CN115585140A - 一种无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械，包括中空的泵体，泵体的头端为进口段、尾端为出口段，泵体中部的内腔处设有环形电机，环形电机的内圈为电机转子，环形电机的转轴线与泵体的中轴线重合；无轴叶轮沿周向设于环形电机中心，无轴叶轮的外缘连接电机转子，且无轴叶轮的螺旋角可调；泵体的进口段内设有稳流件，稳流件包括稳流椎和稳流叶栅，稳流椎呈梭型且位于泵体的中轴线上，稳流叶栅为平直薄板；稳流叶栅包括多个且呈放射状固定于稳流椎外表面，稳流叶栅的外缘固定于泵体上。还包括设于出口段的导流件，导流件包括若干导叶，导叶呈放射状分布，导叶的外缘固定于出口段泵体的内壁上，导流件的中心位于泵体的中轴线上。

Description

一种无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械

技术领域

本发明属于轴流式流体机械技术领域，具体涉及一种无轴式高抗空化低幅振动轴流泵。

背景技术

常规轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)主要由进水段、轴流式叶轮、泵轴、出水段等组成。叶轮为转子部件，泵轴带动叶轮旋转，转子部件与泵体（定子部件）之间存在动静结合间隙，在轴流泵中称为叶顶尖隙。

轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)工作时，旋转的叶轮对液流做功，使液流获得能量沿着轴线方向输送出去。但轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)的叶轮是一种轴流式叶轮，由于叶轮的强旋转作用会造成叶轮外缘圆周速度过大和叶轮外缘间隙（叶顶间隙）出现回流现象以及在叶轮前端产生漩涡导致叶轮进口区域压力骤降，当压力下降到当地汽化压力时叶轮会发生空化现象。叶轮发生空化现象会造成泵扬程和效率下降，从而影响泵作业的可靠性和稳定性，而且空化也会伴随振动和噪音的产生，严重的空化还会对各过流部件造成损坏甚至产生难以预料的灾难性后果。

关于轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)的空化问题，国内外学者做了诸多研究，大多是以叶轮和叶顶间隙等对研究对象，通过调整其几何参数来提高轴流泵的抗空化性能。但是该方法的普适性较差，针对不同型号的轴流泵需要多次调整不同的参数通过多次更新迭代计算才能满足其抗空化性能，优化难度大，耗费时间及，而且该方法对于某些特殊要求的轴流泵的空化问题束手无策。

发明内容

本发明提供了一种无轴式高抗空化低幅振动轴流泵，目的在于解决现有轴流式流体机械空化问题严重，且难以解决的问题。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械，包括中空的泵体，泵体的头端为进口段、尾端为出口段，泵体中部的内腔处设有环形电机，环形电机的内圈为电机转子，环形电机的转轴中心线与泵体的中轴线重合；无轴叶轮沿周向设于环形电机中心，无轴叶轮的外缘连接电机转子，且无轴叶轮的螺旋角可调；

泵体的进口段内设有稳流件，稳流件包括稳流椎和稳流叶栅，稳流椎呈梭型且位于泵体的中轴线上，稳流叶栅为平直薄板；稳流叶栅包括多个且呈放射状固定于稳流椎外表面，稳流叶栅的外缘固定于泵体上。

进一步地，还包括设于出口段内的导流件，导流件包括若干导叶，导叶呈放射状分布，导叶的外缘固定于出口段泵体的内壁上，导流件的中心位于泵体的中轴线上。

进一步地，所述导叶为长片状，横断面呈梭型；导叶横断面的长度方向与水流方向平行。

进一步地，所述泵体的进口段和出口段均呈喇叭口状。

进一步地，所述稳流叶栅的外缘紧贴进口段泵体内表面并与泵体固定连接。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过取消泵轴等传动部件将电机内置，液流通过无轴叶轮过流面积加大，速度降低，从而有效提高叶轮抗空化性能，并且甩掉了泵在作业过程中泵轴等传动部件产生的振动和噪音；

2.通过将无轴叶轮叶片外缘直接和电机转子连接，叶顶尖隙消失，从而叶顶间隙回流消失，叶轮间隙空化得到有效抑制，而且当叶轮叶片外缘直接和电机转子连接时，叶片外缘厚度加大，通常最先容易发生空化的位置（叶片进口边靠近外缘处）抗空化能力增强；

3.通过引入稳流椎和稳流叶栅有效改善了液流入流条件，优化了流场结构，并且有效抑制了叶轮旋转过程中产生的大量诱导涡，从而有效改善空化现象和减少涡级振动的产生；

4.通过在无轴叶轮后置机翼型导叶将无轴叶轮出口液流的旋转运动约束为轴向运动，避免出口漩涡继续向下游延伸，防止出现大量涡级振动，提高泵运行效率。

附图说明

图1是本发明的轴流式机械的结构剖视图；

图2是图1的正视图；

图3是稳流件的结构示意图；

图4是图3的右视图；

图5是导叶的结构侧视图；

图6是多个导叶的排布示意图；

图7是本发明轴流式机械的结构示意图；

图8是图7的半剖图；

图9是本发明无轴叶轮与电机转子部件的连接示意图；

图中：1-稳流椎，2-稳流叶栅，3-无轴叶轮，4-进口段，5-泵体，6-接线盒，7-电机定子，8-静密封，9-轴承，10-电机转子，11-导叶，12-出口段。

具体实施方式

下文结合附图并举实施例，对本发的结构原理等技术方案进行详细描述。

1.无轴叶轮的结构

参见图1，该发明是在传统轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)的基础上，将传统外置电机集成化呈环形状内置于泵体中，省去了轴以及各传动部件，无轴叶轮3外缘直接和电机转子10部件相连，无轴叶轮3的叶片周向均匀布置在电机转子10部件上，电机转子10转动带动无轴叶轮3同步旋转。为了能使该发明的轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)能适应更宽的运行工况，在此将无轴叶轮3和电机转子部件10的连接方式设置为活动连接，当泵在不同工况运行时可以通过调节无轴叶轮3与电机转子10的连接角度来完成无轴叶轮螺旋角的改变，使泵在变工况时也能保持最优工况下运行。由于该发明取消了泵轴以及各传动部件，于是将此叶轮称之为无轴叶轮3。该发明省去了轴以及各传动部件，结构简单紧凑易实现以及取消轴使得液流通过无轴叶轮3时过流面积增大，液流降速增压，有效提高了叶轮抗空化性能，加之当无轴叶轮3外缘和电机转子10直接相连接时。

无轴叶轮3叶片外缘处进行适当加厚处理，使其与电机转子10连接更为可靠，便于根据不同工况进行有效精确调节叶轮螺旋角，而且无轴叶轮3叶片进口边靠近外缘处也是最容易空化的位置，加厚此处可以有效提高无轴叶轮3抗空化性能。

如图9所示，无轴叶轮3螺旋角的大小根据泵运行工况进行调节，最大调节度数控制在±10度。泵在不同工况对应螺旋角的精确角度需要根据泵具体运行工况具体分析计算确定，然后通过无轴叶轮3和电机转子10连接件进行精确调节。无轴叶轮3和电机转子10的具体连接结构，可采用现有技术中的成熟方案。

电机转子10部件与无轴叶轮3叶片外缘可以采用任何一种方式连接，只要能确保无轴叶轮3螺旋角可根据不同工况在设定范围内进行精确调节即可。连接部件的大小应根据无轴叶轮3尺寸以及电机转子10部件尺寸进行合理选择。

2. 稳流件的结构

参见图1、图3和图4，此发明由稳流椎1和稳流叶栅2组成，设置于无轴叶轮3上游的进口段4内，周向均匀布置在进口段4内壁上，与无轴叶轮3同轴线设置。稳流椎1为两端小中间大的梭型，稳流椎1与进口段内壁之间设置有多枚稳流叶栅2，稳流叶栅3为均匀厚度的直叶片。

轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)叶轮为轴流式叶轮，叶轮在旋转过程中叶轮前端会生成大量轴向漩涡，如果进口无此稳流结构，这些漩涡会向上游继续扩散延伸，降低进口压力促使叶轮发生空化并且产生振动和噪音，当空化严重时会堵塞流道，造成流场结构严重恶化，严重影响泵以及整个系统的正常运行。在此发明中在无轴叶轮3上游的进口段内设计了稳流椎1和稳流叶栅2，稳流椎1可以有效抑制无轴叶轮3中心轴处的漩涡进一步向上游扩散，稳流叶栅2可以最大限度的将液流均匀轴向引入无轴叶轮3以及抑制叶轮强旋转作用产生的漩涡进一步扩散。此稳流椎1和稳流叶栅2能有效抑制无轴叶轮3进口漩涡的产生和扩散，优化无轴叶轮3上游流场结构，有效提高无轴叶轮3抗空化性能和有效防止涡级振动的产生。

稳流椎1外形似流线型，减小液流水力损失，前后两尖端进行倒圆处理以便于加工制造。稳流叶栅2为厚度均匀的直叶片，叶片四周边界处均进行倒圆光滑处理减小液流水力损失。

3. 导流件的结构

参见图1、图5和图6，在叶轮下游的出口段内部设置多枚机翼型导叶11，该导叶没有传动轴，呈静止状态周向均与设置于出口段内壁上，外形呈机翼型，在此称之为机翼型导叶11。导叶为长片状，横断面呈梭型；导叶横断面的长度方向与水流方向平行。

常规轴流式流体机械(泵、透平机、轮机)叶轮出口直接连接出口段将液流输出或者在叶轮出口设置随叶轮同轴旋转的的动导叶用于导流。在本发明中取消了常规的传动轴，为了将叶轮出口液流的旋转运动变为轴向运动，本发明中设计了一种机翼型导叶11，呈静止状态周向均与设置于出口段内壁上，相比常规同轴旋转的动导叶，该导叶不需要消耗轴动能，而且外形呈机翼型能最大限度将叶轮出口液流约束为轴向运动输出，抑制无轴叶轮出口漩涡的扩散，降低振动的产生，提高泵工作效率。

本发明的泵体、进口段和出口段可采用三段式设计，进口段和出口段通过螺栓连接于泵体上，方便生产制造以及维护作业。进口段和出口段均采用喇叭口形状，液体进入时将液流以最小损失引入叶轮，液体流出时将液流降速增压，减小出口段液流水力损失，提高效率。

Claims (5)

1.一种无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械，其特征在于，包括中空的泵体（2），泵体（2）的头端为进口段（4）、尾端为出口段（12），泵体（2）中部的内腔处设有环形电机，环形电机的内圈为电机转子（10），环形电机的转轴中心线与泵体（2）的中轴线重合；无轴叶轮（3）沿周向设于环形电机中心，无轴叶轮（3）的外缘连接电机转子（10），且无轴叶轮（3）的螺旋角可调；

泵体（2）的进口段（4）内设有稳流件，稳流件包括稳流椎（1）和稳流叶栅（2），稳流椎（1）呈梭型且位于泵体（2）的中轴线上，稳流叶栅（2）为平直薄板；稳流叶栅（2）包括多个且呈放射状固定于稳流椎（1）外表面，稳流叶栅（2）的外缘固定于泵体（2）上。

2.根据权利要求1所述的无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械，其特征在于，还包括设于出口段（12）内的导流件，导流件包括若干导叶（11），导叶（11）呈放射状分布，导叶（11）的外缘固定于出口段（12）泵体（2）的内壁上，导流件的中心位于泵体（2）的中轴线上。

3.根据权利要求1所述的无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械，其特征在于，所述导叶（11）为长片状，横断面呈梭型；导叶（11）横断面的长度方向与水流方向平行。

4.根据权利要求1所述的无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械，其特征在于，所述泵体（2）的进口段（4）和出口段（12）均呈喇叭口状。

5.根据权利要求4所述的无轴式高抗空化低幅振动可逆式轴流式流体机械，其特征在于，所述稳流叶栅（2）的外缘紧贴进口段（4）泵体（2）内表面并与泵体（2）固定连接。

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