CN103696982A - 一种可自动切割纤维的污水轴流泵叶轮结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可自动切割纤维的污水轴流泵叶轮。该叶轮的特征在于：叶片进口边(22)顺着液体的来流方向后掠，杂物在液体的带动下进入叶轮后在叶轮高速旋转离心力作用下会从进口边轮毂侧(27)向进口边轮缘侧(28)运动，采用椭圆型超厚圆弧翼型的叶片进口形状(37)，使长纤维等物质不易悬挂在进口圆弧(37)上，在进口边不平衡作用力下自动滑移。少量叶轮轮缘处的纤维通过转轮室内壁面(40)上的槽(41)和叶轮轮缘(26)相配合形成铣刀结构，实现自动切割，从流体力学角度创新了叶片结构，最终解决了叶轮轮毂、叶片进口边以及叶轮轮缘处杂物缠绕技术难题，同时减少了杂物对于进口边的磨损，该叶轮可长期无堵塞运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以输送污水介质轴流泵叶轮结构，特别涉及输送含有大直径颗粒、长纤维介质的泵叶轮设备，属于污水输送设备技术领域。
背景技术
目前市场上的污水泵的结构形式较多，80％以上的污水泵属于离心泵范围，常见的产品有单、双流道泵，螺旋离心泵和旋流泵。然而由于离心泵固有的局限性，上述污水泵并不适用于大流量，低扬程的使用工况。在污水处理厂中，很多场合需用到大流量、低扬程的轴流泵叶轮结构，目前已有大量潜水轴流泵应用于污水处理厂的污水输送中。污水介质中常带有各种形状的纤维、颗粒等生活杂物，这些杂物与污水共同形成多相流复杂流动，污水介质在通过叶轮时，常出现堵塞、叶顶悬挂纤维等故障，情况严重是，叶轮被污染物卡死不能旋转，导致电机烧毁等故障。
一般来说，轴流泵的主要过流部件由进口段，叶轮，转轮室，导叶以及出口段五个主要部分组成，轴流泵在抽送含长纤维或大颗粒的污水时，电机通过轴连接叶轮，使叶轮叶片旋转对流体做功，产生压力能和速度能。由于叶轮高速旋转，常会因为转轮室内的叶轮缠绕杂物而导致泵堵塞，从污水处理厂事故现场发现叶轮轮毂、轮缘以及叶片进口边是最容易发生杂物缠绕的位置，如图1所示。从叶轮平面图可以看出轮毂侧的叶片进口边会对纤维等固体杂物产生垂直于叶片进口边的作用力，同时因为轮毂处的流体旋转离心力较小，如果纤维等固体杂物在叶片进口处摩擦力的离心力分量大于其旋转离心力，那么纤维等固体杂物就不会向轮缘的方向运动而是聚集在轮毂处从而发生轮毂处纤维缠绕。同样在流体旋转离心力的作用下大量的纤维等杂质将移动到轮缘处，长期运行，纤维将堆积在轮缘叶尖处，而叶轮轮缘和转轮室内壁面的间隙通常只有0.5mm左右，此时如果轮缘处发生纤维缠绕，就很容易堵塞流道。同时，传统的轴流泵翼型的进口通常是由半径为1mm左右的圆弧组成，如图2所示，当有长纤维等杂物悬挂在进口处时，较小的圆弧会使得长纤维在进口处形成较小的锐角夹角，这不利于长纤维杂物在上升力的作用下进入叶轮流道内，进而导致长纤维等物质缠绕在进口处，进而堵塞流道并影响泵的通过性能和运行效率，降低泵的可靠性和使用寿命。叶轮缠绕时需停机处理，将使泵维修率提高，进而影响工作效率并耽误工业生产。由此可见，轴流泵叶轮的堵塞问题是当前社会急需解决的一项关键技术。
经检索，已公开的专利“前掠叶片轴流泵叶轮”(申请号：201110375438.4)，其采用叶片进口边前掠的设计形式，该结构使流进叶轮进口边的杂物首先与轮缘侧接触并在轮缘侧叶片的旋转作用下，从轮缘侧向轮毂侧移动，并随着旋转的叶片进入流道，避免轮缘处的缠绕。但是前掠形式的叶片进口边会阻碍直接流入轮毂侧处的杂物向轮缘侧处运动，使得长纤维等杂物容易在轮毂处发生缠绕和堵塞，如图3所示，轮毂侧的杂物会受到垂直于进口边的作用力，该作用力和离心力成钝角，这会阻碍轮毂处的杂物向轮缘方向运动，并聚集在轮毂处，影响泵的通过性能以及效率和扬程。同时因为叶片进口边逆着来流方向，所以叶片进口边会更易受到到杂物的冲击磨损，减短其使用寿命。
发明内容
为解决上述问题，本专利发明了一种可自动切割纤维的污水轴流泵叶轮结构，根据固体颗粒和纤维在泵进口运动力学特性，在叶片进口边轮缘侧叶片往后延展，并形成一种后掠形式，纤维从轮毂侧可在离心力作用下向轮缘运动，随着叶轮圆周半径增大，叶片逐渐后掠，纤维和固体颗粒在进口轴向速度的冲击下，顺利往流道中部运动，从流体力学角度解决了常规叶片叶片轮缘侧积聚纤维的问题。同时翼型进口处采用一种新型翼型截面结构，叶片进口翼型采用椭圆型超厚进口截面形状，当进口边悬挂纤维时，纤维受到水力冲击力，由自身受到的不平衡力可进一步运动，不能静止悬挂在进口边导致堵塞流道。当叶轮进口的纤维等物质会在叶轮旋转所产生的离心力作用下沿着后掠形式的进口边向叶轮外缘运动，并在水流轴向冲击力的作用进入流道内，不可避免，少量与叶片相互作用的纤维或者颗粒也将在叶轮叶片外缘集聚，为了解决该问题，叶轮外缘对应的转轮室内壁面上开铣槽，通过叶轮外缘和槽相配合，可实现自动切割叶轮外缘处的纤维。这样可保持叶轮外缘无纤维缠绕，污水泵叶轮长期可靠运行。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：轴流泵叶轮采用3叶片结构，即可以增大叶片载荷，也可以形成较大的纤维通过空间，可自动切割纤维的轴流泵叶轮的平面投影图，随着叶片半径增大，翼型水流方向逐渐移动，在叶片进口边形成后掠结构，在叶片进口叶尖处，为进口边与轮缘边采用圆弧光滑过渡，可避免形成尖角，解决悬挂污染物问题。叶片进口边在轮毂和轮缘处的端点分别和旋转中心用直线相连，两条直线间的夹角形成后掠角度。从固体在流体中的实际运行规律出发，本方案中、后掠角为40度至90度之间。如图4所示，在轮毂侧的固体受到叶片进口边的压力，离心力以及摩擦力，加大后掠角后摩擦力在离心力方向的分量大小明显减小，同时压力和离心力的夹角为锐角，这就使得离心力方向上的合力必然指向叶轮外缘处，此时纤维等杂质就不易停滞在轮毂处而是向轮缘处运动。轴流叶轮叶片进口由椭圆型超厚圆弧状构成的，使悬挂在进口边上的纤维不易形成过小的锐角夹角，这有利于悬挂在进口边上的纤维在水流冲击力的作用顺利与水混合流入流道。同时在与叶片外缘对应的转轮室内壁面上开槽，使之与旋转的叶片外缘配合切割轮缘处的纤维。这样轮毂，叶片进口边，以及轮缘处都不易缠绕纤维，提高了污水污物的通过能力与运行效率。
本发明的有益效果是，避免了轮毂、叶片进口边和轮缘的纤维缠绕，同时减少了固体对进口边的冲击磨损，提高了叶轮寿命，在泵运行过程中真正实现无堵塞，可长期无故障运行。
附图说明
图1为一般轴流泵叶轮结构的平面图。
图2为一般轴流泵翼型的展开图。
图3为前掠叶片轴流泵叶轮的轴面图。
图4为后掠式轴流泵叶轮叶片的平面图。
图5为一种可切割纤维的轴流泵翼型展开图。
图6为一种可切割纤维的轴流泵叶轮结构的平面图。
图7为一种可切割纤维的轴流泵叶轮结构的轴面图。
图8为一种可切割纤维的轴流泵叶轮结构的三维流线图。
图1中：1.叶片进口边，2.叶片出口边，3.轮毂，4.轮缘，5.壁面，6.固体杂质，7.进口边对固体产生的压力，8.固体所受的离心力，9.进口边对固体的摩擦力。
图2中：10.翼型工作面，11.翼型背面，12.进口圆弧，13.长纤维，a是长纤维形成的夹角。
图3中：14.叶片进口边，15.叶片出口边，16.进口轮毂侧，17.进口轮缘侧，18.固体杂质，19.进口边对固体产生的压力，20.固体所受的离心力，21.进口边对固体的摩擦力。
图4中：22.叶片进口边，23.叶片出口边，24.叶片，25.轮毂，26.轮缘，27.进口边轮毂侧，28.进口边轮缘侧，29.旋转中心，30.进口边轮毂侧和旋转中心的连线，31.进口边轮缘侧和旋转中心的连线，22.进口边对固体产生的压力，33.固体所受的离心力，34.进口边对固体的摩擦力，θ为叶片进口边后掠角度，R为进口边的圆弧半径。R1为靠近轮缘处叶片进口边的圆弧半径。
图5中：35.叶片工作面，36.叶片背面，37.进口圆弧，38.长纤维，39.弦长，δmax为翼型厚度的最大值，S为δmax在弦长方向上与进口圆弧的距离，γ为叶片的安放角，β为长纤维形成的夹角。
图6中：40.转轮室内壁面，41.槽，W是槽的宽度，h是槽的深度。
图7中：L是槽的长度，L1是叶轮外缘长度。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
图4为后掠式轴流泵叶片的平面图，主要由叶片进口边22，叶片出口边23，轮毂25，轮缘26组成。叶轮叶片数取3枚，3枚叶片在圆周方向均匀布置，叶轮进口轮毂侧27和旋转中心29的连线30以及进口轮缘侧28和旋转中心29的连线31，这两条直线间的夹角为叶片进口边的后掠角θ，取40°至90°之间。进口边的圆弧半径R等于轮缘26的半径，靠近轮缘处叶片进口边的圆弧半径R1在后掠角为40°时取值10mm，后掠角为90°时取值为20mm，在40°和90°之间的圆弧半径R1在10-20mm之间线性变化。
叶片进口翼型设计如图5所示，该轴流泵翼型的进口圆弧37的半径为2～3mm，此时悬挂在进口圆弧上的长纤维所形成的夹角β不会太小，易受上升力的作用而进入流道。翼型的最大厚度δmax在弦长方向上与进口圆弧的距离S通常为整个弦长的1/3，轮缘处翼型的最大厚度δmax通常为轮缘直径的0.03倍，轮毂处的翼型的最大厚度是轮缘处的1.5倍左右，轮缘和轮毂间的翼型最大厚度按线性变化。翼型的安放角γ则可以根据传统轴流泵翼型安放角的计算方法来决定。
图6和图7几何参数共同确定了可切割纤维的轴流泵叶轮结构，主要由叶片进口边22，叶片出口边23，叶片24，轮毂25，轮缘26，转轮室内壁面40，槽41等决定。叶轮在高速旋转的过程中，流进叶轮进口边24的纤维等杂物在旋转作用下会从轮毂25向进口轮缘26运动，其中大部分纤维进入流道通过，但仍还会有一少部分纤维移动到轮缘处，当叶轮轮缘处的纤维随着轮缘旋转到槽41的位置时，轮缘上缠绕的纤维会在离心力的作用下部分进入槽内，叶轮外缘面与切割槽形成铣刀结构，当叶轮轮缘26远离槽41时，叶轮轮缘会将纤维从轮缘处切开并切碎，切碎后的纤维在流体介质的冲击下而流出叶轮，从而防止轮缘处的纤维缠绕。
槽的数量根据叶片数来决定，一般和叶片数相同并均布，槽的长度L取叶轮轴面图上的叶轮外缘长度L1的1.1倍。槽的宽度W要大于叶轮轮缘处厚度以及纤维等杂物的直径，一般而言叶轮轮缘处厚度要大于纤维等杂物的直径，所以，槽的宽度W一般为叶轮轮缘处厚度的1到2倍，同时槽的深度h是其宽度的一半以上。
Claims (4)
1.一种可自动切割纤维的污水轴流泵叶轮结构，其特征在于：所述的叶轮的叶片进口边(22)顺着液体的来流方向后掠，以避免进口边轮毂侧(27)阻碍纤维等杂物向向轮缘处移动。该轴流泵翼型采用进口圆弧(37)加大的方法，以避免长纤维等杂物缠绕在进口圆弧(37)上。转轮室内壁面(40)开槽(41)，使轮缘(26)和槽(41)配合切割轮缘处的纤维等杂物，这种创新结构提高了纤维等固体缠绕物的通过能力以及进口边的抗磨损性。
2.如权利要求1所述的一种可自动切割纤维的污水轴流泵叶轮结构，其特征在于：进口轮毂侧(27)和旋转中心(29)的连线(30)以及进口轮缘侧(28)和旋转中心(29)的连线(31)，这两条直线间的夹角为叶片进口边的后掠角θ，取40°至90°之间。进口边的圆弧半径R等于轮缘(26)的半径，靠近轮缘处叶片进口边的圆弧半径R1在后掠角为40°时取值10mm，后掠角为90°时取值为20mm，在40°和90°之间的圆弧半径R1在10-20mm之间线性变化。
3.如权利要求1所述的一种可自动切割纤维的污水轴流泵叶轮结构，其特征在于：该轴流泵翼型的进口圆弧(37)的半径为2～3mm，此时悬挂在进口圆弧上的长纤维所形成的夹角β较大，易受上升力的作用而顺利进入叶轮流道。翼型的最大厚度δmax在弦长方向上与进口圆弧的距离S通常为整个弦长的1/3，轮缘处翼型的最大厚度δmax通常为轮缘直径的0.03倍，轮毂处的翼型的最大厚度是轮缘处的1.5倍左右，轮缘和轮毂间的翼型最大厚度按线性规律变化。
4.如权利要求1所述的一种可自动切割纤维的污水轴流泵叶轮结构，其特征在于：在转轮室的内壁面(40)上开槽(41)，槽(41)的位置与叶轮轮缘相对应，槽的数量根据叶片数和叶片数相同并均布，槽的长度L比叶轮轴面图上的叶轮外缘长度L1长10％。槽的宽度W要大于叶轮轮缘处厚度和纤维等杂物的直径，一般而言叶轮轮缘处厚度要大于纤维等杂物的直径，槽的宽度W一般为叶轮轮缘处厚度的1到2倍，槽的深度h是其宽度的一半以上。
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