CN202789684U - 一种中浓纸浆泵湍流发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种湍流发生器，特指一种适用于中浓纸浆泵的湍流发生器。所述湍流发生器安装于泵叶轮前端，与泵叶轮安装于同一轴上，湍流发生器由轮毂和固定在轮毂上的螺旋形叶片组成，其特征在于：螺旋形叶片由进口面、工作面、背面、出口面和外缘面组成；其中工作面为三维空间曲面，由进口边、叶片外缘型线和出口边组成，背面由工作面等厚度加厚而成；进口边垂直于轴线方向，出口边也垂直于轴线方向，进口边、出口边在圆周方向上转过一角度形成叶片包角。本实用新型的湍流发生器可实现中浓纸浆悬浮液流体化和分离气体的作用，解决中浓纸浆因缺乏自身流动性和气含率过大引起的的输送难题。

Description

一种中浓纸浆泵湍流发生器

技术领域

本实用新型涉及一种湍流发生器，特指一种适用于中浓纸浆泵的湍流发生器。 

背景技术

中浓输送技术是指制浆造纸过程中，特别是输送过程中，纸浆直接以中浓度（纸浆质量浓度7%-15%）输送的技术；相比于常用的低浓度纸浆输送，极大地减少了制浆过程中的用水量和造纸废水排放量，大大地减少了对环境的污染。 

纸浆质量浓度C≥7%时，纸浆失去自身流动性，同时此时纸浆悬浮液内含有大量气体，低浓纸浆泵无法输送；离心式中浓浆泵与普通低浓浆泵相比，增加了湍流发生器，湍流发生器是中浓纸浆泵的关键部件，安装在中浓浆泵进口部位；通过湍流发生器，中浓纸浆悬浮液实现了流体化及气液分离，再通过泵的其它水力部件产生流量和扬程，实现了中浓纸浆的顺利输送；因此，湍流发生器是中浓纸浆悬浮液能否顺利输送的前提，湍流发生器的性能直接决定了中浓纸浆泵的输送效果和输送效率。 

中国专利CN1851118A公开了一种中高浓纸浆流体化装置，主要由固定于轮毂上的叶片组成，叶片扭曲角的范围为10°～75°，叶片旋向与叶轮旋向相反，叶片前端深入浆料立管中，叶片根部固定于轮毂之上，此专利只是给出了叶片扭曲角的范围为10°～75°，没有涉及具体角度如何取值，且角度范围太大，具体设计无法确定。 

中国专利CN201598531U公开了一种变螺旋角湍流发生器式的叶轮，描述了叶轮的形状，同时指出其中湍流发生机构包括变螺旋角的螺旋状凸筋和凸筋间的加强环，凸筋一端和叶轮叶片相连，螺旋角的范围为为24°～82°；但该专利没有涉及具体螺旋角取值方法，不涉及其它尺寸的设计方法，不可能按照该描述设计出湍流发生器。 

经检索，目前还没有中浓纸浆泵湍流发生器叶片的设计方法，影响了中浓纸浆泵的研发和进一步的推广应用。因此，研究中浓纸浆泵湍流发生器叶片的设计方法，能促进中浓纸浆泵性能的提高，促进中浓输送技术的应用和发展。 

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能实现上述中浓输送技术的中浓纸浆泵湍流发生器叶片的设计方法；按此设计方法，可设计出湍流发生器，实现中浓纸浆悬浮液流体化和分离气体的作用，解决中浓纸浆因缺乏自身流动性和气含率过大引起的的输送难题。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种中浓纸浆泵湍流发生器，所述湍流发生器安装于泵叶轮前端，与泵叶轮安装于同一轴上，湍流发生器由轮毂和固定在轮毂上的螺旋形叶片组成，其特征在于：螺旋形叶片由进口面、工作面、背面、出口面和外缘面组成；其中工作面为三维空间曲面，由进口边、叶片外缘型线和出口边组成，背面由工作面等厚度加厚而成；进口边垂直于轴线方向，出口边也垂直于轴线方向，进口边、出口边在圆周方向上转过一角度形成叶片包角。 

所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述的进口面和出口面的半径都是螺旋形叶片厚度的一半。 

所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述的螺旋形叶片沿轮毂的轴向方向展开，与轮毂垂直；螺旋形叶片与轮毂连接处以半径10～40mm的圆弧过渡。 

所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述湍流发生器的螺旋形叶片数取泵叶轮叶片数的一半，一般取3或4。 

所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述湍流发生器的螺旋形叶片外径 

取泵叶轮叶片进口直径，轴向总长度L与纸浆流速相关，由公式（1）确定其取值范围；所述叶片外缘型线采用变螺距与等螺距相结合的螺旋线型线，以产生一定的剪切应力，同时保证一定的气体输送能力；进口部分采用等螺距型线，出口部分采用变螺距型线；叶片等螺距部分轴向长度S由公式（2）确定，变螺距部分轴向长度为L ₁，

。 

              （1）；

 

                        （2）；

其中，

；

      

。

其中：Q为泵体积流量（m³/h）；

为介质密度（kg/m³）；n为湍流发生器转速(r/min)；

为湍流发生器旋转角速度（rad/s），由

确定；为湍流发生器叶片外径（m）；d _h 为湍流发生器轮毂直径（m），取（0.2~0.4）

；为介质流动轴向速度（m/s）；A为湍流发生器流道截面积（m²）；Z为湍流发生器叶片数，δ为叶片厚度（m），等于泵叶轮的叶片厚度；S为等螺距段轴向长度（m）；

为等螺距段包角；β为叶片外缘型线起始端的进口角。 

所述叶片外缘型线叶片安放角采用分段函数表示，出口变螺距型线叶片安放角由公式（3）确定，进口等螺距型线叶片安放角由公式（4）确定。 

，

        （3）； 

，

                    （4）。

其中：

表示叶片外缘型线上任意点切线方向与通过该点圆周方向之间的夹角，

为叶片外缘型线终端的出口角，指叶片外缘型线出口切线方向与圆周方向之间的夹角；β为叶片外缘型线起始端的进口角，指叶片外缘型线进口切线方向与圆周方向之间的夹角。 

 [0018] 所述出口角

取值一般为85o–90o，即叶片外缘型线出口方向几乎沿轴线方向延伸；叶片外缘型线起始端的进口角β一般取25°。

 [0019] 所述湍流发生器叶片外缘型线在以轮毂轴线为中心线的同一个圆柱面上，叶片外缘型线上的任意点相对于叶片外缘型线出口在圆周方向每转过角度，对应的圆周方向展开长度y由式（5）确定。

                                （5）。

对于叶片外缘型线展开图上的任一点，对应的角度

有： 

                              （6）。

将式（3）代入式（6），得变螺距段y值： 

   

  （7）。

将公式（5）代入公式（7），得变螺距段轴向长度x值： 

   

 （8）。

同理，将式（4）代入式（6），再代入式（5），得到等螺距段轴向长度x值： 

        

 （9）。

其中

为圆周方向每转过角度时相对于湍流发生器出口的轴向长度，为进口边与出口边在圆周方向上转过的角度，即叶片包角，取值为90o－120o，

为等螺距段包角，取（1/4—1/3）。 

 [0026] 本实用新型相比现有技术，具有以下优点：

1. 可产生足够的剪切应力，使中浓纸浆流体化；

2. 可产生较高的扬程，提高气体输送能力；

3. 与安装在后面的叶轮衔接流畅，减少水力损失。

附图说明

图1是中浓浆泵叶轮装配体三维示意图，其中1.泵叶轮，2.湍流发生器； 

图2是中浓纸浆泵湍流发生器结构示意图，其中：3.湍流发生器轮毂，4.湍流发生器螺旋形叶片，5.进口面，6.工作面，7.背面，8.出口面，9.外缘面,10.进口边,11.叶片外缘型线,12.出口边；13. 螺旋形叶片与轮毂连接处；

图3 中浓纸浆泵湍流发生器叶片进口边10和出口边12方向示意图；

图4是中浓纸浆泵湍流发生器结构尺寸示意图；

图5是中浓纸浆泵湍流发生器叶片外缘型线示意图；

图6是中浓纸浆泵湍流发生器叶片外缘型线展开图；

图7是中浓纸浆泵湍流发生器表面气相分布云图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。 

如图1所示，本实施例的湍流发生器1安装于泵叶轮2前端，与泵叶轮安装于同一轴上；如图2所示，湍流发生器由轮毂3和固定在轮毂上的螺旋形叶片4组成。螺旋形叶片4由进口面5、工作面6、背面7、出口面8和外缘面9组成。其中工作面6为三维空间曲面，由进口边10、叶片外缘型线（叶片型线）11和出口边12组成，背面7由工作面6等厚度加厚而成；如图3所示，进口边10垂直于轴线方向，出口边12也垂直于轴线方向，但进口边10、出口边12在圆周方向上转过一角度，即叶片包角。 

如图4所示，本实施例的湍流发生器叶片外径

取泵叶轮叶片进口直径，轴向总长度L与纸浆流速相关，由公式（1）确定其取值范围；叶片外缘型线采用变螺距与等螺距相结合的螺旋线型线，以产生一定的剪切应力，同时保证一定的气体输送能力。进口部分采用等螺距型线，出口部分采用变螺距型线；叶片等螺距部分轴向长度S由公式（2）确定，变螺距部分轴向长度为L ₁，

。 

              （1）； 

 

                        （2）；

其中，

；

      

。

其中：Q为泵体积流量（m³/h）；

为介质密度（kg/m³）；n为湍流发生器转速(r/min)；

为湍流发生器旋转角速度（rad/s），由确定；

为湍流发生器叶片外径（m）；d _h 为湍流发生器轮毂直径（m），取（0.2~0.4）

；

为介质流动轴向速度（m/s）；A为湍流发生器流道截面积（m²）；Z为湍流发生器叶片数，δ为叶片厚度（m）；S为等螺距段轴向长度（m）；

为等螺距段包角。

本实施例的叶片外缘型线叶片安放角采用分段函数表示，变螺距型线叶片安放角由公式（3）确定，等螺距型线叶片安放角由公式（4）确定。

，

        （3）； 

，

                    （4）。

 [0035] 其中：

表示叶片外缘型线上任意点切线方向与通过该点圆周方向之间的夹角，

为叶片外缘型线终端的出口角，指叶片外缘型线出口切线方向与圆周方向之间的夹角，

取值一般为85o–90o；β为叶片外缘型线起始端的进口角，指叶片外缘型线进口切线方向与圆周方向之间的夹角，进口角β一般取25°。

 [0036] 所述湍流发生器叶片外缘型线上任意点相对于外缘型线出口在圆周方向上每转过角度

，图6中对应的圆周方向展开长度y由公式（5）确定，对应的轴向长度x由式（8）和式（9）确定。

                                           （5）； 

     

  （8）；

       

  （9）。

 [0038] 其中

为圆周方向每转过角度

时相对于湍流发生器叶片外缘型线出口的轴向长度，

为在轴向距离x处对应的圆周方向上转过的角度；

为等螺距段包角，取（1/4—1/3）

，为叶片包角，取值为90o－120o。

 [0039] 本实施例中，湍流发生器螺旋形叶片4沿轴向方向展开，与轮毂5垂直，连接处13以半径30mm的圆弧过渡，叶片厚度

为 12 mm，叶片数取泵叶轮叶片数的一半，本实施例中湍流发生器叶片数为4片。

 [0040] 本实施例中，泵体积流量Q为 600（m³/h），介质密度为 1250（kg/m³），转速n为 1450(r/min)，湍流发生器螺旋形叶片4外径

为 260mm，湍流发生器轮毂3直径为 95 mm 。

 [0041] 本实施例中，进口边10、出口边12在圆周方向上转过的包角 110o，等螺距段包角

取 30o，进口角取25°，出口角

为85o。

 [0042] 通过公式（2）的计算，等螺距段轴向长度S为32mm，通过公式（5）和公式（8）的计算，令

=80o，

,得螺旋形叶片变螺距部分轴向长度

为 222 mm，通过公式（5）和公式（9）的计算，令

=110o，

,则湍流发生器螺旋形叶片轴向总长度L为 254 mm，经公式（1）验算，L在取值范围之内。

分别取值0o，10o，20o，…，110o，通过公式（5）、式（8）、式（9）、式（3）和式（4）的计算，本实施例的叶片外缘型线（叶片型线）11的圆柱坐标如表1所示：

表1 计算过程表

本实用新型设计的湍流发生器的实施例，用Pro/E进行三维造型后，在网格划分软件ICEM中对流动区域进行非结构网格划分，然后用数值模拟软件CFX，对湍流发生器的气液两相流场进行数值模拟，模拟的初始条件为：纸浆质量分数为10%，气体体积含气率为10%，进口速度为2.91(m/s)，湍流发生器旋转速度为1450(r/min)；模拟结果经过后处理得到湍流发生器表面的气相分布云图，如图7所示，在靠近湍流发生器出口的轮毂表面，出现了含气率达90%左右的气团，说明该实用新型设计的湍流发生器有很好的气液液分离效果，模拟预测湍流发生器的扬程为5m，提高了浆泵的吸入性能，湍流发生器功率为37.5kw，由功率准数的流态化判定准则判定，本实用新型设计的湍流发生器可时中浓纸浆很好的流态化。

使用本实用新型设计的湍流发生器，与其它湍流发生器相比，具有水力效率高，剪切力强，气蚀性能好等优点，提高了泵的中浓纸浆输送能力。实现了中浓纸浆悬浮液流体化和分离气体的作用，解决了中浓纸浆因缺乏自身流动性和气含率过大而引起的的输送难题。 

Claims (6)

1.一种中浓纸浆泵湍流发生器，所述湍流发生器安装于泵叶轮前端，与泵叶轮安装于同一轴上，湍流发生器由轮毂和固定在轮毂上的螺旋形叶片组成，其特征在于：螺旋形叶片由进口面、工作面、背面、出口面和外缘面组成；其中工作面为三维空间曲面，由进口边、叶片外缘型线和出口边组成，背面由工作面等厚度加厚而成；进口边垂直于轴线方向，出口边也垂直于轴线方向，进口边、出口边在圆周方向上转过一角度形成叶片包角。

2.如权利要求1所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述的进口面和出口面的半径都是螺旋形叶片厚度的一半。

3.如权利要求1所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述的螺旋形叶片沿轮毂的轴向方向展开，与轮毂垂直；螺旋形叶片与轮毂连接处以半径10～40mm的圆弧过渡。

4.如权利要求1所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述湍流发生器的螺旋形叶片数取泵叶轮叶片数的一半。

5.如权利要求1所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述湍流发生器的螺旋形叶片外径 取泵叶轮叶片进口直径，轴向总长度L由公式（1）确定其取值范围；所述叶片外缘型线采用变螺距与等螺距相结合的螺旋线型线，进口部分采用等螺距型线，出口部分采用变螺距型线；叶片等螺距部分轴向长度S由公式（2）确定，变螺距部分轴向长度为L ₁，

；

              （1）；

 

                        （2）；

其中，

；

     

；

其中：Q为泵体积流量，计量单位为m³/h；

为介质密度，计量单位为kg/m³；n为湍流发生器转速，计量单位为r/min；

为湍流发生器旋转角速度，计量单位为rad/s，由

确定；

为湍流发生器叶片外径，计量单位为m；d _h 为湍流发生器轮毂直径，计量单位为m，取（0.2~0.4）

；为介质流动轴向速度，计量单位为m/s；A为湍流发生器流道截面积，计量单位为m²；Z为湍流发生器叶片数，取泵叶轮叶片数的一半；δ为叶片厚度，计量单位为m，等于泵叶轮的叶片厚度；S为等螺距段轴向长度，计量单位为m；

为等螺距段包角，取（1/4—1/3）

，

为进口边与出口边在圆周方向上转过的角度，即叶片包角，取值为90o－120o；β为叶片外缘型线起始端的进口角，取25°。

6.如权利要求5所述的一种中浓纸浆泵湍流发生器，其特征在于：所述变螺距段的圆周方向展开长度y值由公式（7）确定：

   

  （7）；

变螺距段轴向长度x值由公式（8）确定：

   

 （8）；

等螺距段轴向长度x值由公式（9）确定：

         （9）；

其中L ₁为变螺距部分轴向长度；

为湍流发生器叶片外径，计量单位为m，取泵叶轮叶片进口直径；

为圆周方向每转过角度

时相对于湍流发生器出口的轴向长度；

为进口边与出口边在圆周方向上转过的角度，即叶片包角，取值为90o－120o；

为等螺距段包角，取（1/4—1/3）

；

为叶片外缘型线终端的出口角，指叶片外缘型线出口切线方向与圆周方向之间的夹角；β为叶片外缘型线起始端的进口角，指叶片外缘型线进口切线方向与圆周方向之间的夹角；所述出口角

取值为85o–90o；叶片外缘型线起始端的进口角β取25°。

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