CN115234509B - 一种高效低噪声高速泵叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效低噪声高速泵叶轮。该高速泵叶轮的特征是采用多层长短叶片，且叶片被肋板分成两个独立部分，并将两部分叶片旋转成特定角度，从而形成多层长短、分半、错列式叶轮，以达到高效、低噪声设计的目的。

Description

一种高效低噪声高速泵叶轮

技术领域

本发明涉及一种高效低噪声高速泵叶轮，属于泵、风机、压缩机等旋转类流体机械领域。

背景技术

高速泵又称为部分流泵、切线泵或巴斯克泵(BARSKE泵)，其过流部件和结构形状与一般离心泵不同。由于它采用了提高转速的特殊叶轮设计，所以能产生只有多级离心泵或容积泵才能达到的低流量、高扬程，即低比转速，而无需多极化。

高速泵具有单级扬程高、结构紧凑、维护方便、可靠性高等优点，被广泛应用于石油化工和航空航天等领域。作为关键输送设备，高速泵的高效率和稳定运行对系统运转至关重要。高速泵工作过程中的能量损失包括机械损失、容积损失和水力损失，高速泵的总效率等于机械效率、容积效率和水力效率的乘积。高速泵工作过程中能量转换形式的复杂多样性导致了效率低、不确定性高等问题的存在。与此同时，高速泵运行过程中，内部复杂流动将诱发高能噪声，高速泵中噪声根据产生机理分为流激噪声和流激振动噪声，流激噪声又称流致噪声，主要指高速泵因叶轮转动而导致的非定常流动直接产生的辐射噪声；流激振动噪声是指非定常流动力激励结构壁面振动并产生二次辐射噪声。在对高速有极其严格性能、噪声要求的领域(如核泵、舰船、航空供油泵等)，高速泵流激振动对系统运行的稳定性和军事隐蔽性有严重影响。因此，如何提高高速泵的效率并降低高速泵运行过程中产生的流动不稳定性及高能噪声是领域研究的热点，也是研究的难点问题

发明内容

为了进一步提高高速泵的效率，并抑制其非定常内流诱发的激励能量，本发明采用不同尺寸的长、中、短叶片以长短中短或长中短组合均匀排列在叶轮前后盖板上，根据泵相似理论确定长中短三类叶片的尺寸和形状，本发明的三类叶片均为扭曲叶片，定义L为长叶片工作面弧长，则中叶片工作面弧长等于0.8L,短叶片工作面弧长等于0.5L，叶轮长叶片数n为3-7片，中叶片数和长叶片一致，当采用长中短布置时，短叶片和长叶片数一致，当采用长短中短布置时，短叶片数为长叶片的2倍。当采用长短中短组合排列时，叶片总数n满足函数 当采用长中短排列方式布置时，叶片总数n满足函数/>采用不同排列方式时的长、中、短叶片具体数量按上文所述比例分配。其中K为经验系数，取6.5，Q_S指叶轮流道轴面投影内中线重心半径、w指叶轮流道轴面投影内中线的展开长度、α_S是叶片进出口角的平均值，中间肋板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；通过中间肋板及叶片旋转错开后，最终形成独特的长短叶片分半错列式高速泵叶轮；中间肋板起始于叶轮半径R的0.2-0.5倍处，终止于叶轮出口；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。

本发明通过采用长短叶片的设计提高高速泵的效率，通过采用中间肋板的分割降低动静干涉引起的振动噪声，从而达到低噪声的设计目的。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为本发明的一种高效低噪声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为本发明的一种高效低噪声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、5为长叶片、6为中叶片、7为短叶片。

图3为本发明的一种高效低噪声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、5为长叶片、6为中叶片、7为短叶片。

图4为本发明的一种高效低噪声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压力脉动对比图。

具体实施方式

根据高速泵标准工况点扬程H、流量Q、转速n来设计高速泵叶轮叶片的几何参数，叶轮结构包括长中短三种叶片、前盖板、后盖板和中间肋板，通过确定高速泵叶轮几个重要参数公式进行叶轮水力设计。

图1给出了一种高效低噪声高速泵叶轮的轴面投影图，由图可知：该叶轮具有中间肋板结构3，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叶轮叶片5和前叶轮叶片6，该中间肋板径向位置起始于叶轮半径的0.2-0.5倍处，终止于叶轮出口。由图2可知：独立的后叶轮叶片5和前叶轮叶片6经过旋转后呈现特定的夹角θ，本方案中采用长短中短叶片组合时叶片数为20，长叶片为5片(长度为L)、中叶片为5片(长度为0.8L)、短叶片为10片(长度为0.5L)，该夹角为9°；采用长中短叶片组合时叶片数为15，长叶片为5片(长度为L)、中叶片为5片(长度为0.8L)、短叶片为5片(长度为0.5L)，该夹角为12°。由图4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10％，标准工况效率提高近18％。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处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50％，有效的抑制了高速泵内部复杂流动诱发的激励能量为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

Claims (1)

1.一种高效低噪声高速泵叶轮，其特征在于，包括长中短三种叶片、前盖板、后盖板和中间肋板，中间肋板结构位于前盖板和后盖板之间，其轴向位置位于叶轮流道的中心处；不同尺寸的长、中、短叶片以长短中短或长中短组合均匀排列在叶轮前后盖板上，根据泵相似理论确定长中短三类叶片的尺寸和形状；叶轮长叶片数n为3-7片，中叶片数和长叶片一致，当采用长中短布置时，短叶片和长叶片数一致，当采用长短中短布置时，短叶片数为长叶片的2倍；当采用长短中短组合排列时，叶片总数n满足函数 当采用长中短排列方式布置时，叶片总数n满足函数/>其中K为经验系数，取6.5，Q_S指叶轮流道轴面投影内中线重心半径、w指叶轮流道轴面投影内中线的展开长度、α_S是叶片进出口角的平均值，中间肋板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；通过中间肋板及叶片旋转错开后，最终形成独特的长短叶片分半错列式高速泵叶轮；中间肋板起始于叶轮半径R的0.2-0.5倍处，终止于叶轮出口；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；

三类叶片均为扭曲叶片，定义L为长叶片工作面弧长，则中叶片工作面弧长等于0.8L，短叶片工作面弧长等于0.5L。