CN106194763B - 高抗汽蚀的自吸离心泵 - Google Patents

Abstract

高抗汽蚀的自吸离心泵，包括泵体、泵盖、轴承架以及安装在泵轴上的叶轮，泵体上具有三个空腔，分别为吸水室、储液室以及压水室，储液室与吸水室、压水室相通，在吸水室的出口处安装有一整流环，整流环包括前侧的可抑制轴面进口回流和截面二次流的锯齿型环形挡板和后侧的环套；整流环前侧内圆周上间隔开设有若干槽，若干槽形成一圈锯齿型环形挡板，锯齿型环形挡板的上侧锯齿间隔小，间隔小的锯齿形成锯齿加密区；锯齿型环形挡板的左右两侧的锯齿的尺寸加长；环套的内圆与叶轮口环相配合，轴向尺寸与叶轮口环相一致；环套的外圆与泵体固定配合，前侧与吸水室的出口端面处平齐，后侧与泵体上的凸台平齐。本发明能够最大程度地减弱进口回流和预旋。

Description

高抗汽蚀的自吸离心泵

技术领域

本发明涉及一种高抗汽蚀的自吸离心泵，属于自吸离心泵技术领域。

背景技术

离心泵中由进口回流引起汽蚀的现象是普遍存在的，尤其在小流量工况下更易发生。叶轮进口处旋转的流体质点在离心力的作用下沿径向朝外运动，到外缘受到前盖板的阻碍，外缘处流体压力迅速升高迫使流体流回到进水管内，此后又随主流进入叶轮，这样就形成了回流。回流流体具有与叶轮旋转方向一致的周向旋转速度，回流与主流混合后，将旋转的能量传递给主流，使得主流产生预旋，并在旋转中心产生低压区，进而促使汽蚀发生。

自吸离心泵因其良好的自吸性能和工作稳定性，广泛地应用于农林排灌、市政排污、石化冶金和食品化工等领域。由于完成自吸过程需要泵体内储存足够的液体，自吸离心泵的吸水室往往设计为竖直方向的S型弯管，包括上下两个90°弯头。相关研究表明，弯头出口处的液体轴面速度分布存在明显的速度梯度，外侧流速较大，内侧流速较小，并且在弯头出口截面内存在对称与轴面的二次流旋涡。当弯头的弯曲半径R小于管径D时，轴面速度梯度更大，此时弯头出口内侧存在负方向的速度，即产生回流。然而，自吸离心泵中，由于受到泵体尺寸的限制，其弯头的弯曲半径R一般都小于管径D，并且弯头出口与叶轮进口距离较近。那么在自吸离心泵S型弯管与叶轮旋转的共同作用下，在叶轮进口上侧就更易产生回流，相反叶轮进口下侧得到缓解，这种非对称进口回流且伴有截面内二次流的复杂流动结构，紊乱地流入叶轮进口，致使自吸离心泵内更易产生汽蚀。众所周知，汽蚀现象造成低频压力脉动，产生机械振动，消耗能量，严重时还会造成叶片破损，降低泵的运转可靠性和工作性能。

现有技术中，有通过在吸水室靠近叶轮进口处添加隔板，以防止液体预旋，也有在普通离心泵吸水室靠近叶轮进口处加芯管或回流套，使回流液体沿直形流道回流，目的也是防止主流预旋，一定程度上控制了叶轮来流预旋，抗汽蚀性能有所提高。但是，还没有发现通过某种结构从根本上防止或减弱进口回流，以提高抗汽蚀性能。以解决上述技术问题，针对自吸离心泵的特殊结构，本发明提出一种具有高抗汽蚀性能的自吸离心泵泵体结构，能较大程度阻止进口回流，并减弱叶轮进口来流预旋和二次流现象，使液体能更加均匀地流入叶轮，抗汽蚀性能大幅提高。

发明内容

为了克服现有技术存在对上述不足，本发明提供一种能够最大程度地减弱进口回流和预旋，从而提高抗汽蚀性能，并降低汽蚀诱发的振动的高抗汽蚀的自吸离心泵。

本发明采用的技术方案是：

高抗汽蚀的自吸离心泵，包括泵体、泵盖、轴承架以及安装在泵轴上的叶轮，轴承架上设有轴承，轴承内设有泵轴，轴承架一侧设有泵盖；泵体上具有三个空腔，分别为吸水室、储液室以及压水室，储液室与吸水室、压水室相通，其特征在于：

在所述的吸水室的出口处安装有一整流环，所述的整流环包括前侧的可抑制轴面进口回流和截面二次流的锯齿型环形挡板和后侧的环套；所述的整流环前侧内圆周上间隔开设有若干槽，若干槽形成一圈锯齿型环形挡板，锯齿型环形挡板的上侧锯齿间隔小，间隔小的锯齿形成锯齿加密区；锯齿型环形挡板的左右两侧的锯齿的尺寸加长；所述的环套的内圆与叶轮口环相配合，轴向尺寸与叶轮口环相一致；所述的环套的外圆与泵体固定配合，前侧与吸水室的出口端面处平齐，后侧与泵体上的凸台平齐。

所述的锯齿型环形挡板的轴向厚度δ为8mm～20mm，环套的厚度δ_h为5mm～15mm，取值时δ大于δ_h。由于整流环受力不大，故其厚度能满足自身强度要求及安装定位要求即可，大泵取大值，小泵取小值，一般δ略大于δ_h。

所述的锯齿型环形挡板的普通锯齿高度h＝k·D₀，其中D₀为叶轮进口直径，齿高系数k取值范围为1/20～1/15，左右两侧加长锯齿的高度为1.5h～2.5h。

锯齿周向宽度以其所跨越弧度对应的圆心角θ计，非加密区的锯齿间隙对应圆心角ω与锯齿周向宽度对应圆心角θ相同，θ值在5°、6°、7.5°、9°和10°中选取。

所述的锯齿来流侧的端面为15°～35°的斜面。

所述的锯齿的齿根及各边缘具有倒圆角结构。

所述的环套与叶轮口环同轴设置，前后留有2～4mm的间隙。

所述的环套的外圆与泵体的配合方式为H7/js6。

所述的环套的后侧与泵体在配合圆周上等分设置有三个对整流环的周向和轴向起固定作用的骑缝螺钉，防止由于水力冲击发生窜动。

本发明中，由于吸水室出口处轴面和截面速度分布不均，整流环锯齿间隔及其长度必须做相应调整，以约束对应的流动结构。由吸水室结构决定叶轮进口靠近前盖板处易发生回流，故整流环的上侧锯齿间隔小，密集的锯齿可阻挡回流，即使小部分液体沿缝隙回流，也消除了周向速度，不会对主流造成影响。为减弱断面内的二次流现象，整流环左右两侧锯齿尺寸加长，打破二次流旋涡。锯齿来流侧斜切15°～35°的角度，即斜面与整流环左端面夹角在15°～35°之间，并对齿根及各边缘进行倒圆角，以减小水力损失。

锯齿高度自叶轮进口边向轴心方向算起，本发明选用锯齿高度h＝k·D₀，其中D₀为叶轮进口直径，k＝(1/20～1/15)为齿高系数，设计时可根据泵对汽蚀性能要求的程度，在此范围内选取齿高系数k。左右两侧加长锯齿高度过大则会影响流动的稳定性，太小又不能达到预期效果，经过分析本发明确定左右两侧加长锯齿高度为普通齿高的1.5～2.5倍，即1.5h～2.5h。

本发明中，为了确保锯齿为整数且加长锯齿位于左右两侧，故180°为2θ的整数倍，兼顾整流效果和加工方便性确定θ值在5°、6°、7.5°、9°和10°中选取。根据叶轮进口尺寸的大小，实际锯齿宽度随D₀的增大而增大，为避免实际锯齿宽度过大或过小，一般D₀较大时选小值，D₀较小时选大值。选定k和θ以后，通过调整加密区的锯齿间隙，可以确定最终的锯齿个数n。为了避免截面积减小使速度增大带来的不利影响，给锯齿挡板面积补偿，根据已选定的k和θ值以及锯齿个数n，进行面积补偿计算，最终得到锯齿根部所在圆周直径D_g，推算出其表达式为：

本发明的有益效果体现在：

1、可有效减弱进口回流和截面内二次流旋涡，防止叶轮进口液体发生预旋，均匀地流如叶轮，从而减小因进口回流导致的汽蚀和低频压力脉动，实现该装置的预期效果。

2、由于原水力未有改动，液体流速也未发生明显增大后减小，不会因此产生旋涡，故不会影响泵的扬程和效率。

3、同时整流环还可起到泵体耐磨环的作用，便于拆卸更换，避免对泵体的磨损，降低用户的使用成本。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明整流环配合处局部放大图。

图3a是本发明整流环主视图。

图3b是本发明整流环侧视图。

图4是本发明和模型泵的振动对比示意图。

图5是本发明和模型泵的汽蚀余量对比示意图。

图中：1-泵体，2-吸水室，3-骑缝螺钉，4-整流环，5-叶轮，6-储液室，7-压水室，8-泵盖，9-轴承架，10-泵轴。

具体实施方式

实施例1

参照图1至图3b，高抗汽蚀的自吸离心泵，包括泵体1、泵盖8、轴承架9以及安装在泵轴10上的叶轮5，轴承架9上设有轴承，轴承内设有泵轴10，轴承架9一侧设有泵盖8；泵体1上具有三个空腔，分别为吸水2室、储液室6以及压水室7，储液室6与吸水室2、压水室7相通，在所述的吸水室2的出口处安装有一整流环4，所述的整流环4包括前侧的可抑制轴面进口回流和截面二次流的锯齿型环形挡板41和后侧的环套42；所述的整流环4前侧内圆周上间隔开设有若干槽，若干槽形成一圈锯齿型环形挡板41，锯齿型环形挡板41的上侧锯齿间隔小，间隔小的锯齿形成锯齿加密区；锯齿型环形挡板41的左右两侧的锯齿的尺寸加长；所述的环套42的内圆与叶轮5口环相配合，轴向尺寸与叶轮5口环相一致；所述的环套42的外圆与泵体1固定配合，前侧与吸水室2的出口端面处平齐，后侧与泵体1上的凸台平齐。

所述的锯齿型环形挡板41的轴向厚度δ为8mm～20mm，环套42的厚度δ_h为5mm～15mm，取值时δ大于δ_h。

所述的锯齿型环形挡板41的普通锯齿高度h＝k·D₀，其中D₀为叶轮进口直径，齿高系数k的范围为1/20～1/15，左右两侧加长锯齿411的高度为1.5h～2.5h。

锯齿周向宽度以其所跨越弧度对应的圆心角θ计，非加密区的锯齿间隙对应圆心角ω与锯齿周向宽度对应圆心角θ相同，θ值在5°、6°、7.5°、9°和10°中选取。

所述的锯齿来流侧的端面为15°～35°的斜面。

所述的锯齿的齿根及各边缘具有倒圆角结构。

所述的环套42与叶轮5口环同轴设置，前后留有2～4mm的间隙。

所述的环套42的外圆与泵体1的配合方式为H7/js6。

所述的环套42的后侧与泵体1在配合圆周上等分设置有三个对整流环的周向和轴向起固定作用的骑缝螺钉3。

所述环套42内圆与叶轮5口环配合，如图2所示，位保证足够的轴向配合尺寸，在配合前后留2～4mm的间隙，同时必须保证两配合面的同轴度。所述锯齿形挡板上侧为锯齿加密区，目的在于更加有效地阻挡进口回流，左右两侧锯齿加长以打破截面内的二次流旋涡，这样经过调整的锯齿形挡板对叶轮进口流动结构的改善效果良好。

实施例2

本实施例提出的一种高抗汽蚀的自吸离心泵，其中，骑缝螺钉3选用不锈钢材料，防止因冲蚀或锈蚀而不能拆卸。

如图3a和3b所示，叶轮进口直径D₀＝80mm，锯齿挡板轴向厚度δ＝8mm，环套厚度δ_h＝5mm。本实施例选取k＝1/16,即锯齿高度h＝1/16D₀，加长齿高度为2倍的h，即2h＝1/8D₀，锯齿周向宽度和间隙对应圆心角θ＝ω＝6°。锯齿加密区最顶端的锯齿两侧间隙最小ω₁＝1°，然后到非加密区逐渐过度，过度的间隙分别为ω₂＝1.5°、ω₃＝2.5°、ω₄＝3.5°、ω₅＝4.5°和ω₆＝5°，由此最终确定锯齿数n＝33，且整个整流环4结构对称于中间轴面。为了避免锯齿挡板处截面积减小而后又增大，致使速度突然增大又减小发生旋涡，给锯齿挡板面积补偿，根据以选定的k和θ值以及锯齿个数n，通过公式一进行面积补偿计算：

对计算值圆整得D_g≈91mm。锯齿来流侧斜切30°，并对各边缘进行倒圆角，同时对吸水室2出口倒圆角，以减小水力损失。

其余实施方式与实施例1相同。

为了更加明确详尽地了解本发明的有益效果，本实施例中，分别对模型泵和本发明改进后的泵进行数值模拟，模型泵参数为：设计流量Q_d＝50m³/h，扬程H＝80m。图4为数值模拟对本发明和模型泵的振动监测结果，以及与国家标准GB/T 29531-2013要求的对比情况。按照标准根据模型泵的转速和中心高度查表可知其属于第二类泵，第二类泵的B级要求为2.8mm/s，可见模型泵在0.85Q_d及其以上流量工况下的振动满足标准要求，但是小流量工况下振动远远超过标准限定值，严重影响泵运转稳定性及可靠性。使用本发明改进的泵体之后可以发现，小流量工况下的振动得到极大改善，明显低于标准限定值，而大流量工况下与模型泵振动强度相当。观察图5发现，在小流量工况下本发明改进后的泵汽蚀余量明显低于模型泵，大流量工况下相当。通过数值模拟结果对比分析可知，正是由于易产生进口回流的小流量工况下，整流环4对其产生了抑制作用，使液体均匀无预旋地流入叶轮进口，降低泵的必须汽蚀余量，大幅提高了泵的抗汽蚀性能，降低了汽蚀所诱发的低频振动强度。可见，本发明所提出的一种高抗汽蚀的自吸离心泵泵体可达到预期效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明这些修改属于本发明权利要求以及等同技术的范围之内，则本发明的意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.高抗汽蚀的自吸离心泵，包括泵体、泵盖、轴承架以及安装在泵轴上的叶轮，轴承架上设有轴承，轴承内设有泵轴，轴承架一侧设有泵盖；泵体上具有三个空腔，分别为吸水室、储液室以及压水室，储液室与吸水室、压水室相通，其特征在于：

在所述的吸水室的出口处安装有一整流环，所述的整流环包括前侧的可抑制轴面进口回流和截面二次流的锯齿型环形挡板和后侧的环套；所述的整流环前侧内圆周上间隔开设有若干槽，若干槽形成一圈锯齿型环形挡板，锯齿型环形挡板的上侧锯齿间隔小，间隔小的锯齿形成锯齿加密区；锯齿型环形挡板的左右两侧的锯齿的尺寸加长；所述的环套的内圆与叶轮口环相配合，轴向尺寸与叶轮口环相一致；所述的环套的外圆与泵体固定配合，前侧与吸水室的出口端面处平齐，后侧与泵体上的凸台平齐。

2.如权利要求1所述的高抗汽蚀的自吸离心泵，其特征在于：所述的锯齿型环形挡板的轴向厚度δ为8mm～20mm，环套的厚度δ_h为5mm～15mm，取值时δ大于δ_h。

3.如权利要求2所述的高抗汽蚀的自吸离心泵，其特征在于：所述的锯齿型环形挡板的普通锯齿高度h＝k·D₀，其中D₀为叶轮进口直径，齿高系数k的取值范围为1/20～1/15，左右两侧加长锯齿的高度为1.5h～2.5h。

4.如权利要求3所述的高抗汽蚀的自吸离心泵，其特征在于：锯齿周向宽度以其所跨越弧度对应的圆心角θ计，非加密区的锯齿间隙对应圆心角ω与锯齿周向宽度对应圆心角θ相同，θ值在5°、6°、7.5°、9°和10°中选取。

5.如权利要求4所述的高抗汽蚀的自吸离心泵，其特征在于：所述的锯齿来流侧的端面为15°～35°的斜面。

6.如权利要求5所述的高抗汽蚀的自吸离心泵，其特征在于：所述的锯齿的齿根及各边缘具有倒圆角结构。

7.如权利要求6所述的高抗汽蚀的自吸离心泵，其特征在于：所述的环套与叶轮口环同轴设置，前后留有2～4mm的间隙。

8.如权利要求7所述的高抗汽蚀的自吸离心泵，其特征在于：所述的环套的后侧与泵体在配合圆周上等分设置有三个对整流环的周向和轴向起固定作用的骑缝螺钉。