CN112196828A - 一种具有低噪声特性的非线性对称离心叶轮 - Google Patents

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蒋俊贤
高波
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Abstract

本发明涉及一种具有低噪声特性的高效非线性对称离心叶轮，属于流体机械领域。本发明打破常规的叶轮叶片均匀对称的布置模式，将相邻叶片出口边所在半径的角度大小按照三角函数变化进行设计，形成叶片间角度符合周期性分布规律的非线性对称离心叶轮，减弱导叶与叶轮之间存在的动静干涉现象，降低压力脉动幅值，抑制压力波的叠加效应，从而达到降低振动噪声的目的，并提高泵的综合运行效率及运行稳定性。

Description

一种具有低噪声特性的非线性对称离心叶轮
技术领域
本发明涉及一种具有低噪声特性的高效非线性对称离心叶轮，属于流体机械领域。
背景技术
离心泵广泛应用在工业领域，是重要的流体输送装备。在离心泵的设计过程中，常需要根据结构及设计要求将泵设计成叶轮-导叶匹配结构形式，导叶体和叶轮的匹配特性直接影响泵的能量性能，不良匹配特性极易在叶轮与导叶流道中产生较大的水力损失，这是泵效率较低的一个原因。传统的叶轮叶片均采用沿圆周方向均匀布置的结构形式，每个流道流出的液体流量相同，叶轮与导叶之间存在强烈的动静干涉作用。此外，对于均匀分布的叶片结构，压力波容易出现相位叠加效应，从而造成高幅值压力脉动，诱发泵体振动，甚至对泵运行稳定性产生影响。因此，高效、低噪声离心泵设计是目前研究的热点及难点问题。
目前针对叶轮的研究主要集中于对叶片出口形状、几何参数、叶片数等因素的优化。例如，杨敏官等研究了叶片出口段形状对混流式核主泵叶轮能量性能的影响。邴浩等研究了混流泵叶片数对泵性能的影响。万伦等对高比转速离心泵进行研究，探讨叶片包角对高比转速离心泵性能的影响。目前在离心泵设计过程中，多采用叶片沿圆周均匀布置的结构形式，极少关注叶片的布置形式对泵性能及低噪声特性的影响。因此打破传统设计对叶轮进行结构重构，对提高水力性能、降低叶轮与导叶的动静干涉能量以及优化泵的振动噪声水平具有实际意义。
发明内容
为了抑制离心泵的动静干涉能量，降低离心泵运行时的振动噪声水平，本发明打破传统的叶片沿圆周方向均匀布置方式，提出了一种叶片在圆周方向非线性对称布置的离心叶轮，从而实现降低噪声设计的目的。
本发明将相邻叶片出口边所在半径的角度大小按照三角函数变化进行设计，形成叶片间角度符合周期性分布规律的非线性对称离心叶轮，减弱导叶与叶轮之间存在的动静干涉现象，降低压力脉动幅值，抑制压力波的叠加效应，从而达到降低振动噪声的目的，并提高泵的综合运行效率及运行稳定性。
本发明提出一种匹配导叶体的高效非线性对称叶轮，该叶轮由叶片和盖板组成。
在本发明中，叶轮的叶片设计成沿圆周非线性对称布置，第一片叶片作为起点，沿叶轮旋转方向，叶轮叶片数为4～10，相邻叶片的出口边与前一叶片出口边的夹角为θn，按三角函数变化逐渐改变，且所有叶片夹角之和为360°。所有叶片的安放角、包角结构参数都相同。本发明提出的非对称结构均适用于圆柱型叶轮叶片和扭曲型空间叶轮叶片的设计。
在本发明中，叶片角度θn变化符合三角函数，计算方式如下：
θn＝θ+A*Sin(nθn)；θn＝θ+A*Cos(nθn)；∑θn＝360°
其中：θ为给定叶片数条件下，叶轮叶片沿圆周方向均匀对称分布布置角度；θn为叶片非线性对称布置角度；A为非均匀布置时的最大变化角度，角度范围为13°-20°；n为叶片次序。
本发明提供了一种具有低噪声特性的高效非对称叶轮，其具有以下技术优势：
本发明提出的非线性对称布置的离心叶轮，抑制了叶轮与导叶之间存在的动静干涉能量，减弱了压力波的相位叠加效应，提高了泵内流体的流动均匀性，在一定程度上降低了泵运行时的振动噪声水平，最终使泵的运行效率与稳定性得到提高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的非均匀布置叶轮轴截面示意图。
图2是传统的叶片均匀布置的叶轮轴截面示意图。
具体实施方式
如图1所示,叶片采用非线性对称布置方式，叶片1固定在盖板2上。在设计圆柱型的叶轮叶片和扭曲型的三维叶片时，叶片采用沿圆周非线性对称布置结构，以图1为例：该叶轮叶片数为8片，将第一片叶片作为起点，第二片叶片与第一片叶片的夹角θn为37.5°，相邻叶片的出口边与前一叶片出口边的夹角以三角函数关系逐渐改变，且所有夹角和为360°。本次实施中最大变化角度A为16.8°，函数公式为:
θn＝45+16.8*Cos(8*45)；∑θn＝360°
其中，n＝1,2,3…8。
具体实施角度如表1所示：
n θ<sub>n</sub>(°)
1 37.5
2 53.3
3 51.6
4 49.5
5 46.8
6 43.8
7 40.5
8 37.1
表1.不同叶片夹角
所有叶片的安放角、包角等结构参数设计成相同，图2为传统的叶片布局，叶轮叶片沿圆周均匀布置，相邻叶片的夹角均为45°。
综上所述，通过改变叶轮叶片之间的角度，重构叶轮过流能力以及动静叶匹配特性，形成叶轮-导叶非对称匹配。当叶轮扫略导叶时，动静叶非对称匹配结构打破了叶轮与导叶之间动静干涉的相位叠加效应，动静干涉诱发的压力脉动能量无法进行周期性叠加，从而降低泵内压力脉动水平。达到降低泵运行时振动噪声水平的目的，进而提高了泵的运行效率与运行稳定性。

Claims (5)

1.一种具有低噪声特性的非线性对称离心叶轮，该叶轮由叶片和盖板组成，其特征在于，叶轮的叶片设计成沿圆周非线性对称布置，第一片叶片作为起点，沿叶轮旋转方向，相邻叶片的出口边与前一叶片出口边的夹角为θn，按三角函数变化逐渐改变，且所有叶片夹角之和为360°。
2.如权利要求1所述的一种具有低噪声特性的非线性对称离心叶轮，其特征在于，叶片角度θn变化符合三角函数，计算方式如下：
θn＝θ+A*Sin(nθn)；θn＝θ+A*Cos(nθn)；∑θn＝360°
其中：θ为给定叶片数条件下，叶轮叶片沿圆周方向均匀对称分布布置角度；θn为叶片非线性对称布置角度；A为非均匀布置时的最大变化角度，角度范围为13°-20°；n为叶片次序。
3.如权利要求1所述的一种具有低噪声特性的非线性对称离心叶轮，其特征在于，叶轮叶片数为4～10。
4.如权利要求1所述的一种具有低噪声特性的非线性对称离心叶轮，其特征在于，所有叶片的安放角、包角结构参数都相同。
5.如权利要求1所述的一种具有低噪声特性的非线性对称离心叶轮，其特征在于，叶轮的叶片设计成沿圆周非线性对称布置的结构适用于圆柱型叶轮叶片和扭曲型空间叶轮叶片设计。
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