CN112412869B - 一种抗空化轴流泵及具有空化抑制条的叶轮 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗空化轴流泵及具有空化抑制条的叶轮，属于泵技术领域。抗空化轴流泵的叶轮包括轮毂及叶片；沿叶片的前缘指向其尾缘的方向，在其吸力面的前半部设有一条以上的空化抑制条，该空化抑制条为长度方向沿展向布置的条状凸起结构；在吸力面上，布设有两条以上的空化抑制条，沿叶片的前缘指向其尾缘的方向，该两条以上的空化抑制条间隔布置；沿前缘指向尾缘的方向，吸力面邻近尾缘的后半部固设有一条以上的空化抑制条。通过在叶片吸力面的前半部布置沿展向布置的空化抑制条，从而通过提高抑制条前侧叶面上的压力，以抑制叶片吸力面前缘空化的发生，有效降低前缘空化所引发的振动、噪声与空蚀等危害，可广泛应用于泵、抽水等工程领域中。
Description
本申请是申请号为CN201910942918.0、发明名称为“一种轴流泵及其抗空化叶轮”的发明专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及泵技术领域，具体地说，涉及一种抗空化轴流泵及具有空化抑制条的叶轮。
背景技术
轴流泵作为一种大流量低扬程泵，广泛应用于工业生产中，其通过叶轮旋转将机械能转化为流体的能量，在其运行过程中，由于环境压力降低或设计余量不足，轴流泵叶轮上经常会发生空化现象，其不仅使泵的扬程、效率降低，还会引发振动、噪声与空蚀等问题。
为了控制空化或缓解空化所带来的损害，目前所采取的主要措施有叶轮入口优化、叶片载荷优化、加装诱导轮、入口引射增压以及采用双吸结构等，以期降低泵入口流速及增大泵入口压力，而实现对空化的控制或缓解。但是，在这些措施中，加装诱导轮、入口引射增压及采用双吸结构均存在结构复杂、成本高的问题，并且空化控制的效果非常有限；而叶轮入口优化、叶片载荷优化等措施，一方面空化控制效果较为有限，另一方面会较大程度降低泵的效率；并且，以上措施均存在适用工况偏窄的问题，在变工况时难以起到很好的空化控制效果。
为了解决上述技术问题，公告号为CN204610363U的专利文献中公开了一种抑制叶片背面云状空化的轴流泵，其所采用的技术方案为叶轮叶片的背面，并距离叶片进水边0.75C的位置布设凸起挡条，其中C为叶片翼型弦长，以对叶片壁面回射流的传播过程进行阻碍，从而抑制片状空化向云状空化的转变。其虽然提出设置凸起挡条，并基于阻挡回射流的机理控制云空化，无法对叶片前缘处所存在的空化现象进行处理，导致其在非定常特征下，会在叶片前缘处引发振动而产生噪声等危害。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种轴流泵用且具有空化抑制条的叶轮，以对叶片的前缘空化进行抑制，从而有效地降低泵叶片前缘空化所引起的振动、噪声与空蚀等危害；
本发明的另一目的是提供一种以上述叶轮构建的抗空化轴流泵。
为了实现上述主要目的，本发明提供的轴流泵叶轮包括轮毂及固定在轮毂上的叶片；沿叶片的前缘指向其尾缘的方向，在其吸力面的前半部设有一条以上的空化抑制条，该空化抑制条为长度方向沿展向布置的条状凸起结构。
通过在轴流泵叶片的吸力面前半部布置沿展向延伸布置的空化抑制条，从而通过提高抑制条前侧叶面上的压力，以抑制叶片吸力面前缘空化的发生，有效降低前缘空化所引发的振动、噪声与空蚀等危害；此外，从整体上来讲，由于叶片上的空化最早在前缘区域处产生并惯性地发展至尾缘，通过设置前缘空化抑制条，可通过对前缘区域内的空化进行抑制而从整体上对空化进行抑制，以降低空化所带来的效率等影响。
具体的方案为在吸力面上，布设有两条以上的空化抑制条，沿叶片的前缘指向其尾缘的方向，该两条以上的空化抑制条间隔布置。通过设置两条以上的空化抑制条，以能利用下游侧空化抑制条上游侧空化抑制条所诱发的空化。
优选的方案为沿前缘指向尾缘的方向，吸力面邻近尾缘的后半部固设有一条以上的空化抑制条。以在整体上对空化进行抑制而提高叶轮的效率。
更优选的方案为在叶片的前半部内，空化抑制条布设在距离前缘为0.2C至0.4C的区域范围内；在后半部内，空化抑制条布设在距离前缘为0.5C至0.7C的区域范围内；其中，C为前缘至尾缘的叶片弦长。将空化抑制条布设在前后两个半部的前述范围区域内，能有效地对空化进行抑制，且能降低因为增设空化抑制条所带来水力损失等负面影响。
另一个优选的方案为在叶片的展向上，空化抑制条在其固定位置处横跨叶片的空化区域。
更优选的方案为在展向上，空化抑制条的长度大于等于叶片的空化区域的最大跨度。进一步确保能对空化进行有效地抑制。
另一个优选的方案为在吸力面上，沿前缘指向尾缘的方向，下游空化抑制条的凸起高度高于上游空化抑制条的凸起高度。在叶片上，随着空化长度的变长，其厚度增加，尤其是引入前侧空化抑制条之后，以利用后续增加的凸起高度而更好地对空化进行有效抑制的同时，减少前侧抑制条增设所带来水力损失等负面影响。
另一个优选的方案为长度方向沿前缘的前缘线的延伸方向布置。
再一个优选的方案为空化抑制条的表面为连续光滑曲面结构。减少抑制条增设所带来水力损失等负面影响。
优选的方案为沿前缘指向尾缘的方向，在叶片的吸力面的前半部固设有两条以上沿该方向间隔布置的空化抑制条。
优先的方案为沿前缘指向尾缘的方向，在吸力面邻近尾缘的后半部上固设有两条以上沿该方向间隔布置的空化抑制条。
为了实现上述另一目的，本发明提供的抗空化轴流泵包括管道及安装在管道内的叶轮，叶轮为上述任一技术方案所描述的叶轮。
附图说明
图1为本发明抗空化轴流泵实施例局部结构的轴向剖视示意图；
图2为图1中的A局部放大图；
图3为图2所示结构中轮缘部局部结构示意图；
图4为本发明抗空化轴流泵实施例中叶片与旋转驱动轴的结构示意图；
图5为图4所示结构的正视图；
图6为图5所示结构中局部结构图；
图7为未增设空化抑制条的叶轮在空化数为3.5的条件下的空化试验照片；
图8为本发明叶轮实施例在空化数为3.5的条件下的空化试验照片；
图9为未增设空化抑制条的叶轮在空化数为2.5的条件下的空化试验照片；
图10为本发明叶轮实施例在空化数为2.5的条件下的空化试验照片。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
本发明主要针对轴流泵的叶片结构进行改进，以改善其前缘空化在非定常特征下所导致的振动等危害，对于轴流泵中的管道、静止导叶等部件的结构参照现有产品进行设计。
实施例
参见图1至图6，本发明抗空化轴流泵1包括管道10及安装在管道10内的静止导叶11与由驱动轴12驱动旋转的叶轮2。叶轮2包括轮毂20及固定在轮毂20上的多片沿轮毂20的周向均布的叶片3。
沿叶片3的前缘31指向其尾缘32的方向，即大致沿来流流体在泵内的流向，在其吸力面30邻近前缘31的前半半部301内凸起地固设有前缘空化抑制条4，且在吸力面30邻近尾缘32的后半部302内凸起地固设有尾缘空化抑制条5，前后半部大致以虚线303为分界线；即在本实施例中，在吸力面30上布设有两条以上的空化抑制条，且在前缘31指向尾缘32的方向，该两条空化抑制条间隔布置。在本实施例中，前缘空化抑制条4与尾缘空化抑制条5的长度方向均沿叶轮2的轮毂20指向轮缘33的方向布置，即其大致沿叶片3的展向布置，即空化抑制条为长度方向沿叶片3的展向布置的条状凸起结构，具体地为空化抑制条的长度方向沿前缘31的前缘线的延伸方向布置，该前缘线为前缘31两端的连接直线。
如图2所示、图3及图6所示，在前半半部301内，空化抑制条布设在距离前缘31为0.2C至0.4C的区域范围内，具体地，在本实施例中，前缘空化抑制条4距离前缘31的距离为0.3C；在后半半部302内，空化抑制条布设在距离前缘31为0.5C至0.7C的区域范围内，在本实施例中，尾缘空化抑制条5距离前缘31的距离为0.5C。如图3所示，在叶片3的展向上，具体为沿前缘线的延伸方向，以图中曲线3000所围阴影区域为已发展出的空化区域，空化抑制条在其固定位置处横跨叶片上的该空化区域，具体为，空化抑制条的长度大于等于叶片上该空化区域的最大跨度，其中，曲线3000所围阴影表示的空化区域为设计空化区域，为在设计之前通过仿真或叶轮模型测试所确定的空化区域，也可为基于多次迭代测试或仿真优化设计所获取的空化区域，在第二次及后续测试或仿真设计为具有基于前次所计算出长度的空化抑制条。其中，C为前缘31至尾缘32的叶片弦长，具体为空化抑制条的展向位置以附着空化区域底部位置处对应弦长C为参考，即空化区域邻近轮毂的边界所在弦长，在本实施例中，大致沿平行于轮缘的延伸方向布置。
对于空化抑制条的具体高度，其受限于对空化所需的抑制程度，且对于不同工况下的空化厚度不同，其高度也不同，通常为在设计工况下所仿真或测试所获取的最厚空化被抑制在该空化抑制条邻近前缘31的一侧无空化出现的高度为准，此时，空化抑制条为空化消除条。随着空化长度变长，厚度也逐渐增加，前置空化抑制条会诱发较厚空泡，因此后侧空化抑制条高度高于前侧空化抑制条，在吸力面30上，即沿前缘31指向尾缘32的方向，下游空化抑制条的凸起高度高于上游空化抑制条的凸起高度，在本实施例中，前缘空化抑制条4的凸起高度为0.5毫米，尾缘空化抑制条5的凸起高度为0.65毫米。
对于空化抑制条的数量，为了能对前缘空化进行抑制，需至少在吸力面邻近前缘的前半部布设一条以上的空化抑制条；而在上述实施例中为再在吸力面的后半部上布设一条空化抑制条，以对上游侧空化抑制条所诱发的空化进行抑制。此外，根据叶片的工作环境及自身尺寸而设置多条空化抑制条，以提高抑制效果，且这些空化抑制条沿前缘31指向后缘32的方向间隔布置。
对于空化抑制条的横截面形状，并无特别要求，为了提高其与叶面的结合牢固程度，通常设计成三角形结构；对于空化抑制条与叶片之间的固连结构，可以为二者以一体成型的方式制成，也可以为后期固接在叶片上而构成，例如在叶片上固接铜条。在本实施例中，空化抑制条与叶片以一体成型的方式制成。
为了降低因增设空化抑制条所造成的水力损失，即避免较强流动剪切，对空化抑制条的棱角进行倒圆角处理，具体为，以使空化抑制条的表面为连续光滑曲面结构。
在工作过程中，叶片空化产生于叶片吸力面的前缘处，并惯性地发展至叶片中后部，前缘空化抑制条的主要作用是在该空化抑制条的前侧引发高压而抑制叶片前缘空化，后置空化抑制条的主要作用是在其前侧引起高压以抑制前置空化抑制条所诱发的空化，并对前缘所发展过来空化所进行抑制。
在本实施例中，通过构建有空化抑制条的叶轮模型与实物进行测试，及对同样尺寸参数且无空化抑制条的叶轮对比例进行测试，获取结果如图7至图10所示，从中可以看出，在前沿空化抑制条邻近前缘一侧处的空化完全被消除了，并在尾缘空化抑制条的前侧处也观察到空化被抑制。
此外，为了验证本发明所基于设置空化抑制条障碍物能提高其前方侧的压力而对空化进行抑制的结论，对叶片构建仿真模型，利用有限元仿真软件ANSYS CFX进行仿真，基于采用非定常SST k-ω湍流模型进行仿真，仿真结果显示，相比于未设置空化抑制条的叶轮的仿真结果，设置了空化抑制条在邻近前缘的第一条空化抑制条的前侧部区域形成压力增加带，对于后置空化抑制条，其除了局部区域靠近上游侧空化抑制条处的压力有所减少，大部分区域的压力有所增加，该仿真结果显示本发明基于所设置的空化抑制条对其前侧区域的压力增加，从而对空化进行抑制，尤其是在前半部设置空化抑制条而改善由于前缘空化所引起的振动、噪声等危害。
Claims (9)
1.一种具有空化抑制条的叶轮，用于轴流泵，所述叶轮包括轮毂及固定在所述轮毂上的叶片，其特征在于：
沿所述叶片的前缘指向其尾缘的方向，在所述叶片的吸力面的前半部固设有一条以上的所述空化抑制条，所述空化抑制条为长度方向沿所述叶片的展向布置的条状凸起结构；
在所述吸力面上，布设有两条以上的空化抑制条；沿所述前缘指向尾缘的方向，所述两条以上的空化抑制条间隔布置；
沿所述前缘指向所述尾缘的方向，所述吸力面邻近所述尾缘的后半部固设有一条以上的空化抑制条；
在所述前半部内，空化抑制条布设在距离所述前缘为0.2C至0.4C的区域范围内；在所述后半部内，空化抑制条布设在距离所述前缘为0.5C至0.7C的区域范围内；其中，C为所述前缘至所述尾缘的叶片弦长。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：
在所述展向上，空化抑制条在其固定位置处横跨所述叶片的空化区域。
3.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：
在所述展向上，所述空化抑制条的长度大于等于所述叶片的空化区域的最大跨度。
4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的叶轮，其特征在于：
在所述吸力面上，沿所述前缘指向所述尾缘的方向，下游空化抑制条的凸起高度高于上游空化抑制条的凸起高度。
5.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的叶轮，其特征在于：
所述长度方向沿所述前缘的前缘线的延伸方向布置。
6.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的叶轮，其特征在于：
所述空化抑制条的表面为连续光滑曲面结构。
7.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的叶轮，其特征在于：
沿所述前缘指向所述尾缘的方向，在所述叶片的吸力面的前半部固设有两条以上沿该方向间隔布置的空化抑制条。
8.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的叶轮，其特征在于：
沿所述前缘指向所述尾缘的方向，在所述吸力面邻近所述尾缘的后半部上固设有两条以上沿该方向间隔布置的空化抑制条。
9.一种抗空化轴流泵，包括管道及安装在所述管道内的叶轮，其特征在于：
所述叶轮为权利要求1至8任一项权利要求所述的叶轮。
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