CN113187760A - 一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵 - Google Patents

一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵。本发明打破常规的叶轮叶片均匀对称的布置模式，将叶轮与导叶相邻叶片之间的布置角大小按照周期性的三角函数关系进行设计，使叶片间的布置角度符合周期性分布规律，抑制叶轮出口流体与导叶之间的动静干涉作用产生的压力波的叠加效应，降低了压力脉动幅值。同时在叶轮与导叶中间设置了肋板，将叶轮与导叶通过肋板进行错列布置，使同一时刻流出叶轮流道和导叶流道的液体流量减小，离心泵动叶与静叶之间的动静干涉作用进一步减弱，从而达到降低振动噪声的目的，在不影响下效率的前提下，提高了离心泵的运行稳定性。

Description

一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵
技术领域
本发明公开一种新型的具有低噪声特性的叶轮、导叶设计结构，特指一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，该设计理念、方法可以应用在叶片泵叶轮设计，空间导叶设计，径向导叶设计，离心、混流风机设计领域，轴流风扇设计领域，以及其他相似领域。
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。导叶式离心泵具有良好的运行特性，是舰船用泵的主力泵型，离心泵的低噪声特性会直接影响装备系统的运行稳定性以及低噪声特性。导叶与叶轮之间会产生典型的动静干涉现象，导叶和叶轮的匹配会对泵的低噪声性能造成很大影响，不良的匹配特性不仅会在叶轮与导叶流道中产生较大的水力损失，造成泵效率较低，还会使泵在运行过程中产生严重的噪声，影响泵运行时的稳定性。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，从叶轮流出的液体会与导叶叶片发生动静干涉作用。此外，对于常规的均匀分布叶片结构，由于各叶片通过导叶叶片的频率一致，压力波容易在叶轮出口处出现相位叠加效应，从而导致高幅压力脉动，使泵体产生强烈振动，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。
目前针对离心泵过流部件结构形式的研究主要集中在叶轮叶片出口形状、几何参数、叶片数等方面。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，极少关注叶片的布置形式、叶轮/导叶的结构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以及叶轮导叶的结构形式，提出了一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，从而实现降低噪声设计的目的。
本发明采用的技术方案如下：本发明打破常规的叶轮叶片均匀对称的布置模式，将叶轮与导叶相邻叶片之间的布置角大小按照周期性的三角函数关系进行设计，使叶片间的布置角度符合周期性分布规律，抑制叶轮出口流体与导叶之间的动静干涉作用产生的压力波的叠加效应，降低了压力脉动幅值。同时在叶轮与导叶中间设置了肋板，将叶轮与导叶通过肋板进行错列布置，使同一时刻流出叶轮流道和导叶流道的液体流量减小，离心泵动叶与静叶之间的动静干涉作用进一步减弱，从而达到降低振动噪声的目的，在不影响下效率的前提下，提高了离心泵的运行稳定性。
在本发明中，在叶轮、导叶中间位置布置肋板，将导叶与叶轮分成两个独立的部分，叶轮肋板从叶轮的进口边开始，终止于叶轮的出口边；导叶肋板从导叶的进口边开始，终止于导叶的出口边。叶轮肋板的厚度H与叶轮叶片厚度B有关，定义叶轮肋板厚度H＝0.5～1.0B，导叶肋板h与叶轮肋板厚度H相同。两部分叶轮之间以特定的角度错列，两部分导叶之间以特定角度错列。错列角度与叶片数有有关，两部分叶轮体的错列角度α＝180°/i，i为给定的叶轮叶片数，为4～10；两部分导叶的错列角度β＝180°/t，t为给定的导叶叶片数，为4～20。同时，叶轮与导叶的叶片设计成沿圆周非线性对称布置。在叶轮中，以第一片叶片为起点，沿着叶轮的旋转方向，定义叶片出口边与相邻叶片出口边之间的夹角为叶轮布置角θi，该布置角随着周期性三角函数变化逐渐变化，且所有叶片布置角之和为360°。在导叶中，以第一片叶片为起点，沿着叶轮的旋转反方向，定义叶片出口边与相邻叶片出口边之间的夹角为叶轮布置角Φt，该布置角同样随着周期性三角函数变化逐渐变化，且所有叶片布置角之和为360°。所有的叶轮叶片的安放角、包角等结构参数都相同，所有的导叶叶片的安放包角等结构参数均相同。
在本发明中，叶轮叶片布置角θi与导叶叶片Φt的变化符合周期性三角函数规律，计算公式如下：
θi＝θ+A*Sin(iθi-1)；θi＝θ+A*Cos(iθi-1)；∑θi＝360°
Φt＝Φ+X*Sin(tΦt-1)；Φ1＝Φ+X*Cos(tΦt-1)；∑Φt＝360°
其中：θ为给定叶片数条件下，叶轮叶片按圆周方向均匀布置时的布置角度，θi为叶轮叶片非线性对称布置时的布置角度，i为给定的叶轮叶片次序。Φ为给定叶片数条件下，导叶叶片按圆周方向均匀布置时的布置角度，Φt为导叶叶片非线性对称布置时的布置角度，t为给定的导叶叶片次序。A、X分别是叶轮与导叶非均匀布置时的最大变化角度，叶轮非均匀布置时的最大变化角度A取值与单层叶轮叶片数i有关，公式为A＝360/i2，导叶非均匀布置时的最大变化角度X取值与单层导叶叶片数t有关，公式为X＝360/2.4t。
本发明提出了一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，其具有一下技术优势：
本发明提出的具有非均匀对称结构的新型错列式叶轮与导叶，抑制了叶轮出口流体与导叶之间、导叶与蜗壳之间的动静干涉作用，降低了动静干涉能量，抑制了压力波的相位叠加效应，降低了压力脉动幅值。同时使泵内流体的流动均匀性得到提高，更进一步降低了泵运行时所产生的振动噪声，使泵的运行效率与运行稳定性得到提高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵轴面示意图。
图2是本发明的错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵平面示意图。
图3是本发明的非均匀对称结构的新型错列式动静叶低噪声离心泵三维模型示意图。
图中：1.前叶轮，2.后叶轮，3.前导叶，4.后导叶，5.叶轮肋板，6.导叶肋板，7.前叶轮叶片，8.后叶轮叶片，9.前导叶叶片，10.后导叶叶片。
具体实施方式
如图1所示，在叶轮中间位置布置一块肋板，该叶轮肋板开始于叶轮进口边，，终止于叶轮出口，肋板厚度取1.0B。叶轮肋板将叶轮分成两部分，分别置于叶轮肋板的两侧，根据叶轮叶片数为6，两部分叶轮以此肋板为间隔按照α＝30°进行错列布置。在导叶中按相同轴向位置布置一块与叶轮肋板相同厚度的导叶肋板，导叶肋板起始于导叶进口，终止于导叶出口，将导叶分成两部分，分别置于导叶肋板的两侧，导叶叶片数为5，两部分导叶按照β＝36°进行错列布置。
在本次设计中，叶轮与导叶的叶片沿圆周方向非对称布置，以图2为例，叶轮的叶片数为6片，以第一片叶轮叶片为起点，沿着叶轮的旋转方向，第二片叶轮叶片与第一片叶轮叶片的出口布置角θi＝67.5°，相邻叶片的出口边与前一叶片出口边的布置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8.8°，函数公式为：
θi＝60+8.8*Cos(6*θi-1)；∑θi＝360°
其中，i＝1，2，3...6。
具体实施角度如表1所示：
1 θ<sub>i</sub>(°)
1 67.5
2 75.3
3 71.6
4 59.5
5 40.7
6 45.4
表1.叶轮叶片出口布置角
导叶的叶片数为5片，以第一片导叶叶片为起点，沿着叶轮的旋转反方向，第二片导叶叶片与第一片导叶叶片的出口布置角θi＝77.5°，相邻叶片的出口边与前一叶片出口边的布置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X为20.3°，函数公式为：
Φt＝72+20.3*Cos(5*Φt-1)；∑Φt＝360°
其中，t＝1，2，3...5。
具体实施角度如表2所示：
t Φ<sub>t</sub>(°)
1 77.5
2 97.5
3 80.6
4 60.3
5 44.1
表2.导叶叶片出口布置角
所有叶轮、导叶叶片的安放角、包角等结构参数设计成相同。
综上所述，通过改变叶轮与导叶叶片之间的角度，将导叶与叶轮使用肋板分开后，两部分叶轮进行错列布置，两部分导叶进行错列布置，能够将离心泵主要过流部件的过流能力进行重构，使泵内部的流动更加均匀，提高了泵的运行效率；同时抑制了叶轮与导叶之间、导叶与蜗壳之间的动静干涉作用，减少了由动静干涉作用产生的压力波的叠加效应，降低了压力脉动幅值，从而达到降低泵运行时振动噪声水平的目的，提高了泵的运行稳定性。

Claims (5)

1.一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，包括叶轮和导叶，其特征在于，在叶轮、导叶中间位置布置肋板，将导叶与叶轮分成两个独立的部分，叶轮肋板从叶轮的进口边开始，终止于叶轮的出口边；导叶肋板从导叶的进口边开始，终止于导叶的出口边；两部分叶轮之间以特定的角度错列，两部分导叶之间以特定角度错列；同时，叶轮与导叶的叶片设计成沿圆周非线性对称布置，在叶轮中，以第一片叶片为起点，沿着叶轮的旋转方向，定义叶片出口边与相邻叶片出口边之间的夹角为叶轮布置角θi，该布置角随着周期性三角函数变化逐渐变化，且所有叶片布置角之和为360°；在导叶中，以第一片叶片为起点，沿着叶轮的旋转反方向，定义叶片出口边与相邻叶片出口边之间的夹角为叶轮布置角Φt，该布置角同样随着周期性三角函数变化逐渐变化，且所有叶片布置角之和为360°。
2.如权利要求1所述的一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，其特征在于，叶轮肋板的厚度H与叶轮叶片厚度B有关，定义叶轮肋板厚度H＝0.5～1.0B，导叶肋板h与叶轮肋板厚度H相同。
3.如权利要求1所述的一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，其特征在于，错列角度与叶片数有有关,两部分叶轮体的错列角度α＝180°/i，i为给定的叶轮叶片数，为4～10；两部分导叶的错列角度β＝180°/t，t为给定的导叶叶片数，为4～20。
4.如权利要求1所述的一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，其特征在于，所有的叶轮叶片包括安放角、包角在内的结构参数都相同，所有的导叶叶片包括安放包角在内的结构参数均相同。
5.如权利要求1所述的一种具有错列非均匀对称叶轮/导叶结构的低噪声离心泵，其特征在于，叶轮叶片布置角θi与导叶叶片Φt的变化符合周期性三角函数规律，计算公式如下：
θi＝θ+A*Sin(iθi-1)；θi＝θ+A*Cos(iθi-1)；∑θi＝360°；
Φt＝Φ+X*Sin(tΦt-1)；Φl＝Φ+X*Cos(tΦt-1)；∑Φt＝360°；
其中：θ为给定叶片数条件下，叶轮叶片按圆周方向均匀布置时的布置角度，θi为叶轮叶片非线性对称布置时的布置角度，i为给定的叶轮叶片次序；Φ为给定叶片数条件下，导叶叶片按圆周方向均匀布置时的布置角度，Φt为导叶叶片非线性对称布置时的布置角度，t为给定的导叶叶片次序；A、X分别是叶轮与导叶非均匀布置时的最大变化角度，叶轮非均匀布置时的最大变化角度A取值与单层叶轮叶片数i有关，公式为A＝360/i2，导叶非均匀布置时的最大变化角度X取值与单层导叶叶片数t有关，公式为X＝360/2.4t。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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