CN110657125A - 提高叶轮抗空化性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高叶轮抗空化性能的方法，以提升多级泵首级叶轮的空化性能和多级泵大流量工况下的性能。本发明通过下述技术方案实现：在泵的首级叶轮前加装诱导轮，以阿基米德螺旋线围绕叶轮固联带缝隙的长叶片，并在距离长叶片头部的位置开设逐渐加大的1mm～2mm的缝隙，缝隙的方向与流动方向夹角为锐角；根据叶轮入口直径、宽度、叶片进口液流角和进口冲角计算出叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积，将叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值设为大于0.28；打磨叶片进口的工作面，使其接近流线型，以减少液流进入叶片时的冲击，同时，打磨叶片进口工作面中，增大叶片进口冲角，以增大叶片进口的过流面积，减小叶片的排挤。

Description

提高叶轮抗空化性能的方法

技术领域

本发明涉及一种抗空化离心叶轮，特指采用缝隙引射流技术设计的叶片，尤其是提高多级泵首级叶轮或低比转速离心泵叶轮抗空化性能的方法。

背景技术

空化是以液体为介质且在机械设备中发生的一种气化现象。气化通常有两种形式：任何一种液体在恒定的压力下加热，当液体的温度升高至某一温度时，就会开始气化，形成气泡(也称空泡)，称为沸腾；当液体温度一定、压力降低到某一临界压力时，液体也会气化。空泡随液体流动到压力较高的地方后，泡内的蒸气重新凝结，空泡溃灭。伴随着空泡产生、发展和溃灭，还会产生一系列的物理和化学变化。这种由于压力的变化而导致液流内的空泡产生、发展和溃灭过程，以及由此而产生的一系列物理和化学变化，称为空化。一般来讲，对于同一种液体，随着温度的升高，蒸气压力也随之增加。通常，液体温度越高，越容易发生空化，但温度过高时，空泡中蒸气压力陡增，导致空泡闭合时加剧了缓冲作用而使空化减由局部压力降低而产生的空化，其空泡随液体流动，当空泡流动到压力较高的区域时，空泡就会溃灭。空泡溃灭后会发生一系列复杂的物理现象，比如空泡在叶轮流道壁面附近溃灭，空泡周围的液体将以极高的频率连续撞击叶轮流道的表面，表面材料则因受冲击、疲劳而剥落。若空泡内夹杂有某些活泼气体，这些活泼气体借助空泡凝结时产生的热量与表面材料发生电化学腐蚀，就更加加快了表面材料剥落的速度，对过流表面的材料造成破坏，这种由于空泡的溃灭对过流表面材料的破坏现象称为空蚀。一般来讲，沸点低的液体容易发生空化，含杂质量或含气量多的液体也容易发生空化。“空化核”理论认为，在自然界的液体中含有不可溶解的气体，这些气体通常呈直径为微米量级的气泡状，被称为空化核或气核。变了液体的结构，降低了液体的抗拉强度。当压力降低至气化压力附近时，液体的连续性被破坏，气核逐渐膨胀，成为可见的空泡，这是空化发生的本质原因。液体的内部压力在某一恒定温度下，当液体内的压力降低到该温度下的饱和蒸气压力时，就开始发生空化，当压力继续降低时，空泡在随液体流动的过程中不断长大，当进入压力较高的区域时，空泡则不断缩小而溃灭，这是一个复杂的动态过程液体内的压力(指绝对压力)是指计示压力(或称表压)加上当地大气压，而当地大气压是因时因地有所差别的，因此空化现象间接地与地域有一定的关系。当空化发展到一定程度时，叶轮内液体的能量交换将会受到明显的影响和破坏，泵的流量、扬程、效率和轴功率会有突然的下降泵的空化充分发展时，液流的有效过流面积会减少很多，以致引起液流断流，这时泵就不能正常工作产生振动和噪声空化和空蚀过程是非定常的，空化的发生使液流产生较大的压力脉动，当压力脉动的频率和有关部件的自然频率一致或接近时，就会引起强烈的共振现象，严重时可以听见泵内“噼啪”的爆炸声，同时引起零部件或整个机组甚至厂房的振动。空泡溃灭时，液体质点相互撞击，同时冲击流道表面，产生各种频率的噪声(一般为600～2500Hz)，由于机械剥蚀和电化学腐蚀的作用，使过流部件表面材料发生破坏。空蚀通常发生在压力较低的位置，所以水轮机转轮叶片出口边与叶片泵叶片进口附近是易发生空蚀的部位。空泡溃灭时表面材料受到高频率的强烈冲击，致使表面出现麻点，进而表面呈现海绵状、沟槽状、蜂窝状、鱼鳞状等痕迹，严重时可造成叶片断裂或前后盖板穿孔，酿成严重事故。空蚀破坏大大缩短了泵的大修周期和使用寿命，影响泵空化性能。空化现象是水力机械不可避免的流态，初生空化对离心泵的影响不大，外特性曲线下降不明显；而当空化达到临界空化时，离心泵扬程会有明显的变动；当进入到完全空化时，对于低比转速离心泵而言产生的影响要远大于混流泵和轴流泵的；低比转速离心泵内发生空化时会影响泵的正常运行，空泡的崩溃会发生相当大的力量，尤其是叶片压力面将承受非常高的压力，空泡在短时间内周期性的产生与溃灭严重影响了叶片的疲劳强度，游离的空泡和电化学反应会腐蚀叶轮表面，有时甚至泵壳，抗空化性能可能很差。随着技术的不断进步，工程上对泵的抗空化性能提出了越来越高的要求，而叶轮入口流道表面粗糙度、叶片进口厚度、叶片进口喉部面积及叶轮材料的合理选择是改善泵抗空化性能的重要因素。

离心泵叶轮的截面一般为翼型，空化发生时空泡非常复杂，包括附着空化、游离空化(云空化)等，空泡流动极其不稳定。叶轮入口部分的液流在转弯处受到离心力作用的影响，靠近前盖板处的液流压力低，流速大，导致了叶轮入口速度分布不均匀。叶片进口的喉部面积对泵空化性能的影响也非常大，如果叶片进口喉部面积过小，将导致叶片进口液流的绝对速度和相对速度增大，从而使液流排挤增大，使泵的空化性能恶化。未开缝翼型的空泡在靠近翼型尾部发生了脱落。空化抑制方式一般有几种：第一，通过提高叶轮进口压力(如泵进口安装前置增压泵、高速泵进口安装诱导轮等)；第二，修改叶轮进口参数(由于效率和空化不可兼得，一般情况下通过改变叶片进口参数提高空化性能，但是以牺牲效率为代价)；第三，叶片控制技术(在叶片头部进行流动控制，安装凸起装置或者其他方法)。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗空化性能良好的抗空化叶轮，以提升多级泵首级叶轮的空化性能和多级泵大流量工况下的性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种提高叶轮抗空化性能的方法，具有如下技术特征：在泵的首级叶轮前加装诱导轮，以阿基米德螺旋线围绕叶轮固联带缝隙的长叶片1，将长叶片1头部倒圆，并在距离头部的位置开设由里向外宽度逐渐加大的1mm～2mm的缝隙2，缝隙2的方向从高压到低压侧，与流动方向夹角为锐角；根据叶轮入口直径、入口宽度、叶片进口液流角和叶片进口冲角计算出叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积，将叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值X设为至少大于0.28；然后在装配前打磨叶片进口的工作面，使叶片进口减薄，并使其接近流线型，以减少液流进入叶片时的冲击，同时，打磨叶片进口工作面中，增大叶片进口冲角，以增大叶片进口的过流面积，减小叶片的排挤。

本发明的有益效果是：

本发明在叶片上开设缝隙，产生流道内叶片压力面与吸力面的能量差，使得叶片高压侧的流体经过缝隙沿着叶片的切线方向高速流出，由于流体高速特性以及附壁效应，从而叶片吸力面的低能流体得到能量，这样在叶片表面的正压梯度上建立稳定的流场。开缝翼型的空泡在靠近压力面缝隙后发生了分离，吸力面上的旋涡中心已远离翼型表面，压力面的流动紧贴着翼型型线。翼型头部开缝有助于抑制空化的发生，通过引入高压流体到吸力面可以改善空化流动。从而减小或消除叶片吸力面区域的大尺度流动分离，提高叶片吸力面低能流体的转捩能力，减少流动损失，最终提高叶轮的稳定性，拓宽高效区域，使得叶轮机械在非设计工况下仍能保持较高的效率。这种装置设计、制造简单等优点。

本发明在装配前打磨叶片进口的工作面，使叶片进口减薄，并使其接近流线型，可以减少液流进入叶片时的冲击。同时，打磨叶片进口工作面，增大叶片进口冲角，加大了叶片进口的过流面积，减小了叶片的排挤，这将减小叶片进口液流的绝对速度和相对速度，提高泵的抗空化性能。

本发明通过适当加大叶轮入口直径和叶片进口宽度，增大叶轮前盖板进口部分的曲率半径，叶片在叶轮入口处适当延伸，选择合适的叶片进口冲角，通过这些措施都有利于提高泵的抗空化性能。同时通过适当加大叶轮入口直径，适当减小了叶轮入口液流的平均绝对流速；适当加大叶片进口宽度，适当减小了叶片进口处的相对流速，都可以适当降低泵的必须汽蚀余量，从而提高泵的抗空化性能。

本发明在泵的首级叶轮前加装诱导轮，通过引入高压流体来控制低压侧的流动分离及空化，通过设置对称翼型改善大流量下叶轮进口的流态。当液流经过诱导轮时，诱导轮对液流做功，使液流能量增加，也使液流在进入泵之前就已经增压，从而提高吸入性能，改善了整个泵的抗空化性能。

本发明在长叶片头部位置进行开缝，引工作面高压流体进入缝隙来控制叶片背面的流动分离及空化流动，其本质是缝隙引射流技术，不仅改善泵的效率、空化特性，而且有益机组的运行稳定，可以用于多级离心泵首级叶轮的设计与制造，可以用于高层楼宇供水及舰船设备等领域。

附图说明

图1给出本发明所述的一种抗空化叶轮平面图。

图2给出本发明所述的一种抗空化叶轮轴面图。

图3给出本发明所述的一种抗空化叶轮缝隙放大图。

图中：1.长叶片；2.缝隙；3.叶轮出口边；4.叶轮进口边；5.前盖板；6.后盖板；7.叶轮。

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在泵的首级叶轮前加装诱导轮，以阿基米德螺旋线围绕叶轮固联的带缝隙的长叶片1，将长叶片1头部倒圆，并在距离头部的位置开设由里向外宽度逐渐加大的1mm～2mm的缝隙2，缝隙2的方向从高压到低压侧，与流动方向夹角为锐角；根据叶轮入口直径、叶轮入口宽度、叶片进口液流角和叶片进口冲角计算出叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积，将叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值X设为至少大于0.28；然后在装配前打磨叶片进口的工作面，使叶片进口减薄，并使其接近流线型，以减少液流进入叶片时的冲击，同时，打磨叶片进口工作面中，增大叶片进口冲角，以增大叶片进口的过流面积，减小叶片的排挤。

所述的缝隙2的方向从高压到低压侧，与流动方向夹角为锐角30°～50°。

所述的长叶片1叶片数与缝隙数相等。所述的长叶片1由铸造或冲压成型，冲压成型实现本方案较容易。

叶轮运行方式为逆时针旋转，如图1箭头所示流动方向，液体进入所述的叶轮7的进口边4，在离心力的作用下到叶轮7的出口边3，进入压水室。

为降低泵的汽蚀余量，叶轮入口处叶片安放角比液流角大一个冲角，可取正冲角4°～16°。选择合适的冲角，使叶片进口过流面积增大，从而减小液流速度。在一定流量下，液流进口速度减小，泵的汽蚀余量降低。

材料制造叶轮可以选用铝铁、青铜、高镍铬合金和硬质合金等。实践表明，材料的强度、硬度、韧性和化学稳定性越高，叶轮流道表面越光滑，泵的抗空化性能就越好。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高叶轮抗空化性能的方法，具有如下技术特征：在泵的首级叶轮前加装诱导轮，以阿基米德螺旋线围绕叶轮固联带缝隙的长叶片(1)，将长叶片(1)头部倒圆，并在距离头部的位置开设由里向外宽度逐渐加大的1mm～2mm的缝隙(2)，缝隙(2)的方向从高压到低压侧，与流动方向夹角为锐角；根据叶轮入口直径、入口宽度、叶片进口液流角和叶片进口冲角计算出叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积，将叶片进口喉部面积与叶轮进口断面面积的比值X设为至少大于0.28；然后在装配前打磨叶片进口的工作面，使叶片进口减薄，并使其接近流线型，以减少液流进入叶片时的冲击，同时，打磨叶片进口工作面中，增大叶片进口冲角，以增大叶片进口的过流面积，减小叶片的排挤。

2.如权利要求1所述的提高叶轮抗空化性能的方法，其特征在于：所述缝隙(2)的方向从高压到低压侧，与流动方向夹角为锐角30°～50°。

3.如权利要求1所述的提高叶轮抗空化性能的方法，其特征在于：所述长叶片(1)叶片数与缝隙数相等。

4.如权利要求1所述的提高叶轮抗空化性能的方法，其特征在于：叶轮运行方式为逆时针旋转，液体进入叶轮(7)的进口边(4)，在离心力的作用下到叶轮(7)的出口边(3)，进入压水室。

5.如权利要求1所述的提高叶轮抗空化性能的方法，其特征在于：为降低泵的汽蚀余量，叶轮入口处叶片安放角比液流角大一个冲角，可取正冲角4°～16°。

6.如权利要求1所述的提高叶轮抗空化性能的方法，其特征在于：制造叶轮选用铝铁、青铜、高镍铬合金和硬质合金的一种。

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