CN110750935A - 一种抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮及其设计方法。叶轮由叶轮前盖板、叶轮后盖板和对称布置于叶轮前盖板与叶轮后盖板之间的多组叶片构成，每组叶片包括叶片工作面、与叶片工作面相对的叶片背面、叶片进水边和叶片出水边，叶片背面压力最低点区域设置多个孔，各孔通过设置于叶片中的同一管道与设置于叶轮前盖板的孔或叶片出水边的孔联通。本发明设计的泵叶轮叶片背面的压力不能达到环境汽化压力，能够抑制叶片背面空化，且可以弥补叶片正面打孔到叶片背面压力不足的问题，增大压力可选择的范围，实现抑制叶片背面空化现象。
Description
技术领域
本发明属于机械设计技术领域，尤其属于水力旋转机械设计技术领域，特别涉及一种抑制泵叶轮叶片背面空化的叶片设计方法及其设计的叶轮。
背景技术
空化是一种液体现象，当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体会气化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。其具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性，在水力机械、水利工程中广泛存在。空泡随液流进入压力变化较大的区域时,失去存在的条件而突然溃灭,造成原空泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增，当液流中不断形成、长大的空泡在固体壁面附近频频溃灭，壁面就会遭受巨大压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀。空化现象的发生，不仅会导致水力旋转机械叶轮内部流场特性发生改变，造成水力性能恶化，空泡破裂过程还会侵蚀过流部件，破坏流道，在某些特定的情况下，甚至可能诱发共振，带来灾难性的后果。
泵在运行的过程中，叶轮叶片的工作面对泵内液体做功，且叶片背面多为漩涡区域，容易出现流动分离、二次流及回流等对流动不利的现象，造成泵叶片工作面的压力大于叶片背面的压力，在实际的工业生产中，抑制泵叶轮叶片的空化，主要是通过改变叶片翼型参数或者在叶片进口位置附近穿孔，将工作面的高压通过所穿的孔引入到叶片背面的低压区，使背面低压区压力达不到环境气化压力，从而抑制空化。但这种从叶片工作面打孔到叶片背面的方法，减小了叶片工作面的有效工作面积，降低了叶片对液体做功的能力。
发明内容
本发明根据现有技术的不足公开了一种抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮及其设计方法。本发明的目的是针对传统旋转机械叶轮叶片背面压力低导致空化的问题，提出了一种抑制旋转机械叶轮叶片背面空化的叶片设计方法及其设计的叶轮。
本发明通过以下技术方案实现：
抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮，所述叶轮由叶轮前盖板、叶轮后盖板和对称布置于叶轮前盖板与叶轮后盖板之间的多组叶片构成，每组叶片包括叶片工作面、与叶片工作面相对的叶片背面、叶片进水边和叶片出水边，其特征在于：所述叶片背面压力最低点区域设置多个孔，所述各孔通过设置于叶片中的同一管道与设置于叶轮前盖板的孔或叶片出水边的孔联通。
所述叶片背面压力最低点区域设置三组孔，各孔直径2～3mm。孔径大小取决于叶片厚度和叶片进出口边压力差，孔径大小实际值在孔径范围内按“进出口边压力差大，孔径小，反之则反”的原则和考虑叶片厚度大小来进行确定。
所述设置于叶轮前盖板的孔径与叶片背面压力的孔径相同。
所述设置于叶轮前盖板的孔位于叶片背面压力各孔连线的延长线与前盖板轮廓线的交点。
所述设置于叶片出水边的孔位于叶片出水边的中心，孔直径2～3mm。
本发明还公开了上述抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮设计方法，包括以下步骤：
(1)运用商业软件建立泵的三维全流道模型；
(2)使用商业网格划分软件对三维全流道模型进行网格划分；
(3)使用计算流体动力学CFD软件，对三维全流道模型进行仿真计算，并对结果进行分析，找出叶片背面最低压力点的位置；
(4)在叶片背面压力最低点区域设置多个孔，各孔通过设置于叶片中的同一管道穿过叶片和前盖板与设置于前盖板表面的孔联通，将前盖板和压水室之间间隙的高压引向叶片背面最低压力位置；
或，在叶片背面压力最低点区域设置多个孔，各孔通过设置于叶片中的同一管道与设置于叶片出水边的孔联通，将压水室的高压引向叶片背面最低压力位置。
本发明有益性：本发明设计的泵叶轮叶片背面的压力不能达到环境汽化压力，能够抑制叶片背面空化，且可以弥补叶片正面打孔到叶片背面压力不足的问题，增大压力可选择的范围，实现抑制叶片背面空化现象。
附图说明
图1为本发明实施例一泵轴面投影图；
图2A为本发明实施例一叶轮穿孔俯视图；
图2B为图2A中A部放大示意图；
图3A为本发明实施例一叶片穿孔图；
图3B为图3A中A部放大示意图；
图4为本发明实施例一叶轮正等测图；
图5为本发明实施例一叶轮前视图；
图6为本发明实施例二泵轴面投影图；
图7A为本发明实施例二叶轮穿孔俯视图；
图7B为图7A中A部放大示意图；
图8A为本发明实施例二叶片穿孔图；
图8B为图8A中A部放大示意图；
图9为本发明实施例二叶轮正等测图；
图10A为本发明实施例二叶轮前视图；
图10B为图10A中A部放大示意图。
图中，1是叶轮前盖板，2是叶轮后盖板，3是叶片，4是叶片进水边，5是叶片出水边，6是压水室，7是泵盖板，8是密封环，9是叶片背面，10是叶片工作面，11是旋转轴，12是间隙，9a是前盖板孔，9b是叶片背面孔，9c是出水边孔。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合附图。
本发明在叶轮由叶轮前盖板1、叶轮后盖板2和对称布置于叶轮前盖板1与叶轮后盖板2之间的多组叶片3构成，每组叶片3包括叶片工作面10、与叶片工作面10相对的叶片背面9、叶片进水边4和叶片出水边5，叶片背面9压力最低点区域设置多个叶片背面孔9b，各叶片背面孔9b通过设置于叶片3中的同一管道与设置于叶轮前盖板1的前盖板孔9a联通、或通过设置于叶片3中的同一管道与叶片出水边5的出水边孔9c联通。
上述抑制转轮叶片背面空化叶轮的设计方法是：
(1)运用商业软件建立泵的三维全流道模型；
(2)使用商业网格划分软件对三维全流道模型进行网格划分；
(3)使用计算流体动力学CFD软件，对三维全流道模型进行仿真计算，并对结果进行分析，找出叶片背面最低压力点的位置。
(4)在叶片背面压力最低点区域设置多个孔，各孔通过设置于叶片中的同一管道与设置于前盖板表面的孔联通，将前盖板和压水室之间间隙的高压引向叶片背面最低压力位置；
或，在叶片背面压力最低点区域设置多个孔，各孔通过设置于叶片中的同一管道与设置于叶片出水边的孔联通，将压水室的高压引向叶片背面最低压力位置。
本发明叶片背面的压力不能达到环境汽化压力，能够抑制叶片背面空化，且可以弥补叶片正面打孔到叶片背面压力不足的问题，增大压力可选择的范围，实现抑制叶片背面空化现象。
实施例一
如图1至图5所示，本发明泵包括泵叶轮前盖板1、泵叶轮后盖板2、叶片3、叶片进水边4、叶片出水边5、压水室6、泵盖板7、叶片背面9、叶片工作面10、密封环8、旋转轴11。水流从叶片进水边4进入泵中，流经泵的叶片区，泵的叶片工作面10通过对水流做功，增加水流的动能，最后从叶片出水边5流出。在经过压水室6时消除了液体从叶轮流出的旋转运动，避免由此造成的水力损失，并降低了液流速度，使动能转化成压能。如图所示，将压水室高压经过泵盖板7与叶轮前盖板1之间的间隙12引向叶轮前盖板1与叶片3的打孔区域，再通过打孔通道将高压引入叶片背面9的低压区，使叶片背面9的压力达不到环境汽化压力，破坏了空化的形成，保证机组安全稳定运行。
实施例二
如图6至10所示，本例与实施例一除以下设计外，其余特征不变；将由叶片背面9最低压力位置打孔至叶轮前盖板1更改为在出水边5打孔通向叶片背面9最低压力处。
Claims (6)
1.一种抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮，所述叶轮由叶轮前盖板、叶轮后盖板和对称布置于叶轮前盖板与叶轮后盖板之间的多组叶片构成，每组叶片包括叶片工作面、与叶片工作面相对的叶片背面、叶片进水边和叶片出水边，其特征在于：所述叶片背面压力最低点区域设置多个孔，所述各孔通过设置于叶片中的同一管道与设置于叶轮前盖板的孔或叶片出水边的孔联通。
2.根据权利要求1所述的抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮，其特征在于：所述叶片背面压力最低点区域设置三组孔，各孔直径2～3mm。
3.根据权利要求2所述的抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮，其特征在于：所述设置于叶轮前盖板的孔径与叶片背面压力的孔径相同。
4.根据权利要求3所述的抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮，其特征在于：所述设置于叶轮前盖板的孔位于叶片背面压力各孔连线的延长线与前盖板轮廓线的交点。
5.根据权利要求1所述的抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮，其特征在于：所述设置于叶片出水边的孔位于叶片出水边的中心，孔直径2～3mm。
6.一种抑制泵叶轮叶片背面空化的叶轮设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)运用商业软件建立泵的三维全流道模型；
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