CN115898941A - 一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，离心叶片靠近离心叶轮进口边的头部区域处设有粗糙带，粗糙带位于离心叶片压力面和离心叶片吸力面上；离心叶片压力面上的粗糙带呈凸棱状，离心叶片吸力面上的粗糙带呈凹槽状，所述凸棱和凹槽均包括间隔布设的多道，且凸棱和凹槽均沿离心叶片的竖直方向布设；还包括射流叶片，射流叶片呈螺旋形直叶片且长度小于离心叶片的三分之二，射流叶片的数量与离心叶片一一对应；射流叶片贴近离心叶片吸力面布设，且射流叶片和离心叶片螺旋弯曲方向相同；射流叶片的进口边靠近离心叶片吸力面并随径向半径增加与吸力面的距离逐渐减小，射流叶片的出口边和离心叶轮叶片出口边在离心叶轮边缘的同一半径处。

Description

一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮

技术领域

本发明属于水泵技术领域，具体涉及一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮。

背景技术

离心叶轮工作过程中，当叶轮进口压力降低至当地气化压力附近时，叶轮进口附近区域会发生空化现象，随着叶轮进口压力继续降低，离心叶轮空化现象会逐渐加剧，从而导致叶轮扬程和效率等逐渐下降。随着空化现象的进一步发展，离心叶轮流道被空泡堵塞，引起流体断流，这时离心叶轮已经不能正常工作，而且会伴随振动和噪音的产生，严重的空化现象会造成叶片断裂或者叶轮前后盖板被击穿，造成严重事故。

离心叶轮内的液体流动形态是旋转坐标系下三维流道中的复合流动，流动规律复杂多变，影响因素多。在实际设计中受叶片数量有限的影响，导致在逆压力梯度作用下，叶片出口附近的叶片吸力面的边界层容易出现分离，产生脱流现象，形成回流，在流道中会产生大量的旋涡。同时在边界层内，由于液体质点受力的不平衡，流道内不同区域流体之间能量、压力分布不均匀，从而产生从叶轮后盖板到前盖板、压力面到吸力面的二次流，在叶轮出口前盖板区域以及叶片吸力面形成低能流体聚集区域，从而形成射流-尾迹结构。

离心叶轮的射流-尾迹结构严重影响叶轮流动的顺畅性，导致离心叶轮的扬程和效率下降。并且离心叶轮出口和压水室连接，射流-尾迹结构会使叶轮出口流体拥有较强的环量，与压水室产生较大摩擦损失，产生热量，导致流体输送不稳定，从而降低了泵的运行效率。

发明内容

本发明提供了一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，目的在于解决现有叶轮空化现象严重，降低泵运行效率的问题。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，离心叶片靠近离心叶轮进口边的头部区域处设有粗糙带，粗糙带位于离心叶片压力面和离心叶片吸力面上；离心叶片压力面上的粗糙带呈凸棱状，离心叶片吸力面上的粗糙带呈凹槽状，所述凸棱和凹槽均包括间隔布设的多道，且凸棱和凹槽均沿离心叶片的竖直方向布设；

还包括射流叶片，射流叶片呈螺旋形直叶片且长度小于离心叶片的三分之二，射流叶片的数量与离心叶片一一对应；射流叶片贴近离心叶片吸力面布设，且射流叶片和离心叶片螺旋弯曲方向相同；射流叶片的进口边靠近离心叶片吸力面并随径向半径增加与吸力面的距离逐渐减小，射流叶片的出口边和离心叶轮叶片出口边在离心叶轮出口边的同一半径处。

进一步地，所述凹槽的横断面呈半圆形，凸棱的横断面也呈半圆形，凹槽和凸棱的位置一一正对。

进一步地，所述凹槽和凸棱的半径相等，且半径小于离心叶片进口边厚度1/2。

进一步地，所述凹槽和凸棱分别包括3～5道。

进一步地，所述离心叶片进口边进行倒圆角处理。

本发明的有益效果如下：

1.本发明在离心叶片进口边附近吸力面上设置下凹的半圆柱形流线型粗糙带，在压力面上设置凸起的半圆柱形流线型粗造带。该粗糙带增加了离心叶片进口附近区域吸力面和压力面的粗糙度，使得离心叶轮流道近避区的湍动能有效降低，漩涡强度减弱，流道变得相对稳定，空泡体积减小，空化的初生和发展得到有效抑制，从而也有效减弱了空化现象诱导的振动和噪音的产生。

2.本发明的离心叶片吸力面和压力面上的粗糙带为半圆柱状，使其外形更加接近流线形状，此发明结构能保证提高离心叶轮抗空化性能的同时能有效减小流体通过粗糙带的水力损失。

3.本发明在离心叶轮设计中增设射流叶片，由于射流叶片与相邻离心叶片吸力面之间的流道面积逐渐缩小，根据流体连续性原理，面积减小流速增大，即通过控制射流叶片与相邻离心叶轮叶片吸力面之间的流道面积，就可以控制此区域的流体射流速度，根据动量定律，可以计算出需要对叶轮出口低能区域流体的提高量；经过本发明的合理增设射流叶片，适当消弱甚至完全消除旋涡回流与射流-尾迹现象，使流体通过叶轮流道内的流动更加顺畅，提高叶轮扬程和效率。同时，射流增加了流体径向速度，减小了流体在压水室内的环流时间，减小了流体水力损失，进一步提高了泵的效率和扬程。

附图说明

图1是射流-尾迹理想速度剖面示意图；

图2是射流-尾迹真实速度剖面示意图；

图3是本发明离心叶轮的结构主视图；

图4是图3的剖面图；

图5是具体实施方式试验台示意图；

图6是具体实施方式外特性曲线对比图；

图中：1-离心叶轮进口边，2-离心叶轮出口边，3-离心叶片，4-射流叶片，5-压力面，6-凸棱，7-吸力面，8-凹槽，9-离心叶轮前盖板，10-离心叶轮后盖板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图3和4所示，一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，离心叶片3靠近离心叶轮进口边1的头部区域处设有粗糙带，粗糙带位于离心叶片3压力面5和离心叶片3吸力面7上。离心叶片3压力面5上的粗糙带呈凸棱状，离心叶片3吸力面7上的粗糙带呈凹槽状；凹槽8的横断面呈半圆形，凸棱6的横断面也呈半圆形，凹槽8和凸棱6的半径相等，且半径小于离心叶片3进口边厚度1/2。凸棱6和凹槽8均包括间隔布设的3～5道，凹槽8和凸棱6的位置一一正对，且凸棱6和凹槽8均沿离心叶片3的竖直方向布设。

还包括射流叶片4，射流叶片4呈螺旋形直叶片且长度小于离心叶片3的三分之二，射流叶片4的数量与离心叶片3一一对应；射流叶片4贴近离心叶片3吸力面7布设，且射流叶片4和离心叶片3螺旋弯曲方向相同；射流叶片4的进口边靠近离心叶片3吸力面7并随径向半径增加与吸力面7的距离逐渐减小，射流叶片4的出口边和离心叶轮叶片出口边在离心叶轮出口边2的同一半径处。

射流叶片4采用螺旋形直叶片，方便生产制造；离心叶片3进口边进行倒圆角处理，以减小流体水力损失；离心叶片3可以是三维扭曲叶片，也可以是圆柱叶片。与常规离心叶轮相同，离心叶轮上还设有离心叶轮前盖板9和离心叶轮后盖板10。

试验对比：

为验证此发明叶轮的有效性，搭建试验台（如图5）采用同一规格卧式离心泵对原始方案和本发明结构进行外特性试验和空化性能试验。采用原始方案测试时，叶轮为卧式离心泵出厂叶轮形状；采用本发明方案测试时，即拆卸离心泵出厂叶轮，更换为本发明叶轮，本发明叶轮与原叶轮直径相同，离心叶片数量也相同。

如图5所示，试验台系统包括离心泵、空化罐、扭矩仪、进出口压力表等，其中涡轮流量计精度为±0.5%，压力表精度为±0.1%。试验过程中保持水温相对稳定，泵扬程由进出口压力表测量，流量由流量计测量。图3为发明结构与原始方案外特性曲线对比图，由图3可知，本发明结构与原始方案在变工况运行时扬程值和效率值变化趋势一致，但此发明结构扬程值和效率值均略高于其原始方案结果，说明此发明的射流结构相对常规原始方案能有效改善叶轮内流场流动结构，从而提高泵的扬程和效率。接着对原始方案和本发明结构进行了空化性能试验，通过试验发现原始方案的临界空化余量为3.2m，此发明结构的临界空化余量为2.5m，相比原始方案提高了21.88%，由此可见此发明的射流结构具有较好的抗空化性能。

Claims (5)

1.一种高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，其特征在于，离心叶片（3）靠近离心叶轮进口边（1）的头部区域处设有粗糙带，粗糙带位于离心叶片（3）压力面（5）和离心叶片（3）吸力面（7）上；离心叶片（3）压力面（5）上的粗糙带呈凸棱状，离心叶片（3）吸力面（7）上的粗糙带呈凹槽状，所述凸棱（6）和凹槽（8）均包括间隔布设的多道，且凸棱（6）和凹槽（8）均沿离心叶片（3）的竖直方向布设；

还包括射流叶片（4），射流叶片（4）呈螺旋形直叶片且长度小于离心叶片（3）的三分之二，射流叶片（4）的数量与离心叶片（3）一一对应；射流叶片（4）贴近离心叶片（3）吸力面（7）布设，且射流叶片（4）和离心叶片（3）螺旋弯曲方向相同；射流叶片（4）的进口边靠近离心叶片（3）吸力面（7）并随径向半径增加与吸力面（7）的距离逐渐减小，射流叶片（4）的出口边和离心叶轮叶片出口边在离心叶轮出口边（2）的同一半径处。

2.根据权利要求1所述的高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，其特征在于，所述凹槽（8）的横断面呈半圆形，凸棱（6）的横断面也呈半圆形，凹槽（8）和凸棱（6）的位置一一正对。

3.根据权利要求2所述的高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，其特征在于，所述凹槽（8）和凸棱（6）的半径相等，且半径小于离心叶片（3）进口边厚度1/2。

4.根据权利要求2所述的高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，其特征在于，所述凹槽（8）和凸棱（6）分别包括3～5道。

5.根据权利要求1所述的高抗空化及具有射流叶片的离心叶轮，其特征在于，所述离心叶片（3）进口边进行倒圆角处理。

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