CN107152413A - 一种复合式的低脉动离心叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式的低脉动离心叶轮，包括叶轮前盖板、叶轮后盖板、内圈叶片以及外圈叶片，所述外圈叶片的数量大于所述内圈叶片的数量；本发明的复合式的低脉动离心叶轮通过在径向设置不同数量的叶片，尤其是在外圈设置的叶片数大于内圈的叶片数，满足了更高效率、更优振动和噪声性能的需求。

Description

一种复合式的低脉动离心叶轮

技术领域

本发明涉及低脉动离心叶轮技术领域，具体涉及一种复合式的低脉动离心叶轮。

背景技术

离心叶轮通过叶轮旋转使流体形成离心运动甩向叶轮外缘获得动能。由于叶轮叶片为有限个数，旋转叶轮中的流体由于惯性存在会形成与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡，这种轴向旋涡在叶片间的区域内存在。叶轮中流体的实际流动情况可以近似看作这种轴向旋涡和流经静止叶轮的贯流的叠加。上述叠加的效果导致了叶片背面相对速度较大、叶片工作面相对速度较小，从而产生叶轮出口速度滑移，即在叶片间的空间靠近叶轮出口处的绝对速度的大小和方向都发生了一定的变化。上述出口速度的滑移带来了两个不利影响，一是造成叶轮扬程系数降低，达到同样扬程需要更大的叶轮外径，从而带来更多的摩擦损失；二是造成叶轮出口处圆周方向上的流体速度分布不均匀。叶频及其倍频成分是离心泵压力脉动的主要频率成分，其主要是由叶片与蜗壳/导叶的动静干涉产生。叶轮出口轴向流速的不均匀性又会加剧动静干涉效应，从而加剧离心泵的振动和噪声。

为了解决上述问题，有研究者提出了一些改善方案，例如授权公告号为CN205089683U的专利文献公开了一种叶轮，包括上盖板、叶片以及下盖板，叶片设置于上盖板和下盖板之间，上盖板包括上表面和下表面，叶片与上盖板一体注塑成形，叶片位于上盖板的下表面，叶片包括长叶片和短叶片，长叶片和短叶片均包括一段圆弧或者多段圆弧的组合或者多段圆弧与直线的组合，长叶片的圆弧长度大于短叶片的圆弧长度，长叶片沿上盖板圆周均匀分布，短叶片沿上盖板圆周均匀分布，长叶片和短叶片的数量相同，长叶片和短叶片沿上盖板的圆周方向间隔排布，该结构提高低比转速离心泵的效率，但该设计无法有效缓解叶轮出口速度滑移带来的不利影响，而且该短叶片布置方法会带来额外的摩擦损失。

因此又有研究者提出了新的技术方案，例如授权公告号为CN205117796U的专利文献公开了一种低比转速离心泵叶轮，在保持叶片工作面型线不变的情况下在叶片背面设置一增厚垫块，使叶片厚度从入口到出口方向逐渐变厚。该实用新型通过增加叶片厚度来堵塞流道，并按叶轮流道内空间体积相等来扩大叶轮流道的宽度，确保了叶轮需要的体积和流量，即使出口处叶片间距减小，而增加宽度，确保横截面积不变即可，从而满足叶轮小流量高扬程的性能。该叶轮存在的问题是为了达到足够扬程需要更大的叶轮外径，从而带来更多的摩擦损失，而且该叶轮布置形式将导致流体在叶轮出口的速度分布不均匀，从而加剧泵的振动、噪声问题。

又例如申请公布号为CN105889123A公开了一种新结构低比转速离心泵的叶轮，其叶片是由前排叶片和后排叶片组成的串列叶栅结构，有利于提高泵的运行效率。

该叶轮虽然与本发明中所介绍的叶轮在叶片分布型式上都设置了内外圈叶片，但是该叶轮在设计思想及意图上与本发明存在关键差异，该叶轮旨在引入串列叶栅结构来改变叶轮内的流场以提高泵的运行效率。

发明内容

本发明提供了一种复合式的低脉动离心叶轮，在提高扬程系数的同时避免了入口处排挤系数过高带来的不利影响。

一种复合式的低脉动离心叶轮，包括叶轮前盖板、叶轮后盖板、内圈叶片以及外圈叶片，所述外圈叶片的数量大于所述内圈叶片的数量。

本发明在径向上设置了内外两圈叶片，内圈采用较少的叶片数，外圈采用较多的叶片数，较多的外圈叶片数有利于提高扬程系数，较少的内圈叶片则避免了入口处排挤系数过高带来的不利影响。内圈叶片和外圈叶片采用后掠形式。

优选的，所述内圈叶片的长度大于外圈叶片。所述外圈叶片数量较多，选取较短的外圈叶片长度能够做到在充分利用所述外圈叶片数量较多能够提高扬程系数、抑制二次流生成、提高振动性能的优势的同时，避免了叶片排挤系数过高的缺点。

优选的，所述内圈叶片的数量为3～7片。既能实现给工作介质做功的目的，也能有效避免叶片排挤系数过高，提高汽蚀性能。进一步优选的，所述内圈叶片的数量为3～5片。进一步优选的，所述内圈叶片的数量为5～7片。较少的所述内圈叶片数量可以进一步控制叶片排挤系数，提高汽蚀性能；适当较多的所述内圈叶片数量可以提高所述内圈叶片扬程系数，从而减小叶轮外径。

优选的，所述外圈叶片的数量与所述内圈叶片的数量的比值为a，1＜a＜5。较多的外圈叶片数量可以有效提高扬程系数、抑制二次流生成、提高振动性能；较少的内圈叶片数量可以有效控制排挤系数，降低入口流速，提高汽蚀性能。

优选的，所述内圈叶片的内径为D1，所述内圈叶片的外径为D2，所述外圈叶片的内径为D3，所述外圈叶片的外径为D4，D3：D2＝0.9～1.3，D4：D2＝1.2～1.8。

所述叶片包括相对靠近叶轮中心的叶片前缘和相对远离叶轮中心的叶片尾缘，叶片前缘到叶轮中心的距离称为叶片的内径，叶片的尾缘到叶轮中心的距离称为叶片的外径。

为了优化离心泵的水力性能，改善离心泵的振动噪声性能，提高运行效率，优选的，所述内圈叶片的工作面出口角为β1，背面出口角为β2；所述外圈叶片的工作面入口角为β3，背面入口角为β4；所述外圈叶片的工作面出口角为β5，背面出口角为β6；

β1＝15°～45°，β6＝15°～45°，|β2-β1|＜10°，|β3-β1|＜10°，|β4-β3|＜10°。进一步优选的，β1＝15°～30°，β6＝15°～30°，|β2-β1|＜5°，|β3-β1|＜5°，|β4-β3|＜5°。进一步优选的，β1＝30°～45°，β6＝30°～45°，|β2-β1|＜5°，|β3-β1|＜5°，|β4-β3|＜5°。

叶片工作面的叶片安放角是叶片凸面表面切线与圆周方向的夹角，叶片背面的叶片安放角是叶片凹面表面切线与圆周方向的夹角，叶片内径处的叶片安放角是叶片入口角，叶片外径处的叶片安放角是叶片出口角。

为了进一步降低振动，提高效率，优选的，优选的，所述内圈叶片厚度沿其型线变化，中部厚度最大,中部厚度为两端厚度的2～6倍，且β1＜β2。同时外圈叶片选用变厚度叶片，使叶片工作面出口角小于背面出口角，以增大叶片工作面相对速度，减小叶片背面相对速度，从而让叶轮出口速度分布更加均匀有效降低离心泵整体振动，提高离心泵的效率。

优选的，其特征在于，所述外圈叶片的数量与所述内圈叶片数量的n倍，n为整数。n为整数倍可以体现出叶轮中叶片分布的周期性，从而简化叶片布置，为进一步差异化设置所述外圈叶片的圆周方向分布和所述外圈叶片的叶片安放角提供可行性及便利性。

为了优化离心泵的水力性能，改善离心泵的振动噪声性能，提高运行效率，优选的，优选的，所述的外圈叶片按顺序分为n组，每组中，从位于所述长叶片后掠方向上第一片所述外圈叶片起始到该组最后一片所述外圈叶片结束，各外圈叶片的β3依次减小。

所述内圈叶片的后掠方向上的第一片所述外圈叶片起始到该组最后一片叶片共n片所述外圈叶片为一组，对应该所述内圈叶片，上述n为所述外圈叶片数量对于所述内圈叶片数量的倍数。

为了优化离心泵的水力性能，改善离心泵的振动噪声性能，提高运行效率，优选的，任一外圈叶片的工作面前缘与轴心的连线和该外圈叶片后方的外圈叶片的工作面前缘与轴心的连线构成的夹角为α；

所述的外圈叶片按顺序分为n组，每组中，从位于所述长叶片后掠方向上第一片所述外圈叶片起始到该组最后一片所述外圈叶片结束，各外圈叶片之间的α依次减小。

本发明的有益效果：

本发明的复合式的低脉动离心叶轮通过在径向设置不同数量的叶片，尤其是在外圈设置的叶片数大于内圈的叶片数，满足了更高效率、更优振动和噪声性能的需求。

附图说明

图1是实施例1的复合式的低脉动离心叶轮在前盖板和所述后盖板隐去后的结构示意图。

图2是实施例1的复合式的低脉动离心叶轮的结构示意图。

图3是实施例2的复合式的低脉动离心叶轮在前盖板和所述后盖板隐去后的结构示意图。

图4是实施例3的复合式的低脉动离心叶轮在前盖板和所述后盖板隐去后的结构示意图。

图5为现有技术的低脉动离心叶轮的结构示意图。

图6为实施例1的低脉动离心叶轮(与流道式导叶配合)的结构示意图。

图7是实施例1的径向力脉动幅值频谱图。

图8为现有技术的低脉动离心泵的所述测量点处的径向力脉动幅值频谱图。

具体实施方式

实施例1

如图1和2所示，本实施例的复合式的低脉动离心叶轮内圈由5个长叶片1构成，外圈由15个短叶片2构成。长叶片1长度大于短叶片2长度，长叶片1和短叶片2均为后掠形式。

长叶片1在前盖板3和后盖板4之间在圆周方向上均匀排布，短叶片在前盖板3和后盖板4之间在圆周方向上均匀排布。长叶片1包括相对靠近叶轮中心的长叶片前缘和相对远离叶轮中心的长叶片尾缘，短叶片2包括相对靠近叶轮中心的短叶片前缘和相对远离叶轮中心的短叶片尾缘。长叶片1的尾缘到叶轮中心的距离称为长叶片的外径D2，短叶片2的前缘到叶轮中心的距离称为短叶片的内径D3，短叶片2的尾缘到叶轮中心的距离称为短叶片的外径D4。

本实施例中：D3：D2＝1.0065，D4：D2＝1.4706。

叶片工作面的叶片安放角是叶片凸面表面切线与圆周方向的夹角，叶片背面的叶片安放角是叶片凹面表面切线与圆周方向的夹角，叶片内径处的叶片安放角是叶片入口角，叶片外径处的叶片安放角是叶片出口角。

长叶片1的工作面出口角为β1，背面出口角为β2；短叶片2的工作面入口角为β3，背面入口角为β4；短叶片2的工作面出口角为β5，背面出口角为β6。

本实施例中：β1为26.4°，β2为27.1°，β3为37.7°，β4为24.2°，β5为16.4°，β6为40.8°。

短叶片2的厚度沿其型线变化，在其中部厚度最大，中部厚度为两端厚度的2～6倍。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1中外圈的变厚度短叶片2不同，本实施例的外圈短叶片用等厚度短叶片，等厚短叶片的工作面的叶片安放角和背面安放角大小相等；与实施例1中短叶片2的叶片安放角均一致不同，本实施例中的短叶片2可按照特定安放角设置规律设置叶片安放角，其余结构与实施例1相同。

长叶片1的后掠方向上的第一片短叶片2起始到该组最后一片叶片共n片所述外圈叶片为一组，对应该长叶片1，上述n为短叶片2数量对于长叶片1数量的倍数。

本实施例中短叶片2数量为长叶片1数量的3倍，图中所标示的短叶片201、短叶片202、短叶片203按照上述分组及对应规律，对应着同一个长叶片1，其他12个短叶片由另外4个长叶片以上述分组及对应规律对应。长叶片1长度大于短叶片2长度，长叶片1和短叶片2均为后掠形式。

长叶片1包括相对靠近叶轮中心的长叶片前缘和相对远离叶轮中心的长叶片尾缘，短叶片2包括相对靠近叶轮中心的短叶片前缘和相对远离叶轮中心的短叶片尾缘。长叶片1的尾缘到叶轮中心的距离称为长叶片的外径D2，短叶片201、短叶片202、短叶片203的前缘到叶轮中心的距离称为短叶片的内径分别为D3a、D3b、D3c，短叶片2的尾缘到叶轮中心的距离称为短叶片的外径D4。短叶片201、短叶片202、短叶片203的内径D3a、D3b、D3c分别为长叶片外径的1.0065、1.0065、1.0065倍。短叶片的外径D4为长叶片外径的1.4706倍。

叶片工作面的叶片安放角是叶片凸面表面切线与圆周方向的夹角，叶片背面的叶片安放角是叶片凹面表面切线与圆周方向的夹角，叶片内径处的叶片安放角是叶片入口角，叶片外径处的叶片安放角是叶片出口角。

长叶片1的工作面出口角为β1，背面出口角为β2；短叶片201、短叶片202、短叶片203的工作面入口角分别为β3a、β3b、β3c，背面入口角分别为β4a、β4b、β4c；短叶片201、短叶片202、短叶片203的工作面出口角分别为β5a、β5b、β5c，背面出口角分别为β6a、β6b、β6c。

β1的大小为26.4°，β2的大小为27.1°，β3a的大小为41.6°，β3b的大小为34.9°，β3c的大小为24.4°，β6a的大小为45.1°、β6b的大小为37.5°、β6c的大小为36.4°。短叶片的厚度均匀，同一半径上工作面和背面的叶片安放角相等。

实施例3

如图4所示，本实施例与实施例1和2中外圈变厚度短叶片2在圆周上均匀阵列分布不同，本实施例中的外圈变厚度的短叶片2在圆周方向上的位置以特定周向排布规律分布并以长叶片的数目为重复数量；与实施例1中外圈变厚度短叶片的叶片安放角均一致不同，本实施例中的外圈变厚度的短叶片2按照特定安放角设置规律设置叶片安放角。

本实施例中，短叶片2数量为长叶片1数量的三倍，图中所标示的短叶片201、短叶片202、短叶片203对应着同一个长叶片1，其他12个短叶片由另外4个长叶片以相同规律对应。长叶片1长度大于短叶片2长度，长叶片1和短叶片2均为后掠形式。长叶片1包括相对靠近叶轮中心的长叶片前缘和相对远离叶轮中心的长叶片尾缘，短叶片2包括相对靠近叶轮中心的短叶片前缘和相对远离叶轮中心的短叶片尾缘。

长叶片的尾缘到叶轮中心的距离称为长叶片的外径D2，短叶片201、短叶片202、短叶片203的前缘到叶轮中心的距离称为短叶片的内径分别为D3a、D3b、D3c，短叶片的尾缘到叶轮中心的距离称为短叶片的外径D4。短叶片201、短叶片202、短叶片203的内径D3a、D3b、D3c分别为长叶片外径的1.0065、1.0065、1.0065倍。短叶片的外径D4位长叶片的1.4706倍。

图中的短叶片201的背面朝向图中短叶片202的工作面，此处将短叶片202视为位于短叶片a的后方。图中短叶片203位于短叶片202的后方。以此类推，将短叶片203后方的短叶片依次称为短叶片204、短叶片205等。短叶片201的工作面前缘与轴心的连线和短叶片201后方的短叶片202的工作面前缘与轴心的连线构成的夹角为角1。短叶片202的工作面前缘与轴心的连线和外圈短叶片202后方的短叶片203的工作面前缘与轴心的连线构成的夹角为角2，以此类推，定义角3、角4等。每个3个短叶片为一组，分为5组分别对应一个长叶片1，短叶片201、短叶片202、短叶片203为一组，短叶片204、短叶片205、短叶片206为一组。以此类推。在短叶片201、短叶片202、短叶片203所在的组中，角1、角2、角3的大小规律为角1>角2>角3，在短叶片204、短叶片205、短叶片206所在的组中，角4、角5、角6的大小规律为角4>角5>角6。其中角1为27.0°，角2为24.9°，角3为20.1°。

叶片工作面的叶片安放角是叶片凸面表面切线与圆周方向的夹角，叶片背面的叶片安放角是叶片凹面表面切线与圆周方向的夹角，叶片内径处的叶片安放角是叶片入口角，叶片外径处的叶片安放角是叶片出口角。长叶片的工作面出口角为β1，背面出口角为β2；短叶片201、短叶片202、短叶片203的工作面入口角分别为β3a、β3b、β3c，背面入口角分别为β4a、β4b、β4c；短叶片201、短叶片202、短叶片203的工作面出口角分别为β5a、β5b、β5c，背面出口角分别为β6a、β6b、β6c。β1的大小为26.4°，β2的大小为27.1°，β3a的大小为37.8°，β3b的大小为35.1°，β3c的大小为32.8°，β4a的大小为24.1°，β4b的大小为22.1°，β4c的大小为20.1°，β6a的大小为40.8°，β6b的大小为38.8°，β6c的大小为36.8°，β5a的大小为16.1°，β5b的大小为14.1°，β5c的大小为12.1°。短叶片的厚度沿其型线变化，在其中部厚度较大，中部厚度为两端厚度的2到6倍。

对比例

图5为常规离心叶轮和流道式导叶的装配示意图。图6为实施例1的叶轮和流道式导叶的装配示意图。流道式导叶3为三流道设置，布置于叶轮外圈。

图5和图6的流道式导叶结构参数均相同。常规叶轮与实施例1的叶轮的子午面参数均一致，常规叶轮外径等于所述实施例1的叶轮短叶片外径，图5和图6中的测量点4的位置在同一半径位置。

对实施例1的叶轮和常规离心叶轮分别进行数值模拟，取得径向力脉动数据，数值模拟中实施例1的叶轮和常规离心叶轮的转速为每分钟3000转。

图7为实施例1的径向力脉动幅值频谱图，图8为常规离心叶轮的测量点处的径向力脉动幅值频谱图。图7和图8对比可见实施例1的叶轮的径向力脉动幅值明显小于常规离心叶轮的径向力脉动幅值，且实施例1的叶轮的径向力脉动幅值在频域上分布更加均匀。由此对比可见，实施例1的叶轮能够明显控制径向力脉动，达到减小叶轮振动的效果。

Claims (10)

1.一种复合式的低脉动离心叶轮，包括叶轮前盖板、叶轮后盖板、内圈叶片以及外圈叶片，其特征在于，所述外圈叶片的数量大于所述内圈叶片的数量。

2.如权利要求1所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述内圈叶片的长度大于外圈叶片。

3.如权利要求1或2所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述内圈叶片的数量为3～7片。

4.如权利要求1或2所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述外圈叶片的数量与所述内圈叶片的数量的比值为a，1＜a＜5。

5.如权利要求1或2所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述内圈叶片的内径为D1，所述内圈叶片的外径为D2，所述外圈叶片的内径为D3，所述外圈叶片的外径为D4，D3：D2＝0.9～1.3，D4：D2＝1.2～1.8。

6.如权利要求1或2所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述内圈叶片的工作面出口角为β1，背面出口角为β2；所述外圈叶片的工作面入口角为β3，背面入口角为β4；所述外圈叶片的工作面出口角为β5，背面出口角为β6；

β1＝15°～45°，β6＝15°～45°，|β2-β1|＜10°，|β3-β1|＜10°，|β4-β3|＜10°。

7.如权利要求6所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述外圈叶片厚度沿其型线变化，中部厚度最大，中部厚度为两端厚度的2～6倍，且β1＜β2。

8.如权利要求1或2所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述外圈叶片的数量与所述内圈叶片数量的n倍，n为整数。

9.如权利要求8所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，所述的外圈叶片按顺序分为n组，每组中，从位于所述长叶片后掠方向上第一片所述外圈叶片起始到该组最后一片所述外圈叶片结束，各外圈叶片的β3依次减小。

10.如权利要求8所述的复合式的低脉动离心叶轮，其特征在于，任一外圈叶片的工作面前缘与轴心的连线和该外圈叶片后方的外圈叶片的工作面前缘与轴心的连线构成的夹角为α；

所述的外圈叶片按顺序分为n组，每组中，从位于所述长叶片后掠方向上第一片所述外圈叶片起始到该组最后一片所述外圈叶片结束，各外圈叶片之间的α依次减小。