CN111946659A - 一种可调叶片包角的离心泵用叶轮及离心泵 - Google Patents

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韩传峰
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Abstract

本发明公开了一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，包括一中心轴和若干个叶片，每个叶片的径向内端均与中心轴形成铰接配合，每个叶片的径向外端上均装设有调径叶片，中心轴开设有内腔，且内腔中沿轴向滑动设置有一左调角滑块、一右调角滑块和一调径滑块，每个叶片上的调径叶片均通过调径绳连接在调径滑块上，每个叶片径向内端的左右两侧分别设置有左调角绳和右调角绳，左调角绳的一端与左侧连接，各左调角绳的另一端均连接在左调角滑块上，右调角绳的一端与右侧连接，各右调角绳的另一端均连接在右调角滑块上。通过上述设置，在不改变叶轮外尺寸的条件下实现对叶片包角的实时调节，从而增加离心泵的使用工况范围。本发明公开了一种离心泵。

Description

一种可调叶片包角的离心泵用叶轮及离心泵
技术领域
本发明涉及了泵体叶轮结构领域，具体涉及了一种可调叶片包角的离心泵用叶轮。
本发明涉及了泵体叶轮结构领域，具体涉及了一种可调叶片包角的离心泵。
背景技术
离心泵是一种重要的流体输送机械，广泛应用于能源开采、农业灌溉、石油化工、水利工程、城市用水等众多领域。叶轮作为离心泵的重要过流部件，其叶片形状及水利参数是影响离心泵性能的主要参数，叶片包角则是其中一项重要参数，叶片包角的大小直接影响泵的水力损失、流动状况、空化特性等方面。众多研究发现对根据使用工况的不同，在叶轮基本外尺寸确定的情况下，离心泵存在一个最优包角。而现有的离心泵叶片包角都是固定的，只能在某个特定工况达到最佳性能。所以设计一种可调叶片包角的叶轮，通过调整叶片包角来增加离心泵的使用工况范围，对离心泵性能的提高具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其在不改变叶轮外尺寸的条件下实现对叶片包角的实时调节，从而增加离心泵的使用工况范围。
为实现上述目的，本发明提供了一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，包括一中心轴和若干个叶片，若干个叶片围绕中心轴圆周均布设置，每个叶片的径向内端均与中心轴形成铰接配合，每个叶片的径向外端上均装设有调径叶片，所述中心轴开设有内腔，且所述内腔中沿轴向滑动设置有一左调角滑块、一右调角滑块和一调径滑块，左调角滑块上连接有驱动其在所述内腔中沿轴向滑动的左动力源，右调角滑块上连接有驱动其在所述内腔中沿轴向滑动的右动力源，调径滑块上连接有驱动其在所述内腔中沿轴向滑动的调径动力源，每个叶片上的调径叶片均通过调径绳连接在调径滑块上，每个叶片径向内端的左右两侧分别设置有左调角绳和右调角绳，左调角绳的一端与对应叶片的左侧连接，各左调角绳的另一端均连接在左调角滑块上，右调角绳的一端与对应叶片的右侧连接，各右调角绳的另一端均连接在右调角滑块上。
本发明可进一步设置为所述叶片上开设有供对应调径绳从其中穿过的通道，所述通道贯穿叶片的径向内端，叶片的径向外端开设有供调径叶片插装于其内的插槽，所述插槽的一端贯穿叶片的径向外端，所述插槽的另一端与通道相连通，调径叶片上还连接有促使其径向向外伸出插槽的压缩弹簧，所述调径叶片上对应设置有防止其从叶片上脱离的凸耳，所述调径绳绕经有轴向调向滑轮，左、右调角绳均绕经有轴向调向滑轮和径向调向滑轮，所述轴向调向滑轮和径向调向滑轮均转动装设在中心轴上。
本发明还可进一步设置为所述压缩弹簧套装于调径绳上，插槽内形成有用于定位压缩弹簧的凹槽。这样设置可对压缩弹簧形成更好的安装定位，结构上更为稳定可靠。
本发明的工作原理是：根据叶片包角的定义，叶片入口边(径向内端)与圆心的连线和叶片出口边(径向外端)与圆心连线之间的夹角被称为叶片包角，则当叶片偏转时，因其偏转中心不是圆心，所以叶片包角会随之变化，随之变化的还有叶轮外径，所以通过控制叶片的偏转角度和长度就可以在不改变叶轮外尺寸的条件下控制叶片包角的变化。具体操作比如：通过右动力源控制右调角滑块向右平移，进而通过右调角绳拉动叶片，左动力源控制左调角滑块向左平移，进而控制左调角绳不阻碍叶片活动，则在不同调角绳的作用下拉动叶片顺时针(观测方向为叶轮背侧)转动一个角度，实现叶片包角的变大，叶轮外径也被改变。同时通过调径动力源控制调径滑块向左平移，进而控制调径绳放松，压缩弹簧会因调径绳拉力变小而推动调径叶片向外复位，使叶片变长，以使得叶轮外径保持不变，即在不改变叶轮外尺寸的条件下实现对叶片包角的实时调节。
本发明的有益效果是：通过采用上述结构，本发明优化了叶轮叶片的安装方式，其能实现叶片包角的实时变化，从而使得利用本发明的离心泵在不更换叶轮的情况下能实时调节叶片包角，进而增大了离心泵的适用范围。此外，本发明还适用于变包角的叶轮测试实验。
本发明还可进一步设置为调径滑块的位移X1通过下列公式得出，
Figure BDA0002642857870000031
式中：R1为叶轮内半径；R2为叶轮外半径；θ为所增加的包角角度；
叶片偏转角度α由下述公式确定：
Figure BDA0002642857870000032
叶片与中心轴铰接点的位移L2由下述公式确定：
Figure BDA0002642857870000033
式中：L3为叶片与中心轴铰接点到叶片偏转中心的距离；
右调角滑块的位移X2和左调角滑块的位移X3按下述公式确定：
Figure BDA0002642857870000034
Figure BDA0002642857870000035
式中：L1为初始位置上叶片与中心轴铰接点到径向调向滑轮中心的距离；β为初始位置上左或右调角绳与叶片相连接处所形成的夹角，且所述夹角为锐角。
通过采用上述公式，使得各动力源推动对应滑块滑移相应的位移，并能根据所需精确地调节控制包角变化。此外，通过上述公式推导，在叶片偏转90°内能调整的最大包角为arccos(R1/R2)。
本发明还可进一步设置为左调角滑块、右调角滑块和调径滑块上均设置有径向凸出部，中心轴内腔上对应开设有与所述径向凸出部构成插接配合并供所述径向凸出部在其内滑移的直线滑槽。这样设置，使得各滑块的滑移能更加平稳可靠。
本发明还可进一步设置为所述中心轴包括轴体和端头，所述内腔开设在轴体内，且轴体的轴向一端具有与所述内腔相贯通的开口，所述端头可拆卸固定装设在轴体上，并构成对所述开口的遮盖，所述叶片装设在所述端头上。这样设置，各动力源和滑块可通过所述开口装入到内腔中，结构简单，安装方便。
本发明还可进一步设置为所述端头由两连接盘拼接构成，且两连接盘拼接后对应构成对所述叶片径向内端的夹持限位。这样设置不仅便于叶片安装，而且还对叶片形成更好的安装定位。
本发明还可进一步设置为左动力源、右动力源、调径动力源均为步进电机。
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可调叶片包角的离心泵，其在不改变叶轮外尺寸的条件下实现对叶片包角的实时调节，从而增加离心泵的使用工况范围。
为实现上述目的，本发明提供了一种离心泵，包括泵壳、及安装于泵壳内的叶轮，其特征在于：所述叶轮采用前述的叶轮。
本发明的工作原理是：根据叶片包角的定义，叶片入口边(径向内端)与圆心的连线和叶片出口边(径向外端)与圆心连线之间的夹角被称为叶片包角，则当叶片偏转时，因其偏转中心不是圆心，所以叶片包角会随之变化，随之变化的还有叶轮外径，所以通过控制叶片的偏转角度和长度就可以在不改变叶轮外尺寸的条件下控制叶片包角的变化。具体操作比如：通过右动力源控制右调角滑块向右平移，进而通过右调角绳拉动叶片，左动力源控制左调角滑块向左平移，进而控制左调角绳不阻碍叶片活动，则在不同调角绳的作用下拉动叶片顺时针(观测方向为叶轮背侧)转动一个角度，实现叶片包角的变大，叶轮外径也被改变。同时通过调径动力源控制调径滑块向左平移，进而控制调径绳放松，压缩弹簧会因调径绳拉力变小而推动调径叶片向外复位，使叶片变长，以使得叶轮外径保持不变，即在不改变叶轮外尺寸的条件下实现对叶片包角的实时调节。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明中中心轴的结构分解图；
图3为本发明去掉中心轴后的结构图；
图4为本发明的局部结构图；
图5为本发明中叶片部分的结构分解图；
图6为本发明的局部结构图；
图7为本发明的结构剖面图；
图8为本发明中叶片部分的结构剖视图。
具体实施方式
实施例一：如图1-8所示给出了一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，包括一中心轴1和若干个叶片2，若干个叶片2围绕中心轴1圆周均布设置，每个叶片2的径向内端均与中心轴1形成铰接配合，每个叶片2的径向外端上均装设有调径叶片3，所述中心轴1开设有内腔4，且所述内腔4中沿轴向滑动设置有一左调角滑块5、一右调角滑块6和一调径滑块7，左调角滑块5上连接有驱动其在所述内腔4中沿轴向滑动的左动力源8，右调角滑块6上连接有驱动其在所述内腔4中沿轴向滑动的右动力源9，调径滑块7上连接有驱动其在所述内腔4中沿轴向滑动的调径动力源10，每个叶片2上的调径叶片3均通过调径绳11连接在调径滑块7上，每个叶片2径向内端的左右两侧分别设置有左调角绳12和右调角绳13，左调角绳12的一端与对应叶片2的左侧连接，各左调角绳12的另一端均连接在左调角滑块5上，右调角绳13的一端与对应叶片2的右侧连接，各右调角绳13的另一端均连接在右调角滑块6上。
所述叶片2上开设有供对应调径绳11从其中穿过的通道14，所述通道14贯穿叶片2的径向内端，叶片2的径向外端开设有供调径叶片3插装于其内的插槽21，所述插槽21的一端贯穿叶片2的径向外端，所述插槽21的另一端与通道14相连通，调径叶片3上还连接有促使其径向向外伸出插槽21的压缩弹簧15，所述压缩弹簧15套装于调径绳11上，插槽21内形成有用于定位压缩弹簧15的凹槽26。所述调径叶片3上对应设置有防止其从叶片2上脱离的凸耳16，所述调径绳11绕经有轴向调向滑轮17，左、右调角绳均绕经有轴向调向滑轮17和径向调向滑轮18，所述轴向调向滑轮17和径向调向滑轮18均转动装设在中心轴1上。
左调角滑块5、右调角滑块6和调径滑块7上均设置有径向凸出部19，中心轴内腔4上对应开设有与所述径向凸出部19构成插接配合并供所述径向凸出部19在其内滑移的直线滑槽20。
上述左动力源8、右动力源9和调径动力源10优选为步进电机，当然也可以选用气缸等其它动力机构。此外，各绳索和滑轮只是本实施例的一种传动方式，也可以用齿轮与链条的组合来代替，不能理解为对本发明的限制。
通过采用上述结构，本发明优化了叶轮叶片的安装方式，其能实现叶片包角的实时变化，从而使得利用本发明的离心泵在不更换叶轮的情况下能实时调节叶片包角，进而增大了离心泵的适用范围。此外，本发明还适用于变包角的叶轮测试实验。
所述中心轴1包括轴体22和端头23，所述内腔4开设在轴体22内，且轴体22的轴向一端具有与所述内腔4相贯通的开口24，所述端头23可拆卸固定装设在轴体22上，并构成对所述开口24的遮盖，所述叶片2装设在所述端头23上。这样设置，各动力源和滑块可通过所述开口24装入到内腔4中，结构简单，安装方便。所述端头23由两连接盘25拼接构成，且两连接盘25拼接后对应构成对所述叶片2径向内端的夹持限位。这样设置不仅便于叶片2安装，而且还对叶片2形成更好的安装定位。
本实施例实现调整叶片包角的步骤如下：
步骤1：确定本实施例的模型参数，叶轮内半径R1为40mm；叶轮外半径R2为245mm；叶片2初始包角为0°；叶片2与中心轴1铰接点到叶片2偏转中心的距离L3为15mm；初始位置上叶片2与中心轴1铰接点到径向调向滑轮18中心的距离L1为17mm；初始位置上左或右调角绳与叶片2相连接处所形成的夹角(锐角)β为87°。
步骤2：确定所需的叶片2包角，设为60°，则所增加的包角角度θ为60°。通过公式
Figure BDA0002642857870000071
计算可得X1＝22.65mm。这样通过调径动力源10可相应控制调径滑块7滑移X1距离，也即调径叶片3被压缩弹簧15向外推出X1距离。
步骤3：根据所得X1可确定叶片2的偏转角度α为68.5°，计算函数为
Figure BDA0002642857870000072
进而确定叶片2与中心轴1铰接点的位移L2为16.88mm，计算函数为
Figure BDA0002642857870000073
步骤4：根据步骤3所得参数，可相应得出右调角滑块6的位移X2和左调角滑块5的位移X3，进而控制叶片2向右偏转68.5°。计算可得X2＝7.874mm，X3＝15.1mm。计算函数为
Figure BDA0002642857870000074
Figure BDA0002642857870000075
通过上述步骤就可以在不改变叶片外径的情况下调整所设叶片包角60°，本实施例理想情况下所能达到的最大包角为80.6°，计算函数为arccos(R1/R2)。
实施例二：本实施例保护的是一种离心泵，该离心泵包括泵壳、及安装于泵壳内的叶轮，其中叶轮采用实施例一中所公开的叶轮。

Claims (9)

1.一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，包括一中心轴和若干个叶片，若干个叶片围绕中心轴圆周均布设置，其特征在于：每个叶片的径向内端均与中心轴形成铰接配合，每个叶片的径向外端上均装设有调径叶片，所述中心轴开设有内腔，且所述内腔中沿轴向滑动设置有一左调角滑块、一右调角滑块和一调径滑块，左调角滑块上连接有驱动其在所述内腔中沿轴向滑动的左动力源，右调角滑块上连接有驱动其在所述内腔中沿轴向滑动的右动力源，调径滑块上连接有驱动其在所述内腔中沿轴向滑动的调径动力源，每个叶片上的调径叶片均通过调径绳连接在调径滑块上，每个叶片径向内端的左右两侧分别设置有左调角绳和右调角绳，左调角绳的一端与对应叶片的左侧连接，各左调角绳的另一端均连接在左调角滑块上，右调角绳的一端与对应叶片的右侧连接，各右调角绳的另一端均连接在右调角滑块上。
2.根据权利要求1所述的一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其特征在于：所述叶片上开设有供对应调径绳从其中穿过的通道，所述通道贯穿叶片的径向内端，叶片的径向外端开设有供调径叶片插装于其内的插槽，所述插槽的一端贯穿叶片的径向外端，所述插槽的另一端与通道相连通，调径叶片上还连接有促使其径向向外伸出插槽的压缩弹簧，所述调径叶片上对应设置有防止其从叶片上脱离的凸耳，所述调径绳绕经有轴向调向滑轮，左、右调角绳均绕经有轴向调向滑轮和径向调向滑轮，所述轴向调向滑轮和径向调向滑轮均转动装设在中心轴上。
3.根据权利要求2所述的一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其特征在于：所述压缩弹簧套装于调径绳上，插槽内形成有用于定位压缩弹簧的凹槽。
4.根据权利要求2所述的一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其特征在于：调径滑块的位移X1通过下列公式得出，
Figure FDA0002642857860000011
式中：R1为叶轮内半径；R2为叶轮外半径；θ为所增加的包角角度；
叶片偏转角度α由下述公式确定：
Figure FDA0002642857860000021
叶片与中心轴铰接点的位移L2由下述公式确定：
Figure FDA0002642857860000022
式中：L3为叶片与中心轴铰接点到叶片偏转中心的距离；
右调角滑块的位移X2和左调角滑块的位移X3按下述公式确定：
Figure FDA0002642857860000023
Figure FDA0002642857860000024
式中：L1为初始位置上叶片与中心轴铰接点到径向调向滑轮中心的距离；β为初始位置上左或右调角绳与叶片相连接处所形成的夹角，且所述夹角为锐角。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其特征在于：左调角滑块、右调角滑块和调径滑块上均设置有径向凸出部，中心轴内腔上对应开设有与所述径向凸出部构成插接配合并供所述径向凸出部在其内滑移的直线滑槽。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其特征在于：所述中心轴包括轴体和端头，所述内腔开设在轴体内，且轴体的轴向一端具有与所述内腔相贯通的开口，所述端头可拆卸固定装设在轴体上，并构成对所述开口的遮盖，所述叶片装设在所述端头上。
7.根据权利要求6所述的一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其特征在于：所述端头由两连接盘拼接构成，且两连接盘拼接后对应构成对所述叶片径向内端的夹持限位。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种可调叶片包角的离心泵用叶轮，其特征在于：左动力源、右动力源、调径动力源均为步进电机。
9.一种离心泵，包括泵壳、及安装于泵壳内的叶轮，其特征在于：所述叶轮采用权利要求1～8所述的叶轮。
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