空化。
2、本实施例对叶片结构作了改变(如图4所示)，叶片5中的一部分穿嵌在叶片承载板1上并且露出在叶轮背面从而形成辅助叶片3，另一部分作为正面叶片固定在叶片承载板直线段的正面且与直线段平面垂直。正面叶片宽度b1占叶片总宽度h的三分之二，正面叶片宽度与辅助叶片宽度b2的比例为2：0.8-1.5。这样做是利用辅助叶片对叶轮背面侧流体做功，增大速度以将其甩出，从而减弱了叶轮背面侧流体的压力，对轴向力起到了很好的平衡作用。
其具体受力分析计算如下：
高速泵工作时液体在较高压力PH下进入叶轮，而在较低压力PL下流出叶轮。叶片承载板两侧所受的液体压力不相等，开式叶轮两侧的结构亦不对称，这些因素使得产生了指向出口的轴向力，对泵工作极其不利。
作用在承载板背侧的压强为：
作用在承载板前侧的压强为：
则两侧压差为：
由于PH＞PL，所以ΔP是正值，指向前侧(如图7所示)。
由上式可求得作用于承载板背侧的轴向力：
作用在承载板前侧的轴向力为：
另外，诱导轮产生的动反力为：
Fi＝ρgπDtHi
式中：Fr--承载板背侧轴向力
Fl--承载板前侧轴向力
Fi--诱导轮产生的动反力
R2--叶轮出口半径
Rh--叶轮轮毂半径
Rm--叶轮进口半径
RA--平衡孔中心到轮毂中心的距离
ρ--流体的密度
g--重力加速度
Hp--叶轮出口势扬程
ω--叶轮旋转角速度
Dt--诱导轮叶尖直径
Hi--诱导轮进口压头
Hm--机械密封腔静压头
产生的合力则为：F＝Fr-Fl-Fi
由轴向力的计算公式可知，欲使轴向力得到平衡，则可将叶片承载板背面侧的压力减小，再结合伯努利方程，需要将叶片承载板背面侧的速度增大，叶片整体穿过叶片承载板后，在叶片承载板背面侧突出的辅助叶片会对叶片承载板背面侧液体做功，使其速度增大，从而压力减小，另外也会使背面侧的部分液体得以甩出，对于平衡轴向力具有很好的效果，同时这种辅助叶片的设计相比于传统的背叶片设计方式，背面腔间隙得以很大程度上的缩小。
这里假设输送介质为水，其密度为998.2kg/m3，未采用辅助叶片设计时，由前述公式，两侧压差为：
并可假设PH1＝150000Pa，PL＝100000Pa
采用辅助叶片设计时，对液体做功，假定液体获得的出口线速度为5m/s，则后侧压力:
则:
由上式可以看出，仅使叶片承载板背面侧液体获得相对较小的出口速度，便可平衡30％的轴向力，如果考虑到叶轮进口的诱导轮的动反力作用，也可平衡20％以上的轴向力。因此此种方法具有相对较好的轴向力平衡效果。
由于本发明提供的高速泵用开式叶轮设计结构针对叶轮出现的驼峰曲线和轴向力问题提供了一种不同于以往的设计方案，也具有良好的效果。所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高速泵用开式叶轮结构，包括轮毂(2)、与轮毂连为一体且以轮毂轴线为中心放射状布置的若干叶片承载板(1)以及一一布置在叶片承载板上的若干叶片(5)；其特征在于：每个叶片承载板由靠近轮毂且倾斜于轮毂轴线的倾斜段与垂直于轮毂轴线的直线段组成；所述叶片的一部分穿嵌在叶片承载板倾斜段上预设的通槽中并且在叶轮背面露出部分叶片形成辅助叶片(3)，另一部分作为正面叶片固定在叶片承载板直线段的正面且与直线段平面垂直；所述叶片承载板的倾斜段与直线段的径向长度比例为1：1.1-1.2；
穿嵌在叶片承载板通槽中的部分叶片，还从叶片长度方向的中部往轮毂方向伸展时开始扭曲且偏离轮毂的直径线，从而与轮毂的直径线形成进口安放角度 可由以下公式得出：
式中：Q--流量
F1--轴面流道过水断面面积
ηv--泵的容积效率
D1--叶轮进口直径
δ1--叶片的厚度
λ1--轴面截线和轴面流线的夹角，这里取为75°
Z--泵的叶片数目；
β1--叶片进口安放角；
m--经验系数，一般值为0.055～0.08
其中：F1＝2πRCh
式中：RC--曲线的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的高速泵用开式叶轮结构，其特征在于：正面叶片宽度b1与辅助叶片宽度b2的比例为2：0.8-1.5；
其中：
式中：h--叶片总宽度。
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