CN114688077B - 改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构和旋涡泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，在旋涡泵叶轮两侧壁面分别加工出多个径向离心叶片，形成泵送效应，在泄露量较小时改善动静部件间隙密封效果显著，本发明进一步公开了由多个径向离心叶片和环形密封槽交错形成的网型结构，利用泵送效应和节流效的共同作用，形成了适用于旋涡泵全工况范围的旋涡泵叶轮，尤其能够改善泄露量较大时动静部件间隙密封效果，减少间隙泄露，提高容积效率。本发明还公开了一种包含上述旋涡泵叶轮结构的旋涡泵。

Description

改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构和旋涡泵

技术领域

本发明属于旋涡泵叶轮技术领域，具体涉及一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构和旋涡泵。

背景技术

在容积效率是影响泵总体效率的重要因素之一，其可以理解为被泵叶轮做功有效增压后流出泵腔的那部分介质体积与进入泵腔的介质总体积的比值，而两部分的差值即为从泵各动静部件间隙中泄漏的介质量。显然，泄漏的介质越少、容积效率越高，泵的总效率也越高。因此，减小动静部件间隙有利于提高泵的容积效率和总效率，但由于加工及装配工艺和精度限制、以及考虑材料热膨胀和变形等因素，动静部件间隙不可能无限制缩小，所以通常大流量下、输送较高密度介质时泵的容积效率更高。

旋涡泵又称为侧吸泵，是一种特殊的叶片式泵，与同比转速的离心泵相比，扬程高、易自吸；与同等扬程的容积泵相比，结构简单紧凑、重量小噪音低可靠度高。旋涡泵在化工纺织、农业灌溉、能源输送、航空航天等各领域中要求小流量高扬程的工况场合应用普遍。

如图5和图6，旋涡泵主要依靠叶轮旋转时、叶片推动槽内介质甩出并在撞到泵壳涡道壁面后折回形成“旋涡”作用来对介质进行增压，介质在形成旋涡旋转的同时依次进入叶轮外沿上沿周向对称均匀分布的多个叶片槽道内，逐级被增压直至从旋涡泵出口流出。此过程中，也有部分介质在压差的作用下从旋转叶轮壁面与静止泵壳壁面之间的间隙流走，而没有进入下一级叶片槽道被继续增压。

因此，旋涡泵的适用工况及其工作原理决定了其容积效率较低，从而使得旋涡泵的整体效率提高困难。对于输送气体介质的微/小型旋涡泵来说，效率尤为低下。

综上，为了提高旋涡泵的效率，必须突破动静部件最小间隙限制、采用新的方法和手段来改善旋涡泵动静部件的间隙密封效果，从而提高容积效率和整体效率。

现有技术中旋涡泵叶轮两侧壁面上设置了迷宫密封来提高间隙泄露通道的流阻，以达到改善动静部件间隙密封效果、减少泄露的目的。其原理是介质在流过迷宫密封通道时会交替产生膨胀和收缩，因此流动阻力加大。实际测试发现，对于工作在较大流量下，输送较高密度介质的旋涡泵来说，叶轮两侧壁面设置迷宫密封可以显著提高容积效率；但对于小流量工况、输送气体等低密度介质的微/小型旋涡泵来说，由于其间隙泄漏介质的绝对量较小，介质流入迷宫密封通道的速度也就较低，而对于同尺寸的密封通道，其流阻与通道内介质速度的平方和密度成正比，因此此时迷宫密封的流阻将大大降低，对于改善动静部件间隙密封效果、减少泄露的作用大打折扣。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，在旋涡泵叶轮两侧壁面分别加工出多个径向离心叶片，形成泵送效应，在泄露量较小时改善动静部件间隙密封效果显著，本发明进一步设计了由多个径向离心叶片和环形密封槽交错形成的网型结构，利用泵送效应和节流效的共同作用，形成了适用于旋涡泵全工况范围的旋涡泵叶轮，尤其能够改善泄露量较大时动静部件间隙密封效果，减少间隙泄露，提高容积效率。本发明还提供了一种包含上述旋涡泵叶轮结构的旋涡泵。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，包括旋涡叶片，径向离心叶片，轮毂和环形壁面；

环形壁面位于轮毂外侧，环形壁面最外端设有旋涡叶片，环形壁面的两个环形侧面上均设有径向离心叶片；

旋涡叶片之间形成旋涡叶片槽道，径向离心叶片位于旋涡叶片槽道底部与轮毂之间；

径向离心叶片数量多于旋涡叶片数量，且径向离心叶片数量与旋涡叶片数量互质。

进一步的，改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构还包括环形迷宫密封槽；

所述环形迷宫密封槽设于环形壁面的两个环形侧面上，与径向离心叶片形成网型结构，环形迷宫密封槽与轮毂圆心重合，环形迷宫密封槽的数量为1～3；

所述网型结构的内径大于轮毂外径，网型结构的外径小于旋涡叶片槽道的底部所形成的圆环的直径。

进一步的，所述环形迷宫密封槽的个数为2个，所述2个环形迷宫密封槽将径向离心叶片在径向平均分为3段。

进一步的，所述径向离心叶片数量比旋涡叶片数量多1～10。

进一步的，记所述径向离心叶片数量为n_l，径向离心叶片包角为(2～3)×360/n_l。

进一步的，径向离心叶片的进出口安放角为45～90°。

进一步的，所述环形迷宫密封槽小于旋涡叶片槽道宽度

进一步的，所述网型结构的轴向高度最大值不小于旋涡叶片的轴向高度。

一种旋涡泵，包括泵壳和上述一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，在旋涡泵叶轮两侧壁面分别加工出多个径向离心叶片，并对径向离心叶片的数量及结构进行了进一步优化，利用泵送效应有效提高了泄露量较小时改善动静部件间隙密封效果；

(2)本发明一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，设计了由多个径向离心叶片和环形密封槽交错形成的网型结构，同时产生了泵送效应和节流效应，在整个工况范围内的间隙密封阻漏效果更好，且在当介质泄漏流量较大时，本发明的动静间隙密封阻漏效果大幅度提高；

(3)本发明改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构中，对径向离心叶片和环形密封槽的具体参数进行了设计，使径向离心叶片、环形密封槽和旋涡叶片能够配合形成更好的阻漏效果；

(4)本发明改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，可直接用于旋涡泵中，或替换同尺寸的原有旋涡泵中的叶轮，适用性强，特别适用于对于容积损失较大的旋涡泵尤其是小型旋涡气泵，可显著提高其容积效率，从而提升旋涡泵整体效率。

附图说明

图1为本发明改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构示意图；

图2为泵送介质在本发明旋涡泵中的流动示意图，其中图(a)为轴向视图，图(b)为径向视图；

图3为本发明旋涡泵叶轮结构提升泄露通道流阻的机理的示意图；

图4为本发明实施例1和2的阻漏效果图；

图5为现有技术中旋涡泵的介质泄露示意图；

图6为泵送介质在现有技术中旋涡泵中的流动示意图。

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。

本发明方案一在旋涡泵叶轮两侧壁面上分别加工出多个径向离心叶片，当旋涡泵叶轮旋转时，两侧壁面上的径向离心叶片会推动泄漏介质产生与泄漏方向相反的离心力，形成泵送效应，加大介质泄漏方向的阻力，从而减小介质泄漏量，该结构在介质绝对泄露量较小时改善动静部件间隙密封效果显著。实测发现由于泵送效应与泄漏流量成反比、且所设置的径向离心叶片直径和转速受旋涡泵叶轮限制，当绝对泄露量超过一定值时，其效果弱于前述迷宫密封结构，所以径向离心叶片结构主要适用于泄露量较小时的情况。

本发明方案二进一步在旋涡泵叶轮两侧壁面设置有多个径向离心叶片和环形迷宫密封槽交错形成的网型结构，其中径向离心叶片的叶型、高度和个数可根据预估泄露量进行设计，当介质从旋转叶轮和静止泵壳以及泵盖的壁面间隙中泄漏流出后，会依次受到径向离心叶片产生的泵送效应和环形迷宫密封槽产生的交替“膨胀-收缩”节流效应所带来的沿程阻力作用，从而减少泄漏量，提高旋涡泵的容积效率和整体效率。

在相对较小流量工况，由于绝对泄露量较小(泄漏量小于25L/min)，此时由径向离心叶片产生的泵送效应起到了主要的密封阻漏作用。如图3所示，旋涡泵叶轮两侧壁面上随叶轮高速旋转的径向离心叶片推动进入径向离心叶片流道内的泄漏介质，产生与泄漏方向相反的离心力，将泄漏介质沿切线方向甩出，形成了泵送效应，增大了介质泄漏的沿程阻力。

在相对中、高流量工况，泄漏量增大(流量大于等于25L/min)，径向离心叶片产生的泵送效应所带来的沿泄漏方向的流阻随流量增大开始减小，但此时由环形迷宫密封槽产生的交替“膨胀-收缩”节流效应所带来的沿程阻力则随着流量增大而开始增大，因此，该工况下环形迷宫密封槽的节流效应起到了主要的密封阻漏作用。如图3所示，泄漏介质在“翻越”环形迷宫密封槽时，由于旋转叶轮和静止泵壳之间间隙值的变化，介质产生了交替的膨胀和收缩，节流效应增强，沿程阻力加大。

图1为本发明所述的旋涡泵叶轮结构图，其中1-旋涡叶片，2-两侧分布的径向离心叶片，3-两侧分布的环形迷宫密封槽，4-轮毂；图2为泵送介质在旋涡泵中的流动示意，2(a)为轴向视图，其中A-旋涡泵进口，B-旋涡泵出口，C-泵送介质间隙泄漏通道，2(b)为径向视图，给出了径向剖面上旋涡泵内介质的流动示意。其中泵送介质从图2(a)中旋涡泵进口A进入后，大部分在旋涡叶片槽道和泵壳涡道内形成旋涡，并沿叶轮周向螺旋式流动，最终从旋涡泵出口B流出，上述流通路径为介质的主流道。其余部分介质沿从旋转叶轮和静止泵壳以及泵盖的壁面间隙中流出，如图中的泵送介质间隙泄漏通道C。图3为本发明技术方案提升泄露通道流阻的机理，其中5-旋涡泵蜗壳，1-旋涡叶片，D-泄漏介质受阻回流路径，C-泵送介质间隙泄漏通道。介质从旋转叶轮和静止泵壳以及泵盖的壁面间隙中泄漏流出，如图中的泵送介质间隙泄漏通道C，在径向离心叶片2产生的泵送效应和环形迷宫密封槽产生的“膨胀-收缩”交替节流效应的双重作用下，大部分泄露介质受阻回到主流道，即从旋涡泵出口B流出，小部分继续沿泄漏通道前进。

实施例1：

旋涡泵设计值为：额定转速9000rpm，体积流量为90L/min，压比为1.02，进口压力280kpa，出口压力286kpa。

根据上述设计值，在本实施例中设计旋涡泵叶轮的具体结构如下：

旋涡叶片数量n_x为50，对应的径向离心叶片数n_l为51个，径向离心叶片个数应略多于旋涡叶片且与旋涡叶片互质，避免运行过程中压力脉动引起的共振。

径向离心叶片包角为(2～3)*360/n_l,本实施例选用包角为16°，离心叶片内外径处安放角取45～90°，本实施例内径处安放角选为60°。

将本实施例中的方案记为本发明方案一。

实施例2：

在实施例1的基础上增加环形迷宫密封槽：

环形迷宫密封槽与旋涡叶片槽道等宽，环形迷宫密封槽个数为1-3个，将径向离心叶片均分成2-4段，设置原则为既不破坏小流量时离心叶片的泵送作用，同时起到大流量时的流阻作用。环形密封槽等距设计，对离心叶片在径向上进行等距分割，本实施例中环形迷宫密封槽个数为2个，径向离心叶片被均分为3段。多个径向离心叶片和环形密封槽交错形成的网型结构内径大于叶轮轮毂，外径小于旋涡叶片槽道底部所形成的圆环直径，轴向高度最大值不低于旋涡叶片轴向高度。

将本实施例中的方案记为本发明方案二。

如图4，本发明径向离心叶片密封方案(本发明方案一)在泄露量小于35L/min时，密封性能优于现有技术中的环形迷宫密封方案(现有方案)，但是泵送效应造成的压差和流量成反比，因此当泄露量大于35L/min时，本发明径向离心叶片密封方案的密封效应不如现有技术中的环形迷宫密封方案的密封效果。本发明进一步提出的径向离心叶片+环形迷宫密封的方案(本发明方案二)，由于离心叶片泵送效应的叠加，密封效果在整个流量区间内均优于现有技术中的环形迷宫密封方案，且在泄露量大于25L/min后，密封效果由于本发明提出的径向离心叶片密封方案。

本发明方案二在整个运行范围内的防漏效果均优于现有方案，但是由于环形密封槽的设置减弱了径向离心叶片的泵送效应，因此在流量小于一定值时，本发明阻漏效果不如本发明方案一。但是随着泄露量增加至25L/min时，本发明的优势开始显示，在运行工况的中高流量区域大幅度优于本发明方案一。

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 (4)

1.一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，其特征在于，包括旋涡叶片(1)，径向离心叶片(2)，轮毂(4)和环形壁面；

环形壁面位于轮毂(4)外侧，环形壁面最外端设有旋涡叶片(1)，环形壁面的两个环形侧面上均设有径向离心叶片(2)；

旋涡叶片(1)之间形成旋涡叶片槽道，径向离心叶片(2)位于旋涡叶片槽道底部与轮毂(4)之间；

径向离心叶片(2)数量多于旋涡叶片(1)数量，且径向离心叶片(2)数量与旋涡叶片(1)数量互质；

还包括环形迷宫密封槽(3)；

所述环形迷宫密封槽(3)设于环形壁面的两个环形侧面上，与径向离心叶片(2)形成网型结构，环形迷宫密封槽(3)与轮毂(4)圆心重合；

所述网型结构的内径大于轮毂(4)外径，网型结构的外径小于旋涡叶片槽道的底部所形成的圆环的直径；

所述环形迷宫密封槽(3)的个数为2个，所述2个环形迷宫密封槽(3)将径向离心叶片(2)在径向平均分为3段；

所述径向离心叶片(2)数量比旋涡叶片(1)数量多1～10；

记所述径向离心叶片(2)数量为n_l，径向离心叶片(2)包角为(2～3)×360/n_l；

径向离心叶片(2)的进出口安放角为45～90°。

2.根据权利要求1所述的一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，其特征在于，所述环形迷宫密封槽(3)小于旋涡叶片槽道宽度。

3.根据权利要求1所述的一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构，其特征在于，所述网型结构的轴向高度最大值不小于旋涡叶片(1)的轴向高度。

4.一种旋涡泵，其特征在于，包括泵壳和权利要求1-3任一项所述的一种改善动静部件间隙密封效果的旋涡泵叶轮结构。