CN110985435A - 一种抑制混流泵叶片空化的装置 - Google Patents

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张德胜
高雄发
赵睿杰
顾琦
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Abstract

本发明公开了一种抑制混流泵叶片空化的装置，包括渐缩管、叶轮、导叶和弯管，叶轮位于渐缩管和导叶之间，叶轮上的叶片进口边尖端处设有修圆面，叶轮上的叶片背面压力最低点开设有小孔，小孔将所述叶片的背面和正面连通。通过设置整流栅，减少流道进口流体能量损失。通过将混流泵装置的叶片进口边修圆，从而使叶轮工作面进口修圆处的静压变化梯度增大，压力提升变快，且低压力点出现在切点附近，可有效的降低低压区的面积，抑制混流泵叶片的空化。通过在叶片背面压力最低点位置钻一个小孔，可利用正背面的压力差，使正面的高压水流射流到背面的压力中心，抑制混流泵叶片背面的空化，实现叶轮内的稳定运行。

Description

一种抑制混流泵叶片空化的装置
技术领域
本发明涉及一种抑制混流泵叶片空化的装置，提高机组的性能和运行稳定性，属于水泵技术领域。
背景技术
混流泵的比转速较高,其性能介于轴流泵与离心泵之间。因而混流泵兼具了轴流泵和离心泵的优点，即扬程和功率曲线变化平坦、高效区宽、抗汽蚀性能良好、便于启动等优点，被广泛地应用于农业灌溉、船舶推进以及调水工程等领域。然而存在一种现象会影响混流泵的性能——空化。空化是指在工质中或者固体表面上发生的液相与气相之间的相互转化，并且会伴随有振动和噪声的一种现象，严重时会造成固体表面的破坏。空化会导致水力机械的性能明显降低。在混流泵启动过程中，叶片进口尖端和叶片背面中部靠近轮缘处最容易发生空化，同时，随着混流泵转速的增加，可以观察到叶片背面的空化区域都是由叶片中部靠近轮缘处逐渐向叶片背面的后缘及轮毂的方向发展。考虑空化的泵的设计，主要是对泵进行改进以使空化对泵性能的不利影响降到最低，或者在空化依然存在的情况下通过其他方法提高泵的性能。目前研究的方向主要都是以降低空化带来的影响为主，传统的应用于旋转机械中抑制空化的常用方法可分为两种，一种是在离心泵或者斜流泵叶轮进口上游安装诱导轮，另一种是采用超空化转桨式叶片，主要应用于螺旋桨的设计领域。目前,对空化存在的条件下，使用混流泵特殊叶片结构对泵运行和性能影响方面尚未有充足的认识，相关的产品和设计方法还属于空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制混流泵叶片空化的装置，可以抑制混流泵叶片的空化，实现叶轮内稳定运行。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种抑制混流泵叶片空化的装置，包括渐缩管、叶轮、导叶和弯管，所述叶轮位于所述渐缩管和导叶之间，所述叶轮上的叶片进口边尖端处设有修圆面，所述叶轮上的叶片背面压力最低点开设有小孔，所述小孔将所述叶片的背面和正面连通。
上述方案中，所述渐缩管内设置有整流栅，所述整流栅由两块相互垂直设置的平板构成，所述渐缩管的中心轴线与两块平板的交叉线共线。
上述方案中，所述弯管处还安装有肋板。
本发明还提供一种抑制混流泵叶片空化的软件模拟方法，包括运用软件对混流泵相应工况进行模拟计算，计算完成后在混流泵叶片进口边进行面倒圆，在面倒圆命令中选择进口面和轮缘面进行双面倒圆。
上述方案中，使用软件的后处理功能对计算结果进行压力分布分析，得出叶片背面压力最低点位置，在模型混流泵叶片背面压力最低点处模拟钻孔，然后利用模型试验进行验证，通过成像观测系统对叶片背面进行观测。
本发明的有益效果：（1）针对混流泵叶片进口边尖端处静压梯度小，低压面积较大，易发生空化问题，对叶片进口边修圆，使其静压变化梯度增大，降低低压区的面积，抑制混流泵叶片的空化，实现叶轮内稳定运行。（2）针对混流泵叶片背面中部靠近轮缘处的压力较低，易发生空化问题，对叶片背面压力最低点位置钻一小孔，连接叶片正背面，可利用正背面的压力差，使正面的高压水流补充到背面的压力中心，让背面的压力达不到汽化压力，抑制混流泵叶片的空化，实现叶轮内的稳定运行。（3）本发明在吸入渐缩管进口处设置整流栅，减少流道进口流体能量损失，并通过减弱二次流及涡流的影响来改善汽蚀性能，减少振动、噪声。将混流泵叶片进口修圆、叶片背面压力最低点打孔，可有效的抑制叶片表面的空化，提高机组性能和运行稳定性。（4）本发明有利于改善叶轮来流的流动状况，稳定入口流场，实现叶轮内稳定运行，提高机组效率，减少振动、噪声，延长叶片寿命。
附图说明
图1是带有特殊叶片结构的混流泵整体结构示意图。
图2是吸入渐缩管中整流栅位置示意图。
图3是吸入渐缩管中整流栅结构示意图。
图4是混流泵叶片进口边修型前的结构示意图。
图5是混流泵叶片进口边修型后的结构示意图
图6是计算流程图。
图7是通过软件计算出的叶片背面压力分布图。
图8是混流泵叶片背面发生空化区域中心钻小孔位置图。
图中，1.渐缩管，2.叶轮，3.导叶，4.肋板，5.出口弯管；6.整流栅；7.未修型叶片结构，8.修型后的叶片结构；9.叶片背面压力最低点。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参见附图1，一种抑制混流泵叶片空化的装置，包括渐缩管1、叶轮2、导叶3和弯管5，所述叶轮2位于所述渐缩管1和导叶3之间，在混流泵运行过程中，水流从渐缩管1流入叶轮2，流经泵叶片区，并对混流泵叶片正面做功，最后从出水边流出。由于水流对叶片正面做功，所以叶片正面的水流压力较高，图5是通过计算流体动力学软件计算出的叶片背面的压力分布图，从图中可以看出，由于翼型的原因，叶片背面的压力较低，局部还会形成压力最低区,甚至形成空化。并且叶片进口边尖端处静压梯度小，低压面积较大，易发生空化。本实施例一方面在吸入渐缩管内设置了整流栅6，如图2和图3所示，其整体是由两块相互垂直交叉设置的平板构成，所述渐缩管1的中心轴线与两块平板的交叉线共线，另一方面，如图4和图5所示，将叶轮2上的叶片进口边尖端处进行了修圆面，如图8所示，并在叶片背面压力最低点开设一个小孔10，所述小孔10将所述叶片的背面和正面连通。
本实施例运用商业计算流体动力学CFD软件对抑制混流泵叶片空化装置进行了模拟，请参见附图4和图5，在混流泵叶片进口边进行面倒圆，在面倒圆命令中选择双面倒圆，选择进口面和轮缘面。从而使叶轮工作面进口修圆处的静压变化梯度增大，压力提升变快，且低压力点出现在切点附近，可有效的降低低压区的面积，抑制混流泵叶片的空化，实现叶轮内稳定运行。模拟计算完成后，使用该软件的后处理功能对计算结果进行压力分布分析，可以得出叶片背面压力最低点位置9，也就是最易发生空化处。在模型混流泵叶片上钻孔，然后进行模型试验进行验证，通过成像观测系统对叶片背面进行观测，验证该方法的效果。
具体步骤如图6所示，水力计算：通过运用商业计算流体动力学CFD软件对混流泵相应工况进行模拟计算，计算流程如下。(1)如图1所示，运用商业三维造型软件对渐缩管1、叶轮2、导叶3、肋板4、弯管5等建立全模拟数学模型； (2)使用商业网格划分软件对模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；(3)使用商业计算流体动力学CFD软件的前处理部分导入划分好的网格，设置计算域的计算方程、边界条件等各种计算参数，计算软件采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性，流体选不可压缩流体；其连续性方程如下：
Figure 365963DEST_PATH_IMAGE002
动量方程如下：
Figure 751945DEST_PATH_IMAGE004
(4)计算求解及收敛,使用计算流体动力学软件的求解器对计算域进行求解,计算时间步长0.005，收敛残值0.00005 ；(5)计算结果分析,使用计算流体动力学软件的后处理部分导入计算结果,对计算结果进行压力分布分析,在软件的命令窗口下使用语句min (p)可求得叶片背面的最低压力点位置。 (6)叶片钻孔:在叶片背面计算所得压力最低点位置钻一个小孔10,该小孔连通到叶片正面。

Claims (5)

1.一种抑制混流泵叶片空化的装置，包括渐缩管（1）、叶轮（2）、导叶（3）和弯管（5），所述叶轮（2）位于所述渐缩管（1）和导叶（3）之间，其特征在于，所述叶轮（2）上的叶片进口边尖端处设有修圆面，所述叶轮（2）上的叶片背面压力最低点开设有小孔（10），所述小孔（10）将所述叶片的背面和正面连通。
2.根据权利要求1所述的一种抑制混流泵叶片空化的装置，其特征在于，所述渐缩管（1）内设置有整流栅（6），所述整流栅（6）由两块相互垂直交叉设置的平板构成，所述渐缩管（1）的中心轴线与两块平板的交叉线共线。
3.根据权利要求1或2所述的一种抑制混流泵叶片空化的装置，其特征在于，所述弯管（5）处还安装有肋板（4）。
4.一种抑制混流泵叶片空化的软件模拟方法，包括运用软件对混流泵相应工况进行模拟计算，计算完成后在混流泵叶片进口边进行面倒圆，在面倒圆命令中选择进口面和轮缘面进行双面倒圆。
5.根据权利要求4所述的一种抑制混流泵叶片空化的软件模拟方法，其特征在于，使用软件的后处理功能对计算结果进行压力分布分析，得出叶片背面压力最低点位置（9），在模型混流泵叶片背面压力最低点（9）处模拟钻孔，然后利用模型试验进行验证，通过成像观测系统对叶片背面进行观测。
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