CN110966247A - 一种高速叶轮泵及其叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速叶轮泵及其叶轮，所述叶轮包括轮毂和若干仿生叶片，所述若干仿生叶片围绕在所述轮毂外围，在径向方向各所述仿生叶片同向弯折成V形。本发明的高速叶轮泵的叶轮的叶片参照鸟翅膀进行仿生叶片设计，不仅可以优化流场，起到降低噪音的效果，而且可改善气泵的阶次噪音，更有利于人耳的舒适度和愉悦度。本发明的高速叶轮泵为侧槽泵结构，采用V型结构的仿生叶片，相对直叶片泵，出口气流要更平稳，而且仿生叶片泵出口全压分布较好，明显大于已有直叶片泵的出口全压，该高速叶轮泵具有结构紧凑，体积小，重量轻，噪音低等优点。

Description

一种高速叶轮泵及其叶轮

技术领域

本发明属于空气泵的技术领域，具体涉及一种高速叶轮泵及其叶轮。

背景技术

侧槽泵即二次空气泵，在工业领域已经广泛的应用，其包括泵壳体机械部分和电机，电机马达驱动叶轮同步旋转从而使空气流动，来达到输运空气的效果。二次空气泵有理想的内部流场，大阻力高功率工况下，仍然有提供三元催化器所需要的大风量的能力，是理想的可降低排气系统有害气体和颗粒的好帮手。

侧槽泵通过接收汽车发动机控制器的指令进行工作，向汽车排气歧管中吹进额外的空气，增加其中的氧气含量，使废气中有害物质如一氧化碳和碳氢化合物等在高温环境再次燃烧，配合三元催化器和氧化颗粒物捕捉器工作，达到减少汽车尾气中有害气体和颗粒物的含量，从而帮助整车满足国六排放标准。

现有侧槽泵多数叶轮叶片采用简单直叶片结构(如图1所示)，并且壳体表面并无特色造型仅作为叶轮的外壳匹配，随着国六排放标准的推行，整车厂对汽车尾气处理的重视，不光是要求叶轮泵能够提供大风量和高效率，更把叶轮泵的噪音和声品质作为重要的考核指标。可见，直叶片传统结构壳体泵已不能满足整车厂的严要求。因此，急需开发出大风量和低噪音的叶轮泵，以完全满足整车客户的需求。

发明内容

针对现有侧槽泵无法同时满足大风量和低噪音的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种的高速叶轮泵的叶轮，该高速叶轮泵的叶轮具有风量大且噪音低等优点。

本发明的高速叶轮泵的叶轮包括轮毂和若干仿生叶片，所述若干仿生叶片围绕在所述轮毂外围，在径向方向各所述仿生叶片同向弯折成V形。

较佳的，所述仿生叶片从弯折点到端部的厚度逐渐减小。

较佳的，所述仿生叶片根部之间设有肋板，所述肋板将各所述仿生叶片的根部连为一体。

较佳的，所述仿生叶片的弯折点在中间部位，所述肋板垂直于所述叶轮轴向且外围边延伸至所述仿生叶片的弯折处。

进一步的，所述仿生叶片之间所述肋板的外围边两角沿着叶片向外延伸形成钳状角。叶轮高速运转时，叶片弯折点处受力较大，肋板的外围边与弯折点在同一个半径上，且呈蟹钳状可以有效加固叶片的强度。

更进一步的，钳状角的大小为110～130°，优选120°。

较佳的，所述仿生叶片根部与所述轮毂外围侧面的夹角为45～75°，优选45～60°，更优选50°。

较佳的，所述仿生叶片弯折的V形角的吸力面夹角为110～130°，压力面夹角比吸力面夹角大5～10°。所述吸力面夹角是指凸侧的两个弯折面所成的夹角，所述压力面夹角是指凹侧的两个弯折面所成的夹角。

进一步的，所述仿生叶片弯折的V形角的吸力面夹角为110～120°，压力面夹角为120～130°；更优选的，吸力面夹角为117～118°，压力面夹角为124～126°。

较佳的，所述仿生叶片数量为50～70片，优选55～60片，更优选58片。

对于旋转机械来说，旋转部件是其重中之重的关键部件；鸟类具有优良的飞行能力，有些可静音飞行，有些可高效飞行，这些特性对于改善叶轮叶片、机翼叶片等空气动力学中的气动性能和声学特性具有非常指导意义。本发明依据仿生原理，运用其降噪特征，仿生叶片呈现V型沟槽形态，就如鸟翼飞翔状，建立了仿生叶片的实体模型，经过加工制造快速成型样件测试验证其气动特性，结果表明，仿生叶片的气动性能优于直叶片，最大流量提高了2.5％，最高静压提高了7.5％；原因是，仿生叶片V型弯折状起到了导流作用，使更多的气流周向流出，阻碍了气流沿径向扩散，减少了径向流失，从而使出口流量和压力均有增加。

鸟翅膀前缘较厚，尾缘很薄，力量主要集中在根部，所以，叶片根部加有肋板结构；V型结构槽从转折点到端部翼型其厚度分布渐变式减小，呈现鸟翅膀飞翔的形态；本发明参照鸟翅膀的几何特征进行各翼型截面的设计，拟合修正后建立的3D叶片模型；基于鸟翅膀特征，对空气泵叶片翼型进行的仿生设计，并对仿生叶片进行了噪声试验。试验结果表明，采用仿生翼型叶轮泵气动性能更好，从叶根到叶顶采用渐变厚度的变化，对降低气动噪声效果显著。

较佳的，所述轮毂包括轮毂盘、设于轮毂盘中心的联轴结构、设于轮毂盘外沿的轮毂外圈以及若干间隔设于所述轮毂盘上的轮毂中圈。

所述联轴结构、所述轮毂中圈与所述轮毂外圈由内到外依次布置，之间会形成圆形槽，可以使叶轮泵获得更好的压力提升。进一步，其与叶轮泵的上端盖间隙配合，可有效提高泵的全压能力，对高压头工况来说，至关重要，等功率情况下，具有压头和风量显著提高的特征。

进一步的，所述轮毂盘上位于所述联轴结构与所述轮毂的外圈之间设有若干径向的加强筋。所述加强筋沿径向贯穿圆形槽，起到加固作用。所述加强筋可提高叶轮强度，克服高速旋转时叶轮的不规则抖动，进而可避免由于叶轮抖动而引起的异常噪声，从而优化声音的舒适程度。

本发明的第二目的在于提供一种高速叶轮泵，包括蜗壳、安装在蜗壳内的叶轮以及盖在蜗壳和叶轮上的上端盖，其特征在于，所述叶轮为上述任一种高速叶轮泵的叶轮。

较佳的，所述上端盖内侧中间部位设有若干圆形凸起，所述上端盖内侧对应所述仿生叶片的部位设有上蜗槽，所述上蜗槽的起始端设有垂直通向外部的进气口；所述蜗壳内设有与所述上蜗槽对应的下蜗槽，所述下蜗槽末端设有水平通向外部的出气口。

所述高速叶轮泵的上端盖内侧设置圆形凸起与叶轮的圆形槽间隙配合，组成迷宫槽造型。经过样品试制验证，间隙匹配越小，在特定工况下，空气泵所能提供的风量越大，采用迷宫槽造型可提升空气泵的压差，更容易达到性能指标。

所述高速叶轮泵为侧槽泵结构，其中叶轮通过联轴结构与驱动电机连接即可工作，可用于汽车尾气处理，工作原理为：叶轮叶片两侧的上蜗槽和下蜗槽形成侧通道，叶片转动时，由离心力的作用，促使气体向前向外流动，从而形成一系列螺旋状的运动。叶片之间的空气呈螺旋状加速旋转，并将泵体之外的气体挤入侧通道，当气体进入侧通道被压缩后又返回到叶片之间再次被加速旋转。当空气沿着一条螺旋形轨道穿过叶轮和侧通道时，每个叶轮片都增加了压缩和加速的程度，随着旋转的进行，气体的动能增加，使得沿侧通道通过的气体压力进一步增加。当空气到达蜗槽末端的出气口时，气体即被挤出叶轮并通过出口软管进入发动机排气系统进行二次燃烧。二次空气泵在冷启动或怠速时为三元催化器(KAT)预热，使其快速开始工作，降低有害气体排放；使氧化颗粒物过滤器(OPF)再生，即在汽车行驶每百公里后连续运行10分钟，目的是清理OPF中的积碳，使OPF重新发挥功能，减少有害气体和颗粒物污染排放。

本发明的高速叶轮泵与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明的高速叶轮泵的叶轮的叶片参照鸟翅膀进行仿生叶片设计，不仅可以优化流场，起到降低噪音的效果，而且可改善气泵的阶次噪音，更有利于人耳的舒适度和愉悦度。

2.本发明的高速叶轮泵的叶轮在叶片之间设有肋板，弯折型叶片结构，通过一圈适当的肋板，提高了叶片强度，克服了在高速旋转时，叶片在离心力作用下径向和轴向拉直引起的叶片型线的变化，保证了叶片运行性能的稳定性。

3.本发明的高速叶轮泵的叶轮中，所述联轴结构、所述轮毂中圈与所述轮毂外圈由内到外依次布置，之间会形成圆形槽，可以使叶轮泵获得更好的压力提升。进一步，其与叶轮泵的上端盖间隙配合，可有效提高泵的全压能力，对高压头工况来说，至关重要，等功率情况下，具有压头和风量显著提高的特征。

4.本发明的高速叶轮泵的叶轮的轮毂盘上设有加强筋，提高了叶轮强度，克服了高速旋转时叶轮的不规则抖动，避免了由于叶轮抖动而引起的异常噪声，从而优化了声音的舒适程度。

5.本发明的高速叶轮泵采用侧槽泵结构，结构紧凑，体积小，重量轻，噪音低。本发明的高速叶轮泵中，所述叶轮的轮毂和叶片结构上均有优化，轮毂与上端盖间隙配合出迷宫槽结构可提高泵的全压能力；采用V型结构的仿生叶片的高速叶轮泵，相对直叶片泵，出口气流要更平稳；而且仿生叶片泵出口全压分布较好，明显大于已有直叶片泵的出口全压。原因在于，弯折叶片表面能阻碍气流沿径向扩散，减少径向流失，且起导流作用使更多的气流周向流出，从而使出口流量和压力都增大。

附图说明

图1为现有空气泵叶轮的示意图；

图2为本发明高速叶轮泵的叶轮的立体图；

图3为本发明高速叶轮泵的叶轮的俯视图；

图4为本发明高速叶轮泵的叶轮的仰视图；

图5为本发明高速叶轮泵的叶轮的俯视图的局部放大示意图；

图6为本发明高速叶轮泵的立体图；

图7为本发明高速叶轮泵的俯视图；

图8为本发明高速叶轮泵的仰视图；

图9为本发明高速叶轮泵的上端盖的立体图(内侧视角)；

图10为本发明高速叶轮泵的上端盖的立体图(外侧视角)；

图11为本发明高速叶轮泵的局部剖视图；

图12为本发明高速叶轮泵和现有叶轮泵的压差-风量性能曲线；

图13为本发明高速叶轮泵和现有叶轮泵的频谱分析图。

附图标记

叶轮1，轮毂11，轮毂盘111，联轴结构112，轮毂外圈113，轮毂中圈114，加强筋115，仿生叶片12；

上端盖2，圆形凸起21，上蜗槽22，进气口23，外部加强筋24；

蜗壳3，下蜗槽31，出气口32。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1 一种高速叶轮泵的叶轮

图2-图4示出了本发明一较佳实施例的高速叶轮泵的叶轮1，其包括轮毂11和若干仿生叶片12(图中示出数量为58片)。

轮毂11包括轮毂盘111、设于轮毂盘111中心的联轴结构112、设于轮毂盘111外沿的轮毂外圈113以及两个间隔设于轮毂盘111上的轮毂中圈114。联轴结构112、轮毂中圈114与轮毂外圈113由内到外依次布置，之间形成圆形槽。联轴结构112与轮毂外圈113之间设有若干(图中为十二条，等间隔布置)径向的加强筋115，加强筋115沿径向贯穿圆形槽，起到加固作用。

仿生叶片12围绕在轮毂外圈113外围并向外延伸，在径向方向各仿生叶片12同向弯折成V形。仿生叶片12的弯折点在中间部位，且从弯折点到端部(从中间到两端)的厚度逐渐减小。仿生叶片12根部之间设有肋板13，肋板13将各仿生叶片12的根部连为一体。较佳的，肋板13垂直于叶轮轴向且外围边延伸至仿生叶片的弯折处。

较佳的，如图3所示，仿生叶片12根部与轮毂外圈113侧面的夹角A为45～75°，仿生叶片弯折的V形角度为120～150°。进一步的，以仿生叶片12凸侧的两个弯折面所成的夹角为吸力面夹角B，凹侧的两个弯折面所成的夹角为压力面夹角C，其中，吸力面夹角B为110～130°，压力面夹角C比吸力面夹角B大5～10°。优选的，吸力面夹角B为110～120°，压力面夹角C为120～130°；更优选的，吸力面夹角B为117～118°，压力面夹角C为124～126°。

如图5所示，仿生叶片12之间肋板13的外围边两角沿着叶片向外延伸形成钳状角D。叶轮1高速运转时，叶片弯折点处受力较大，肋板13的外围边与弯折点在同一个半径上，且呈蟹钳状可以有效加固叶片的强度。较佳的，肋板13的外围边两个钳状角D的大小为110～130°，优选120°。

对于旋转机械来说，旋转部件是其重中之重的关键部件；鸟类具有优良的飞行能力，有些可静音飞行，有些可高效飞行，这些特性对于改善叶轮叶片、机翼叶片等空气动力学中的气动性能和声学特性具有非常指导意义。本发明依据仿生原理，运用其降噪特征，仿生叶片12呈现V型沟槽形态，就如鸟翼飞翔状，建立了仿生叶片的实体模型，经过加工制造快速成型样件测试验证其气动特性，结果表明，仿生叶片12的气动性能优于直叶片，最大流量提高了2.5％，最高静压提高了7.5％；原因是，仿生叶片V型弯折状起到了导流作用，使更多的气流周向流出，阻碍了气流沿径向扩散，减少了径向流失，从而使出口流量和压力均有增加。

鸟翅膀前缘较厚，尾缘很薄，力量主要集中在根部，所以，本发明在叶片根部加有肋板结构；V型结构槽从转折点到端部翼型其厚度分布渐变式减小，呈现鸟翅膀飞翔的形态；本发明参照鸟翅膀的几何特征进行各翼型截面的设计，拟合修正后建立的3D叶片模型；基于鸟翅膀特征，对空气泵叶片翼型进行的仿生设计，并对仿生叶片进行了噪声试验。试验结果表明，采用仿生翼型叶轮泵气动性能更好，从叶根到叶顶采用渐变厚度的变化，对降低气动噪声效果显著。

本发明的高速叶轮泵的叶轮中，联轴结构112、轮毂中圈114与轮毂外圈113由内到外依次布置，之间形成圆形槽，可以使叶轮泵获得更好的压力提升。进一步，其与叶轮泵的上端盖间隙配合，可有效提高泵的全压能力，对高压头工况来说，至关重要，等功率情况下，具有压头和风量显著提高的特征。

实施例2 一种高速叶轮泵

图6-图8示出了本发明一较佳实施例的高速叶轮泵，其包括实施例1的叶轮1、上端盖2以及蜗壳3。其中，叶轮1为整体注塑制品，安装在蜗壳3内；上端盖2与蜗壳3为铝材质的压铸制品，上端盖2盖在蜗壳3上并通过密封圈和螺栓连接。

如图9-图10所示，上端盖2内侧中间对应圆形槽的部位设有两圈圆形凸起21，装配时圆形凸起21可与两个轮毂中圈114与轮毂外圈113之间形成的两圈圆形槽间隙配合；上端盖2内侧对应仿生叶片12的部位设有上蜗槽22，上蜗槽22的起始端设有垂直通向外部的进气口23。上端盖1外表面设有外部加强筋24。

蜗壳3内设有与上蜗槽22对应的下蜗槽31，下蜗槽31末端设有水平通向外部的出气口32。

如图11所示，上端盖2的圆形凸起21可间隙插入叶轮1的两个轮毂中圈114与轮毂外圈113之间形成的两圈圆形槽，形成间隙配合，组成迷宫槽造型。经过样品试制验证，间隙匹配越小，在特定工况下，空气泵所能提供的风量越大；可见，采用了迷宫槽提升了空气泵的压差，更容易达到性能指标。

该高速叶轮泵为侧槽泵结构，其中叶轮1通过联轴结构112与驱动电机连接即可工作，可用于汽车尾气处理，工作原理为：叶轮叶片两侧的上蜗槽22和下蜗槽31形成侧通道，叶片转动时，由离心力的作用，促使气体向前向外流动，从而形成一系列螺旋状的运动。叶片之间的空气呈螺旋状加速旋转，并将泵体之外的气体挤入侧通道，当气体进入侧通道被压缩后又返回到叶片之间再次被加速旋转。当空气沿着一条螺旋形轨道穿过叶轮和侧通道时，每个叶轮片都增加了压缩和加速的程度，随着旋转的进行，气体的动能增加，使得沿侧通道通过的气体压力进一步增加。当空气到达蜗槽末端的出气口时，气体即被挤出叶轮并通过出口软管进入发动机排气系统进行二次燃烧。二次空气泵在冷启动或怠速时为三元催化器(KAT)预热，使其快速开始工作，降低有害气体排放；使氧化颗粒物过滤器(OPF)再生，即在汽车行驶每百公里后连续运行10分钟，目的是清理OPF中的积碳，使OPF重新发挥功能，减少有害气体和颗粒物污染排放。

相对于现有叶轮泵，本发明的设计要点及其积极进步效果在于：

1.本发明的高速叶轮泵的叶轮的叶片参照鸟翅膀进行仿生叶片设计，不仅可以优化流场，起到降低噪音的效果，而且可改善气泵的阶次噪音，更有利于人耳的舒适度和愉悦度。

2.本发明的高速叶轮泵的叶轮在叶片之间设有肋板，弯折型叶片结构，通过一圈适当的肋板，提高了叶片强度，克服了在高速旋转时，叶片在离心力作用下径向和轴向拉直引起的叶片型线的变化，保证了叶片运行性能的稳定性。

3.本发明的高速叶轮泵的叶轮中，联轴结构、轮毂中圈与轮毂外圈由内到外依次布置，之间会形成圆形槽，可以使叶轮泵获得更好的压力提升。进一步，其与叶轮泵的上端盖间隙配合，可有效提高泵的全压能力，对高压头工况来说，至关重要，等功率情况下，具有压头和风量显著提高的特征。

4.本发明的高速叶轮泵的叶轮的轮毂盘上设有加强筋，提高了叶轮强度，克服了高速旋转时叶轮的不规则抖动，避免了由于叶轮抖动而引起的异常噪声，从而优化了声音的舒适程度。

5.本发明的高速叶轮泵的上端盖内侧设置圆形凸起与叶轮的圆形槽间隙配合，组成迷宫槽造型。经过样品试制验证，间隙匹配越小，在特定工况下，空气泵所能提供的风量越大，采用迷宫槽造型可提升空气泵的压差，更容易达到性能指标。

6.本发明的高速叶轮泵中，叶轮的轮毂和叶片结构上均有优化，轮毂与上端盖间隙配合出迷宫槽结构可提高泵的全压能力；采用V型结构的仿生叶片的高速叶轮泵，相对直叶片泵，出口气流要更平稳；而且仿生叶片泵出口全压分布较好，明显大于已有直叶片泵的出口全压。原因在于，弯折叶片表面能阻碍气流沿径向扩散，减少径向流失，且起导流作用使更多的气流周向流出，从而使出口流量和压力都增大。

高压气泵选型主要参数依据有：功率，风量，风压(需要一定要求来计算)，电压等，高压气泵对应的压力-流量曲线；而风量大，压差提高是本发明高速叶轮泵的核心竞争亮点。申请人对本发明的高速叶轮泵进行了小批量样品试制，对本发明的高速叶轮泵与已有的直叶片的叶轮泵进行对比试验，经过气动性能试验台测试验证，总的来说，本发明的高速叶轮泵的风量和效率均符合预期；在特定225mbar压差条件下，转速18900rpm，风量达到19.22kg/h。

图12为本发明的高速叶轮泵和已有叶轮泵测试得到的压差-风量性能曲线，由该曲线可知，相比于现有叶轮泵，本发明的高速叶轮泵的风量和压差有显著的提升。

图13为本发明的高速叶轮泵和已有叶轮泵的，由图可以看出，在降噪方面，本发明的高速叶轮泵的噪音特征明显优于已有叶轮泵，本发明的高速叶轮泵纵坐标卡滞力幅值明显下移，振动传递降低了，噪音改善明显。

上述测试结果表明，本发明的高速叶轮泵不仅气动性能优于已有叶轮泵，而且噪音亦优于已有叶轮泵。本发明叶轮的轮毂和叶片结构上均有优化，轮毂与上端盖间隙配合出迷宫槽结构可提高泵的全压能力；同时采用V型结构的仿生叶片的高速叶轮泵，相对直叶片泵，出口气流要更平稳；而且仿生叶片泵出口全压分布较好，明显大于已有直叶片泵的出口全压；原因在于，弯折叶片表面能阻碍气流沿径向扩散，减少径向流失，且起导流作用使更多的气流周向流出，从而使出口流量和压力都增大。而直叶片尾缘更容易发生边界层分离，其边界层分离区域要大于仿生叶片表面的边界层分离区域；因此，直叶片的边界层分离涡脱落噪音要大，并且仿生叶片的弯折点打破了叶片表面涡脱落的能量团，使声能量降小。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创新的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，包括轮毂和若干仿生叶片，所述若干仿生叶片围绕在所述轮毂外围，在径向方向各所述仿生叶片同向弯折成V形。

2.如权利要求1所述的高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，所述仿生叶片从弯折点到端部的厚度逐渐减小。

3.如权利要求1所述的高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，所述仿生叶片根部之间设有肋板，所述肋板将各所述仿生叶片的根部连为一体。

4.如权利要求1所述的高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，所述仿生叶片的弯折点在中间部位，所述肋板垂直于所述叶轮轴向且外围边延伸至所述仿生叶片的弯折处；所述仿生叶片之间所述肋板的外围边两角沿着叶片向外延伸形成钳状角。

5.如权利要求1所述的高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，所述仿生叶片根部与所述轮毂外围侧面的夹角为45～75°；所述仿生叶片弯折的V形角的吸力面夹角为110～130°，压力面夹角比吸力面夹角大5～10°。

6.如权利要求1所述的高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，所述仿生叶片数量为50～70片。

7.如权利要求1所述的高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，所述轮毂包括轮毂盘、设于轮毂盘中心的联轴结构、设于轮毂盘外沿的轮毂外圈以及若干间隔设于所述轮毂盘上的轮毂中圈。

8.如权利要求7所述的高速叶轮泵的叶轮，其特征在于，所述轮毂盘上位于所述联轴结构与所述轮毂的外圈之间设有若干径向的加强筋。

9.一种高速叶轮泵，包括蜗壳、安装在蜗壳内的叶轮以及盖在蜗壳和叶轮上的上端盖，其特征在于，所述叶轮为权利要求1～8任一项所述的高速叶轮泵的叶轮。

10.如权利要求9所述的高速叶轮泵，其特征在于，所述上端盖内侧中间部位设有若干圆形凸起，所述上端盖内侧对应所述仿生叶片的部位设有上蜗槽，所述上蜗槽的起始端设有垂直通向外部的进气口；所述蜗壳内设有与所述上蜗槽对应的下蜗槽，所述下蜗槽末端设有水平通向外部的出气口。

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