CN113123995B - 鱼类友好型轴流式叶片泵 - Google Patents

鱼类友好型轴流式叶片泵 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种鱼类友好型轴流式叶片泵，包括：泵进口、泵出口、设置在泵进口和泵出口之间的轮毂、位于轮毂外的叶轮、组成叶轮的叶片；其中，叶片包括依次设置且无缝连接的基础段、加载段和卸载段；基础段包括叶片进口边和基础段出口边之间的部分，加载段包括基础段出口边和加载段出口边之间的部分，卸载段包括加载段出口边和叶片出口边之间的部分；液流通过泵进口进入，并依次通过叶片的基础段、加载段和卸载段后，经泵出口流出。利用上述发明能够简化轴流式叶片泵的结构，不仅能够大幅度降低鱼类与轴流式叶片泵发生碰撞及摩擦的概率，还可以改善轴流泵的水力性能与空化性能，以及提高轴流式叶片泵的制造精度与可移动性。

Description

鱼类友好型轴流式叶片泵
技术领域
本发明涉及轴流泵技术领域，更为具体地，涉及一种鱼类友好型轴流式叶片泵。
背景技术
目前，轴流式叶片泵(简称轴流泵)在国民经济生产部门中使用非常普遍，通常能够符合工作场合的应用需求。现有的轴流泵通常包括由固定在轮毂外周上3-8个叶片组成的叶轮、由4-17个导叶与导叶轮毂组成的导叶体、扩散段等部分构成，导致常用轴流泵的流道非常复杂，流体在绕流数量众多的叶片与导叶过程中的流线蜿蜒曲折。当鱼类通过轴流泵时，鱼体将与泵内流道发生多次撞击或摩擦，由此造成鱼类的严重损伤。为解决轴流泵运行与鱼类损伤之间的矛盾，亟需研发鱼类友好型轴流泵，使之不仅完全满足生产中的工作要求，而且尽可能降低鱼体与泵流道固壁的接触，从而减轻鱼类通过轴流泵时的损伤。
现有的鱼类友好型轴流泵，通常采用减少叶片数的轴流式叶轮，在一定程度上缓解了对鱼类的损伤，但通常会导致轴流泵水力性能下降。
因此，目前亟需一种鱼类友好型轴流泵，能够在满足实际工程的生产需求的同时，最大限度地减轻对鱼类造成的损伤。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种鱼类友好型轴流式叶片泵，以解决现有的轴流泵存在的减少叶片导致水力性能下降，不能满足实际工程需求，并对鱼类造成损伤等问题。
本发明提供的鱼类友好型轴流式叶片泵，包括泵进口、泵出口、设置在泵进口和泵出口之间的轮毂、位于轮毂外的叶轮、组成叶轮的叶片；其中，叶片包括依次设置且无缝连接的基础段、加载段和卸载段；基础段包括叶片进口边和基础段出口边之间的部分，加载段包括基础段出口边和加载段出口边之间的部分，卸载段包括加载段出口边和叶片出口边之间的部分；液流通过泵进口进入，并依次通过叶片的基础段、加载段和卸载段后，经泵出口流出。
利用上述鱼类友好型轴流式叶片泵，能够在减少叶片数量的同时，还能够达到常规轴流泵的扬程，进一步提高轴流泵的水力性能，使得鱼类友好型轴流泵具有更好的流动特性，能量转换效率更高；此外，当鱼从泵进口进入泵壳后，由于叶轮的叶片数很少，大部分鱼类在通过叶轮时不会与泵内流道固壁发生接触，与常规轴流泵相比大幅改善了鱼类通过流道过程中的损伤，提升了泵的生态友好性。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的鱼类友好型轴流式叶片泵的侧视图；
图2为根据本发明实施例的鱼类友好型轴流式叶片泵的局部结构示意图；
图3为根据本发明实施例的鱼类友好型轴流式叶片泵的原理图；
图4为在图3沿I-I的展开面上，叶片进口边的速度三角形；
图5为在图3沿I-I的展开面上，基础段出口边的速度三角形；
图6为在图3沿I-I的展开面上，加载段出口边的速度三角形；
图7为在图3沿I-I的展开面上，叶片出口边的速度三角形；
图8为在图3沿I-I的展开面上，鱼类友好型轴流式叶片泵的叶片的结构示意图。
其中的附图标记包括：泵进口1、叶轮2、泵出口3、轮毂4、叶片5、叶片进口边10、基础段出口边11、加载段出口边12、叶片出口边13、基础段 14、加载段15、卸载段16、泵壳17。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为详细描述本发明的鱼类友好型轴流式叶片泵结构，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1至图3分别从不同角度示出了根据本发明实施例的鱼类友好型轴流式叶片泵的示意结构。
如图1至图3共同所示，本发明实施例的鱼类友好型轴流式叶片泵，包括泵壳17、设置在泵壳17上的泵进口1、泵出口3、设置在泵进口1和泵出口3之间的轮毂4、位于轮毂4外的叶轮2以及组成叶轮2的叶片5；其中，叶片5包括依次设置且无缝连接的基础段14、加载段15和卸载段16；基础段14包括叶片进口边10、基础段出口边11以及位于二者之间的部分，加载段15包括基础段出口边11、加载段出口边12以及位于二者之间的部分，卸载段16包括加载段出口边12、叶片出口边13以及位于二者之间的部分；液流通过泵进口1进入，并依次通过叶片5的基础段14、加载段15和卸载段 16后，经泵出口3流出。
具体地，加载段15的参数根据基础段出口边11以及叶片5的个数进行设定，加载段15的参数包括加载段轴向长度以及加载段出口边12的叶片角 (或液流角)；卸载段16的参数根据加载段出口边12以及液流的法向出口条件进行设定，卸载段16的参数包括卸载段轴向长度以及叶片出口边13的叶片角(或液流角)。
可知，本发明实施例的鱼类友好型轴流式叶片泵(简称，轴流泵)的叶轮2由设置在轮毂4外周上的2至3个叶片构成，轴流泵的轴向长度为hi，能够简化流道结构、减小轴向长度，而且叶片数少，无导叶体、扩散段等结构，可大幅度减少鱼类与轴流泵流道接触的概率，降低对鱼的损伤，有利于鱼类通过轴流泵流道。
可知，本发明的轴流泵包括泵壳17、轮毂4，以及固定在轮毂4外周上的2-3个叶片，液流从泵进口1均匀入流，沿轴向进入泵内，液流经叶片5 加压后，基本沿轴向出流。由于减少叶片数量带来的影响，所以改型后的鱼类友好型轴流泵不仅能够达到常规轴流泵的扬程，而且由于省去了导叶，可以进一步提高轴流泵的水力性能，使得鱼类友好型轴流泵具有更好的流动特性，能量转换效率更高。此外，当鱼从泵进口1进入泵壳17后，由于叶轮2 的叶片数很少，大部分鱼在通过叶轮2时不会与泵内流道固壁发生接触，与常规轴流泵相比大幅改善了鱼类通过流道过程中的损伤，提升了泵的生态友好性。
为了保证轴流泵在叶片较少的情况下，仍然具有优秀的水力性能，进一步地需要对叶片进行改进，以下将具体对叶片的改进及参数进行详述阐述。
作为具体示例，对于叶轮转速为n(单位r/min)、流量为Q(单位m3/s)、扬程为H(单位m)的轴流泵的改进如下：
以轮毂的中心线为中心，取直径为Di的圆柱面I-I，在对应I-I的轴面图上，圆柱面与叶片进口边10、基础段出口边11、加载段出口边12和叶片出口边 13分别相交于B0、B1、B2、B3点，基础段14在沿轮毂4的中轴线上的长度，即B0和B1之间的线端的长度为L1，加载段15在沿轮毂4的中轴线上的长度，即B1和B2之间的线端的长度为L2-L1，卸载段16在沿轮毂4的中轴线上的长度，即B2和B3之间的线端的长度为L3-L2；进一步地，基于数值模拟的结果，建立轴流泵扬程H与叶片数Z之间的关系，进而可根据该关系确定叶片减少后的轴流泵的扬程的下降值ΔH。
具体地，在以轮毂的中心线为中心，取直径为Di的圆柱面上，叶片进口边与圆柱面的交点为B0，绘制叶片进口边上在B0处的速度三角形，如图4(在沿I-I的展开面上，叶片进口边的速度三角形)所示，其中，β1表示叶片在B0处的叶片进口液流角；其中，
叶片进口边在B0处的牵连速度的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000051
叶片进口边在B0处的绝对流速的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000052
叶片在B0处的相对流速的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000053
叶片在B0处的进口液流角的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000054
其中，Ui表示叶片进口边处的牵连速度，Di表示B0处所在圆柱面的直径， n表示叶轮的转速；V1表示叶片进口边在B0处的绝对流速，Q表示流量，ξ1表示叶片进口边在B0处的叶片厚度相关常数，dh表示轮毂的直径，D表示泵壳内径；β1表示叶片在B0处的叶片进口液流角。
具体地，在以轮毂的中心轴为中心，直径为Di的圆柱面上，基础段出口边与圆柱面的交点B1，绘制基础段出口边在B1处的速度三角形，如图5(在沿I-I的展开面上，基础段出口边的速度三角形)所示，其中，β2″表示基础段出边在B1处的液流角；其中，
基础段出口边在B1处的牵连速度的公式表示为：
U1＝Ui
基础段出口边在B1处的绝对流速的周向分量公式表示为：
Figure BDA0003031291970000055
基础段出口边在B1处的相对流速的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000056
基础段出边在B1处的液流角的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000061
其中，U1表示基础段出口边在B1处的牵连速度，Ui表示叶片进口边处的牵连速度，H表示扬程，g表示重力加速度，Vu′2′表示基础段出口边在B1处的绝对流速的周向分量，Vm2表示轴面速度，
Figure BDA0003031291970000062
Q表示流量，D 表示泵壳内径，dh表示轮毂的直径，ξ2表示基础段出口边在B1处的叶片厚度相关常数。
进一步地，假设叶片沿轮毂的中心轴向呈均匀分布，此时点B0与B1之间的环量变化速率表示为：
Figure BDA0003031291970000063
其中，H表示扬程，Ui表示叶片进口边处的牵连速度，L1表示基础段的长度，g表示重力加速度。
进一步地，在以轮毂的中心轴为中心，直径为Di的圆柱面上，加载段出口边与圆柱面的交点B2，绘制加载段出口边在B2处的速度三角形，如图6(在沿I-I的展开面上，加载段出口边的速度三角形)所示，其中，β2″表示基础段出边在B1处的液流角；其中，
加载段出口边在B2处的牵连速度的公式表示为：
U2＝Ui
加载段出口边在B2处的绝对速度的周向分量为：
Figure BDA0003031291970000064
加载段出口边在B2处的液流角的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000065
其中，Ui表示基础段出口边在B1处的牵连速度，H表示扬程，
Figure BDA0003031291970000071
Q表示流量，D表示泵壳内径，dh表示轮毂的直径，ξ2表示基础段出口边在B1处的叶片厚度相关常数，ΔH表示基于扬程H与叶片个数之间的关系，确定的扬程的下降值。
需要说明的是，Vm2可认为在沿圆柱面I-I是保持不变的，为此在其他点处可减少参数的确定量。
同理，在以轮毂的中心轴为中心，直径为Di的圆柱面上，叶片出口边与圆柱面的交点B3；绘制叶片出口边在B3处的速度三角形，如图7(在沿I-I 的展开面上，叶片出口边的速度三角形)所示，其中，叶片出口边在B3处的液流角的公式表示为：
Figure BDA0003031291970000072
其中，
Figure BDA0003031291970000073
Q表示流量，D表示泵壳内径，dh表示轮毂的直径，ξ2表示基础段出口边在B1处的叶片厚度相关常数，Ui表示叶片进口边处的牵连速度。
在本发明的一个具体实施方式中，在圆柱面I-I的展开面上，绘制叶片的形状(叶型)，基础段沿圆周方向的长度为
Figure BDA0003031291970000074
其中，
Figure BDA0003031291970000075
表示基础段的圆周角，该圆周角可参考现有叶片的常规设置。
进而，加载段沿轮毂的中心轴方向上的长度的表示公式为：
Figure BDA0003031291970000076
卸载段沿轮毂的中心轴方向上的长度的表示公式为：
Figure BDA0003031291970000077
其中，L2表示加载段和基础段在沿轮毂的中心轴方向上的长度之和，L1表示基础段沿轮毂的中心轴方向上的长度，fCu表示点B0与B1之间的环量变化速率，ka表示加载段环量变化系数，L3表示基础段、加载段和卸载段在沿轮毂的中心轴方向上的长度之和，kr表示卸载段环量变化系数，Ui表示基础段出口边在B1处的牵连速度，ΔH表示基于扬程H与叶片个数之间的关系，确定的扬程的下降值。
进而，可根据β′2、L2，选取适当的加载段圆周角
Figure BDA0003031291970000081
绘制叶片加载段的压力面；根据β2、L3，选取适当的卸载段圆周角
Figure BDA0003031291970000082
绘制叶片的卸载段的压力面。最终得到在圆柱面I-I的展开面上改型后的叶片的压力面，如图8鱼类友好型轴流式叶片泵的叶片的示意结构所示。
作为具体示例，可通过下式确定圆周角
Figure BDA0003031291970000083
和
Figure BDA0003031291970000084
也可通过其他方法选取合适的圆周角，本申请并不具体限制。
例如，加载段的圆周角表示公式为：
Figure BDA0003031291970000085
卸载段的圆周角表示公式为：
Figure BDA0003031291970000086
其中，
Figure BDA0003031291970000087
表示基础段的圆周角，L1表示基础段沿轮毂的中心轴方向上的长度，L2表示基础段和加载段在沿轮毂的中心轴方向上的长度之和，L3表示基础段、加载段和卸载段在沿轮毂的中心轴方向上的长度之和，Di表示B0处所在圆柱面的直径，β′2表示加载段出口边在B2处的液流角，β2表示叶片出口边在B3处的液流角。
在本发明的另一具体实施方式中，叶轮的叶片数为2～3个，叶片压力面在设计时还可以依据经验适当增加叶片的冲角，使轴流泵达到更好的水力性能，通常冲角的范围可设置为0.5°～3°。
利用上述根据本发明的鱼类友好型轴流式叶片泵，具有以下有益效果：1、只包括2或3个叶片，不包括常规轴流泵的导叶，因此非常适合鱼类通过流道，可保证鱼体与轴流泵流道固壁的少接触或无接触；2、叶片数远小于常规轴流泵的叶片数，可以改善叶片进口的压力分布，避免由于叶片进口附近的低压与较大的压力梯度造成鱼的损伤；3、结构非常紧凑，不包括常规轴流泵的导叶体、扩散段，轴向长度短，泵与液体输送系统的联接方便，更加具有小巧、紧凑、易移动的优势；4、只需要考虑叶片的加载段、卸载段设计，并不需要进行叶片与导叶的匹配设计，因而更有利于轴流泵设计优化，达到较高的能量转换效率；5、在常规叶片段之后增加加载段、卸载段弥补了减少叶片数导致的扬程下降。因此，改型后的轴流泵不仅水力性能好，而且具有更好的空化性能；6、与常规轴流泵叶片相比，改型轴流泵叶片沿轴向比较长，这可以降低叶片与泵壳之间泄漏流动对轴流泵性能影响，有助于改善泵性能；7、充分发挥了常规轴流泵叶片设计方法的优势，可提高设计效率，快速满足实际工程的需求。
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的鱼类友好型轴流式叶片泵。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的鱼类友好型轴流式叶片泵，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，包括：泵进口、泵出口、设置在所述泵进口和所述泵出口之间的轮毂、位于所述轮毂外的叶轮和 组成所述叶轮的叶片；其中，
所述叶片包括依次设置且无缝连接的基础段、加载段和卸载段；
所述基础段包括叶片进口边和基础段出口边之间的部分，所述加载段包括所述基础段出口边和加载段出口边之间的部分，所述卸载段包括所述加载段出口边和叶片出口边之间的部分；
液流通过所述泵进口进入，并依次通过所述叶片的基础段、加载段和卸载段后，经所述泵出口流出；其中，
在以所述轮毂的中心轴线为中心，直径为Di的圆柱面上，所述叶片进口边与所述圆柱面的交点为B0；其中，
所述叶片进口边在B0处的牵连速度的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000011
所述叶片进口边在B0处的绝对流速的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000012
所述叶片在B0处的相对流速的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000013
所述叶片在B0处的进口液流角的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000014
其中，Ui表示所述叶片进口边在B0处的牵连速度，Di表示所述B0处所在圆柱面的直径，n表示所述叶轮的转速；V1表示所述叶片进口边在B0处的绝对流速，Q表示流量，ξ1表示所述叶片进口边在B0处的叶片厚度相关常数，dh表示所述轮毂的直径，D表示泵壳内径；β1表示所述叶片在B0处的叶片进口液流角。
2.如权利要求1所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
所述加载段的参数根据所述基础段出口边以及所述叶片的个数进行设定，所述加载段的参数包括加载段轴向长度以及所述加载段出口边的叶片角；
所述卸载段的参数根据所述加载段出口边以及所述液流的法向出口条件进行设定，所述卸载段的参数包括卸载段轴向长度以及所述叶片出口边的叶片角。
3.如权利要求1所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
在以所述轮毂的中心轴为中心，直径为Di的圆柱面上，所述基础段出口边与所述圆柱面的交点B1；其中，
所述基础段出口边在B1处的牵连速度的公式表示为：
U1＝Uii＝1
所述基础段出口边在B1处的绝对流速的周向分量公式表示为：
Figure FDA0003519380280000021
所述基础段出口边在B1处的相对流速的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000022
所述基础段出口 边在B1处的液流角的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000023
其中，U1表示所述叶片进口边在B1处的牵连速度，H表示扬程，g表示重力加速度，V″u2表示所述基础段出口边在B1处的绝对流速的周向分量，Vm2表示轴面速度，
Figure FDA0003519380280000024
Q表示流量，D表示泵壳内径，dh表示所述轮毂的直径，ξ2表示所述基础段出口边在B1处的叶片厚度相关常数。
4.如权利要求3所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
当所述叶片沿所述轮毂的中心轴向呈均匀分布时，点B0与B1之间的环量变化速率表示为：
Figure FDA0003519380280000031
其中，H表示扬程，Ui表示所述叶片进口边在B0处的牵连速度，L1表示所述基础段的长度，g表示重力加速度。
5.如权利要求1所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
在以所述轮毂的中心轴为中心，直径为Di的圆柱面上，所述加载段出口边与所述圆柱面的交点B2；其中，
所述加载段出口边在B2处的牵连速度的公式表示为：
U2＝Uii＝2
所述加载段出口边在B2处的绝对速度的周向分量为：
Figure FDA0003519380280000032
所述加载段出口边在B2处的液流角的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000033
其中，U2表示所述加载段出口边在B2处的牵连速度，H表示扬程，
Figure FDA0003519380280000034
Q表示流量，D表示泵壳内径，dh表示所述轮毂的直径，ξ2表示所述基础段出口边在B1处的叶片厚度相关常数，ΔH表示基于扬程H与所述叶片个数之间的关系，确定的扬程的下降值。
6.如权利要求1所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
在以所述轮毂的中心轴为中心，直径为Di的圆柱面上，所述叶片出口边与所述圆柱面的交点B3；其中，
所述叶片出口边在B3处的液流角的公式表示为：
Figure FDA0003519380280000035
其中，
Figure FDA0003519380280000041
Q表示流量，D表示泵壳内径，dh表示所述轮毂的直径，ξ2表示所述基础段出口边在B1处的叶片厚度相关常数，U3表示所述叶片进口边在B0处的牵连速度。
7.如权利要求4所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
所述加载段沿所述轮毂的中心轴方向上的长度的表示公式为：
Figure FDA0003519380280000042
所述卸载段沿所述轮毂的中心轴方向上的长度的表示公式为：
Figure FDA0003519380280000043
其中，L2表示所述加载段和所述基础段在沿所述轮毂的中心轴方向上的长度之和，L1表示所述基础段沿所述轮毂的中心轴方向上的长度，fCu表示点B0与B1之间的环量变化速率，ka表示所述加载段环量变化系数，L3表示所述加载段、所述基础段和所述卸载段在沿所述轮毂的中心轴方向上的长度之和，kr表示所述卸载段环量变化系数，Ui表示所述基础段出口边在Bi处的牵连速度，ΔH表示基于扬程H与所述叶片个数之间的关系，确定的扬程的下降值。
8.如权利要求7所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
所述加载段的圆周角表示公式为：
Figure FDA0003519380280000044
所述卸载段的圆周角表示公式为：
Figure FDA0003519380280000045
其中，
Figure FDA0003519380280000046
表示基础段的圆周角，L1表示所述基础段沿所述轮毂的中心轴方向上的长度，L2表示所述加载段和所述基础段在沿所述轮毂的中心轴方向上的长度之和，L3表示所述加载段、所述基础段和所述卸载段在沿所述轮毂的中心轴方向上的长度之和，Di表示所述B0所在圆柱面的直径，β′2表示所述加载段出口边在B2处的液流角，β2表示所述叶片出口边在B3处的液流角。
9.如权利要求1所述的鱼类友好型轴流式叶片泵，其特征在于，
所述叶轮的叶片数为2～3个。
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