CN115111187B - 一种新型高速泵叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型高速泵叶轮，采用多层长短叶片提升高速泵效率，同时将叶轮叶片沿圆周方向进行非线性布置，重构叶轮内流动模式，使得叶轮旋转时，抑制流体经过叶轮和蜗壳时所产生的动静干涉能量，采用中间肋板的分割进一步降低动静干涉引起的振动噪声，最终达到高效、低噪声的设计目的。

Description

一种新型高速泵叶轮

技术领域

本发明涉及一种新型高速泵叶轮，属于泵、风机、压缩机等旋转类流体机械领域。

背景技术

高速泵适用于扬程较高的输送场合，近年来不仅应用在给排水及农业工程、石油及化学工业等领域，随着科技的发展，也是核电工程、航空及航海工程等领域不可或缺的关键设备。随着社会需求和科学技术的迅猛发展，高速泵正在朝着大功率化的方向迈进，高速泵必须要有更高的性能来适应各种恶劣的工况，可靠性问题已经成为制约高速泵技术进一步发展的瓶颈。在尖端技术上对泵的运行更需要绝对的稳定。泵振动引起的噪声必定会通过传播介质进行传播扩散。

高速泵的不稳定运行来源于内部复杂流动，内部复杂流动将诱发高能噪声，在高速泵中根据噪声产生的机理可将噪声分为流激噪声和流激振动噪声两类，其中流激振动对系统的运行稳定性和隐蔽性影响严重。因此在提高高速泵的效率的同时提升系统运行的稳定性及降低噪声的发生成为研究的难点。

本发明采用多层长短叶片提高高速泵效率，同时将叶轮叶片沿圆周方向进行非线性对称布置，重构叶轮内流动模式，使得叶轮旋转时，抑制流体经过叶轮和蜗壳时所产生的动静干涉能量，采用中间肋板的分割进一步降低动静干涉引起的振动噪声，最终达到高效、低噪声设计的目的。

发明内容

一种新型高速泵叶轮，该叶轮由叶片、前盖板、后盖板和中间肋板组成。其中叶片为经优化后的长中短三类不同尺寸叶片，根据泵相似理论确定长中短三类叶片的尺寸与形状，本发明的三类叶片均为进出口边在同一轴面上的扭曲叶片，定义L为长叶片工作面弧长，则中叶片长度等于0.8L,短叶片长度等于0.5L，按长短中短或长中短的组合排列，且沿叶轮旋转方向以一定规律非对称布置于前、后盖板之间。当采用长短中短组合排列时，叶片总数n满足函数长叶片数满足函数关系/>中叶片数满足函数关系/> 短叶片数满足函数关系/>当采用长中短排列方式布置时，叶片总数n满足函数/>长中短叶片数均满足函数关系其中K为经验系数，取6.5；R_m指叶轮流道轴面投影内中线重心半径、e指叶轮流道轴面投影内中线的展开长度、β_m是叶片进出口角的平均值。在叶轮中定义以第一片叶片为起点，沿叶轮旋转方向，相邻叶片出口边与前一叶片出口边的夹角为叶轮叶片布置角ε，ε满足周期函数：ε_i＝ε′+Δε·sin(i·ε′)，其中i指的是从起点开始的第i个叶片，ε_i指的是第i个叶片的叶片非对称布置角，ε'(ε'＝360°/n)指的是叶片常规对称布置角，本发明实施例中叶轮叶片为 20片所以ε'＝18°，Δε指的是最大非对称式布置角，取值范围为4°-9°，本发明实施例中取Δε＝5°。该叶轮采用了中间肋板结构，其位于叶轮前、后盖板中间，将叶片分成两个独立部分，通过旋转将两部分叶片错开成特定角度θ，该角度θ与叶轮叶片数n有关，采用长中短叶片布置方式时两列叶片间错开夹角的取值范围为90/n～180/n，采用长短中短叶片布置方式时两列叶片间错开夹角的取值范围为 120/n～180/n。该中间肋板起始于叶轮半径R的0.2-0.5倍处，终止于叶片出口。中间肋板的厚度与叶片平均厚度有关，其取值范围为叶片平均厚度的1.0～2.0倍。

本发明采用多层长短叶片提升高速泵效率，同时将叶轮叶片沿圆周方向进行非线性布置，重构叶轮内流动模式，使得叶轮旋转时，抑制流体经过叶轮和蜗壳时所产生的动静干涉能量，采用中间肋板的分割进一步降低动静干涉引起的振动噪声，最终达到高效、低噪声的设计目的。相比于常规叶轮，在满足全部工艺参数条件后，采用本发明的叶轮设计，具有效率更高、噪声更低的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的一种新型高速泵叶轮轴面投影图；图中1为叶轮前盖板、2为叶轮后盖板、3为中间肋板结构。

图2为本发明的一种新型高速泵叶轮长短中短叶片组合平面投影图；图中4为叶轮出口、7为长叶片、8为中叶片、9为短叶片。

图3为本发明的一种新型高速泵叶轮长中短叶片组合平面投影图；图中4为叶轮出口、7为长叶片、8为中叶片、9短叶片。

图4为本发明的一种新型高速泵叶轮出口流道过流断面的平面展开图；图中1 为叶轮前盖板、2为叶轮后盖板、3为中间肋板结构、5为后叶轮叶片、6为前叶轮叶片。

图5为本发明与常规方案的性能对比图。

图6为本发明与常规方案的频谱对比图。

表1为本发明的一种新型高速泵叶轮各叶片布置角。

具体实施方式

图2给出了叶轮叶片以长短中短的排列方式布置的新型高速泵叶轮平面投影图，由图可知：该叶轮叶片沿叶轮旋转方向以一定规律进行非对称布置，以第一片叶片为起点，沿叶轮旋转方向，相邻两叶片出口边的夹角为叶轮叶片布置角ε。此布置角ε按正弦函数关系变化，该函数如下式：

ε_i＝ε′+Δε·sin(i·ε′)

其中i指的是从起点开始的第i个叶片，ε_i指的是第i个叶片的叶片非对称布置角，ε'指的是叶片常规对称布置角，Δε指的是最大非对称式布置角。

该叶轮叶片共20片，其中长叶片7共5片、中叶片8共5片、短叶片9共 10片，叶片常规对称布置角ε'为18°所有叶片夹角之和为360°，最大角度变化为5°，叶轮叶片布置角如表1。

该叶轮具有中间肋板3结构，位于前盖板1和后盖板2之间，其轴向位置位于叶轮流道的中心处，该肋板将叶片分成两个独立的部分，后独立叶片5和前独立叶片6，该中间肋板3径向位置起始于叶轮半径R的0.3倍处，终止于叶片出口4)。后独立叶片5和前独立叶片6经过旋转后呈现特定的夹角θ，本方案中叶轮叶片数为20，该夹角为9°。由图2可知，本方案中，叶片的平均厚度δ为2mm，中间肋板3的厚度b为3mm，即为叶片平均厚度的150％。

由图5知本发明叶轮的泵效率与普通叶轮的泵效率相比有明显的提升，小流量工况效率提高近13％，标准工况效率提高近19％。图6为本发明叶轮与普通叶轮通过非定常计算得到的隔舌下游监测点的频谱对比图，由图6可知本发明叶轮在一倍叶频的幅值明显低于原始叶轮，降低了近75％，有效的抑制了高速泵内部复杂流动诱发的激励能量。

Claims (1)

1.一种新型高速泵叶轮，由叶片、前盖板、后盖板和中间肋板组成，其特征在于，叶片为经优化后的长中短三类不同尺寸叶片，根据泵相似理论确定长中短三类叶片的尺寸与形状，按长短中短或长中短的组合排列，且沿叶轮旋转方向以一定规律非对称布置于前、后盖板之间；当采用长短中短组合排列时，叶片总数n满足函数长叶片数满足函数关系/>中叶片数满足函数关系/>短叶片数满足函数关系/> 当采用长中短排列方式布置时，叶片总数n满足函数长中短叶片数均满足函数关系/>其中K为经验系数，取6.5；R_m指叶轮流道轴面投影内中线重心半径、e指叶轮流道轴面投影内中线的展开长度、β_m是叶片进出口角的平均值；在叶轮中定义以第一片叶片为起点，沿叶轮旋转方向，相邻叶片出口边与前一叶片出口边的夹角为叶轮叶片布置角ε，ε满足周期函数ε_i＝ε′+△ε·sin(i·ε′)，其中i指的是从起点开始的第i个叶片，ε_i指的是第i个叶片的叶片非对称布置角，ε′指的是叶片常规对称布置角，ε′＝360°/n；△ε指的是最大非对称式布置角，取值范围为4°-9°；该叶轮采用了中间肋板结构，其位于叶轮前、后盖板中间，将叶片分成两个独立部分，通过旋转将两部分叶片错开成特定角度θ，该角度θ与叶轮叶片数n有关，采用长中短叶片布置方式时两列叶片间错开夹角的取值范围为90/n～180/n，采用长短中短叶片布置方式时两列叶片间错开夹角的取值范围为120/n～180/n；该中间肋板起始于叶轮半径R的0.2-0.5倍处，终止于叶片出口；中间肋板的厚度与叶片平均厚度有关，其取值范围为叶片平均厚度的1.0～2.0倍；

三类叶片均为进出口边在同一轴面上的扭曲叶片，定义L为长叶片工作面弧长，则中叶片长度等于0.8L，短叶片长度等于0.5L。