CN113339269A - 一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构及设计方法，包括后盖板、轮毂和叶片，所述轮毂与后盖板的回转中心共轴，所述叶片沿轮毂的周向排列在后盖板上，叶片的前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘朝向叶轮出口处，叶片压力面的根部设置有迎来流面平缓升高，然后从最高点陡降的沙丘形凸起结构。沙丘形凸起结构的起始点分布圆直径为D1～(0.9D2+0.1D1)，凸起结构的长度为

凸起结构的高度为(0.05～0.5)b₂，其中D1为叶轮入口端叶片分布圆直径，D2为叶轮出口外径，b₂为叶轮出口端叶片高度。本发明中叶轮结构上沙丘形凸起结构的设置，能够改善叶片间流场分布，改变流体中固体颗粒的流动轨迹，降低固体颗粒沉降对叶片根部的冲刷磨损，从而延长叶轮的使用寿命。

Description

一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构及设计方法

技术领域

本发明涉及离心泵技术领域，特别涉及一种用于液固两相流的防止叶片磨损疲劳断裂的离心泵叶轮结构及设计方法。

背景技术

在离心泵的应用领域中，一些液体工质常含有一定浓度的固体颗粒。由于固体颗粒密度比泵送流体介质密度大，离心泵在输送该类介质时，其中所含的固体颗粒逐渐沉降到叶片压力面根部，从而对叶轮根部造成强烈的冲刷磨损，典型情况下叶片在外缘根部产生磨损开口，如图3。继而在离心力和介质压力综合作用造成叶片断裂。这种冲刷磨损对于适用于小流量、高扬程、低比转速工况的高转速离心泵的叶轮尤为显著。

受工艺要求及条件限制，通过净化来流介质、降低其中固体颗粒含量的措施不易实现。为满足上述工况条件下离心泵的长周期运行，设计一种新的用于液固两相流的叶轮结构，是解决该问题的有效措施。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构及设计方法，在叶片压力面根部设计沙丘形凸起结构，该结构能够改善叶片间流场分布，改变流体中固体颗粒的流动轨迹，降低固体颗粒沉降对叶片根部的冲刷磨损，从而延长叶轮的使用寿命。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构，包括后盖板、轮毂和叶片，所述轮毂与后盖板的回转中心共轴，用于与离心泵轴配合；所述叶片沿轮毂的周向排列在后盖板上，叶片的前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘朝向叶轮出口处，所述叶片压力面的根部设置有沙丘形凸起结构。

进一步地，所述凸起结构与叶片根部连接处光滑过渡，凸起结构的起始点到最高点为光滑平缓抬升形式，从最高点到终止点为陡降形式。

进一步地，所述凸起结构的起始点偏向叶轮轴心侧，终止点偏向叶轮出口侧，起始点的分布圆直径为D₁～(0.9D₂+0.1D₁)，凸起结构的长度为

其中D1为叶轮入口端叶片分布圆直径，D2为叶轮外径。

进一步地，所述凸起结构的高度为(0.05～0.5)b₂，其中b₂为叶轮出口端叶片高度。

进一步地，所述叶轮结构为半开式叶轮或闭式叶轮。所述叶片成直叶片或扭曲叶片。叶片为统一长度或长短叶片相结合的布置形式，优选所述叶片为长、短叶片周向间隔布置的形式，且短叶片沿圆周方向向长叶片的吸力面偏置。

第二方面，一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构的设计方法，包括：在后盖板上沿轮毂的周向排列叶片，使叶片的前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘位于叶轮出口处，在叶片压力面的根部设置沙丘形凸起结构，使凸起结构与叶片根部连接处光滑过渡。

进一步地，所述设计方法中，设置所述凸起结构的起始点偏向叶轮轴心侧，终止点偏向叶轮出口侧，凸起结构的起始点到最高点为光滑平缓抬升形式，从最高点到终止点为陡降形式。

进一步地，所述设计方法中，凸起结构可采用液固两相流计算确定最优结构尺寸，使得固体颗粒对叶片的磨损降到最小。一般凸起结构起始点的分布圆直径为D₁～(0.9D₂+0.1D₁)，凸起结构的长度为

凸起结构的高度为(0.05～0.5)b₂，其中D1为叶轮入口端叶片分布圆直径，D2为叶轮外径，b₂为叶轮出口端叶片高度。

根据本发明提供的一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构及设计方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构及设计方法，叶片压力面的根部的沙丘形凸起结构，能够改善叶片流道中流场分布，改变流体中固体颗粒的流动轨迹，减小固体颗粒沉降沿叶片根部流动对叶片根部造成的冲刷，从而延长叶轮的使用寿命。

(2)本发明提供的一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构及设计方法，叶片压力面的沙丘形凸起结构，能够增加叶轮叶片根部强度，提高抗冲刷磨损性能。

附图说明

图1示出本发明中用于液固两相流的离心泵叶轮结构的示意图；

图2示出本发明中叶轮沙丘形凸起结构及叶轮出口端叶片高度的示意图；

图3示出一般离心泵叶轮叶片根部磨损断裂的示意图。

附图标号说明

1-后盖板；2-轮毂；3-叶片；31-长叶片；32-短叶片；4-凸起结构；5-平衡孔。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明人经过研究发现，离心泵在输送含有固体颗粒的介质时，由于固体颗粒密度较大，其在叶轮入口流向叶轮出口的过程中，逐渐沉降到叶片压力面根部，从而造成对叶片根部强烈的冲刷磨损，使叶轮易发生如图3所示的叶片断裂故障。

本发明人基于离心泵叶轮叶片中液固两相流流场分布，分析固体颗粒运动规律及其对叶轮叶片的冲刷磨损效应，得出使固体颗粒沿叶轮出口端叶片中间高度位置流出为最佳状态，通过在叶片压力面根部设置迎来流面平滑升高，然后陡降的沙丘形凸起结构可以达到这种效果。沙丘形凸起结构的位置、大小、高度的设计受泵送流量、扬程、介质粘度、所含颗粒浓度、颗粒密度、颗粒大小等综合影响。凸起结构的起始位置、大小、高度设计不合适，会造成固体颗粒过早下降，无法消除对叶片根部的磨损，或颗粒上扬高度过高，对叶轮前盖板和叶片叶尖造成磨损，影响叶轮性能及使用寿命。以下具体阐述本发明。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构，如图1所示，包括后盖板1、轮毂2和叶片3，所述轮毂2与后盖板1的回转中心共轴，用于与离心泵轴配合；所述叶片3沿轮毂2的周向排列在后盖板1上，所述叶片3的前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘朝向叶轮出口处，所述叶片3压力面的根部设置有沙丘形凸起结构4。

在一种优选的实施方式中，所述沙丘形凸起结构4与叶片根部连接处光滑过渡，所述凸起结构4的起始点到最高点为光滑平缓抬升形式，从最高点到终止点为陡降形式，如图2所示。

在一种优选的实施方式中，所述凸起结构4的起始点偏向叶轮轴心侧，终止点偏向叶轮出口侧，起始点的分布圆直径为D₁～(0.9D₂+0.1D₁)，凸起结构的长度为

凸起结构(最高点)的高度为(0.05～0.5)b₂，凸起结构4的最高点至终止点的长度为凸起结构总长度的1/10～1/3，其中D1为叶轮入口端叶片分布圆直径，D2为叶轮外径，b₂为叶轮出口端叶片高度，如图2所示。

在一种优选的实施方式中，所述叶轮结构为半开式叶轮或闭式叶轮。所述叶片3有多种布置形式，如采用统一长度叶片周向均匀布置形式；或者长、短叶片(31、32)周向均匀间隔布置的形式；或者长、短叶片周向间隔布置的形式，且短叶片32沿圆周方向向长叶片31的吸力面偏置。特别地，叶片3为长、短叶片(31、32)周向间隔布置的形式，且短叶片32沿圆周方向向长叶片31的吸力面偏置，是一种更优的选择，该方式可获得更优的抗磨损、高效、抗汽蚀等性能。

在一种优选的实施方式中，所述叶片3为直叶片或扭曲叶片。

在一种优选的实施方式中，所述后盖板1上开设有平衡孔5。

本发明中，离心泵叶轮长叶片压力面根部的凸起结构，可通过任意的方式形成，典型方式如：

1)焊接凸起后进行机械加工保证凸起结构；

2)增材制造直接成型；

3)随叶轮本体直接铸造成型。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构的设计方法，包括：在后盖板上沿轮毂的周向排列叶片，使叶片的前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘朝向叶轮出口处，在叶片压力面的根部设置沙丘形凸起结构，使凸起结构与叶片根部连接处光滑过渡。

在一种优选的实施方式中，所述设计方法中，设置所述凸起结构的起始点偏向叶轮轴心侧，终止点偏向叶轮出口侧，凸起结构的起始点到最高点为光滑平缓抬升形式，从最高点到终止点为陡降形式。

在一种优选的实施方式中，所述设计方法中，凸起结构可采用液固两相流计算确定最优结构尺寸，使得固体颗粒对叶片的磨损降到最小。设置所述沙丘形凸起结构的起始点的分布圆直径为D₁～(0.9D₂+0.1D₁)，凸起结构的长度为

凸起结构(最高点)的高度为(0.05～0.5)b₂，凸起结构4的最高点至终止点的长度为凸起结构总长度的1/10～1/3，其中D1为叶轮入口端叶片分布圆直径，D2为叶轮外径，b₂为叶轮出口端叶片高度。

在一种优选的实施方式中，所述设计方法中，设置叶轮采用统一长度叶片或长、短叶片相结合的布置形式；优选地，所述叶轮采用长、短叶片周向间隔布置的形式，且短叶片沿圆周方向向长叶片的吸力面偏置。

在一种优选的实施方式中，所述设计方法还包括：设置叶片成直叶片或扭曲叶片。

在一种优选的实施方式中，所述设计方法还包括：在所述叶轮后盖板1上加工平衡孔5。

本发明中，叶片压力面根部设置沙丘形凸起结构，一方面由于凸起结构的抬升作用，能够改善叶片间流场分布，改变流体中固体颗粒的流动轨迹，防止固体颗粒沉降，减小固体颗粒沿叶片根部流动对叶片根部造成的冲刷，从而增加叶轮的使用寿命；另一方面，凸起结构本身还能够增加叶轮叶片根部强度，提高抗冲刷磨损性能，延长叶轮使用寿命。

实施例

实施例1

一离心泵应用工况如下：输送介质为灰水，其中固体含量为0.05％，流量为120m³/h，扬程510m，泵转速11293r/min。离心泵使用原叶轮结构运行2个月左右，叶片出现磨损断裂的情况，如图3所示。使用本发明带有沙丘形凸起结构的叶轮，现场运行已超1年，叶轮未见裂纹产生，其改善效果显著。

应用本发明设计的叶轮如图1所示，离心泵叶轮结构包括后盖板1、轮毂2和叶片3，所述轮毂2与后盖板1的回转中心共轴，用于与离心泵轴配合；所述叶片3包括长叶片和短叶片，均为直叶片且沿轮毂2的周向相间排列在后盖板1上，短叶片向长叶片吸力面偏置，叶片的前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘位于叶轮出口处；长叶片压力面的根部设置有迎来流面平缓升高，然后陡降的沙丘形凸起结构4。

叶轮入口端叶片分布圆直径45mm，叶轮出口外径147mm，叶轮出口端叶片高度15mm，长叶片7个圆周方向均布，短叶片7个沿圆周方向向长叶片偏置8°，沙丘形凸起结构起始点的分布圆直径为96mm，长度为12mm，高度为3mm，最高点至终止点的长度为3mm。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构，其特征在于，包括后盖板、轮毂和叶片，所述轮毂与后盖板的回转中心共轴，用于与离心泵轴配合；所述叶片沿轮毂的周向排列在后盖板上，叶片前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘朝向叶轮出口处，所述叶片压力面的根部设置有沙丘形凸起结构。

2.根据权利要求1所述的用于液固两相流的离心泵叶轮结构，其特征在于，所述凸起结构与叶片根部连接处光滑过渡，凸起结构的起始点到最高点为光滑平缓抬升形式，从最高点到终止点为陡降形式。

3.根据权利要求1所述的用于液固两相流的离心泵叶轮结构，其特征在于，所述凸起结构的起始点偏向叶轮轴心侧，终止点偏向叶轮出口侧，起始点的分布圆直径为D₁～(0.9D₂+0.1D₁)，凸起结构的长度为

其中D1为叶轮入口端叶片分布圆直径，D2为叶轮外径。

4.根据权利要求1所述的用于液固两相流的离心泵叶轮结构，其特征在于，所述凸起结构的高度为(0.05～0.5)b₂，其中b₂为叶轮出口端叶片高度。

5.根据权利要求1所述的用于液固两相流的离心泵叶轮结构，其特征在于，所述叶轮结构为半开式叶轮或闭式叶轮。

6.根据权利要求1所述的用于液固两相流的离心泵叶轮结构，其特征在于，所述叶片为直叶片或扭曲叶片。

7.根据权利要求1所述的用于液固两相流的离心泵叶轮结构，其特征在于，所述叶片为统一长度形式或长、短叶片相结合的布置形式；优选所述叶片为长、短叶片周向间隔布置的形式，且短叶片沿圆周方向向长叶片的吸力面偏置。

8.一种用于液固两相流的离心泵叶轮结构的设计方法，其特征在于，包括：

在后盖板上沿轮毂的周向排列叶片，使叶片的前缘朝向叶轮进口处，叶片后缘位于叶轮出口处，在叶片压力面的根部设置沙丘形凸起结构，使所述凸起结构与叶片根部连接处光滑过渡。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法中，设置所述凸起结构的起始点偏向叶轮轴心侧，终止点偏向叶轮出口侧，凸起结构的起始点到最高点为光滑平缓抬升形式，从最高点到终止点为陡降形式；和/或

设置所述凸起结构起始点的分布圆直径为D₁～(0.9D₂+0.1D₁)，凸起结构的长度为

其中D1为叶轮入口端叶片分布圆直径，D2为叶轮外径；和/或

设置所述凸起结构的高度为(0.05～0.5)b₂，其中b₂为叶轮出口端叶片高度。

10.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括：设置所述叶片成直叶片或扭曲叶片；和/或

设置叶片为统一长度形式或长短叶片相结合的布置形式；优选设置叶片为长、短叶片周向间隔布置的形式，且短叶片沿圆周方向向长叶片的吸力面偏置。

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