CN111677689A - 一种减振降噪的混流泵或轴流泵的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减振降噪的混流泵或轴流泵的设计方法，涉及水利发电设备技术领域。本发明的设计方法是将混/轴流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度为25°‑50°；增加混流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规混/轴流泵的叶片数量的50%‑100%。本发明提出了一种新型的叶片形状的设计，可以（但不限于）以传统设计方法所得的叶片为基础，将从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度。使泵的水力振动得到明显较低，产品减振效果明显，噪声低。

Description

一种减振降噪的混流泵或轴流泵的设计方法

技术领域

本发明涉及水利发电设备技术领域，更具体地说涉及一种减振降噪的混流泵或轴流泵的设计方法。

背景技术

混/轴流泵水力设计的任务是确定叶轮、吸水室、压水室和其他过流部件的主要结构参数，其中叶轮叶片、导叶的水力参数的确定对泵的水力效率、抗汽蚀性能、泵站噪声控制等有重大影响。在混流泵和轴流泵的设计中，为了叶片对水流的作用力的径向分量较小，满足流动状态接近于流面无关性假定，常使叶片进出口边与水流方向接近垂直。总是尽量将叶片进／出口边布置在一个轴面内。即使在从轮毂到轮缘的各流面上叶片包角不同，不可能将进口和出口边分别都布置在一个轴面内的情况下。设计者也总是综合考虑进口和出口边，使得他们各自尽可能接近在一个轴面内。这种处理方式在进行水力设计时，可对各个流面分别进行计算，降低设计难度，并且易于获得好的水力性能。同时，叶片的工艺性也比较好，便于加工另外。但是，这样得到的叶片，减振效果不佳。无法满足对噪声要求比较高的产品。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种减振降噪的混流泵的设计方法，本发明的发明目的在于，解决现有技术中“混流泵叶片设计减振效果不佳，无法满足对噪声要求比较高的产品”的问题。本发明提出了一种新型的叶片形状的设计，可以（但不限于）以传统设计方法所得的叶片为基础，将从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度。使泵的水力振动得到明显较低，产品减振效果明显，噪声低。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种减振降噪的混流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将混流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；

增加混流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规混流泵的叶片数量的50%-100%；

所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。

叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。

叶轮叶片采用后掠式设置，所述后掠式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后转动一个角度，所述向后转动具体是指与叶轮旋转方向相反的方向。

所述导叶叶片采用前倾式设置，所述前倾式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向前转动一个角度，所述向前转动具体是指与叶轮旋转方向相同的方向。

本发明还提供了一种减振降噪的轴流泵的设计方法，解决现有技术中“轴流泵叶片设计减振效果不佳，无法满足对噪声要求比较高的产品”的问题。本发明提出了一种新型的叶片形状的设计，可以（但不限于）以传统设计方法所得的叶片为基础，将从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度。使泵的水力振动得到明显较低，产品减振效果明显，噪声低。

一种减振降噪的轴流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将轴流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；

增加轴流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规轴流泵的叶片数量的50%-100%；

所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。

叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。

叶轮叶片采用后掠式设置，所述后掠式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后转动一个角度，所述向后转动具体是指与叶轮旋转方向相反的方向。

所述导叶叶片采用前倾式设置，所述前倾式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向前转动一个角度，所述向前转动具体是指与叶轮旋转方向相同的方向。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、在现有技术中，圆柱叶片从后盖板（轮毂）到前盖板（轮缘）的叶片形状是完全相同的，整个叶片可以成为一个柱面，就是扭曲叶片。在混流泵和轴流泵中，因为从轮毂到轮缘不同流线上的叶片角度一定不同，所以叶片一定是扭曲的。本专利提出的叶片，是在传统的扭曲叶片的基础上，再次处理，改变从轮毂到轮缘不同流面上叶型在圆周方向的相对位置，并不涉及各叶型的角度，如叶片安放角和液流角。从轮毂到轮缘不同流面上叶型在圆周方向的相对位置发生改变后，流动条件发生改变，各流面之间相互影响程度将重新分布，使泵的水利振动得到明显降低，产品减振效果明显，噪声低。

2、在本申请中，叶轮叶片或导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度，该一定角度，对于不同的设计对象，其最佳值需要经过复杂的计算，如CFD分析，并综合考虑效率、空化、振动、强度等指标以及材料和工艺条件的限制才能确定。从趋势上说，后掠或前倾的角度越大，则减振效果越好，但对效率、空化等性能有不利影响，并且这种影响随着后掠或前倾角度的增大而增大。当后掠角度不太大时，这种影响并不明显，但随着角度增大，这种影响就越来越大。同时，角度越大，加工难度也大，对叶片强度和刚度也有所削弱。所以对于不同的工程项目，由于对效率、空化指标的要求不同，以及采用的加工工艺和设备的不同，对后掠角度的限制也不同。在多数情况下，最佳后掠角度大致在25度～50度。并且泵的比转速越高，最佳后掠角越大。

3、叶片数和后掠角一样，受效率、空化、强度和工艺条件的限制，需要针对具体对象的技术条件决定。在传统的设计中，叶片数是根据泵的比转速确定的。多数情况下，为了减振，叶片数比传统的数值增加50%～100%。在水力设计中，对于一定的比转速，叶栅稠密度有一个最优值。保持一定叶栅稠密度的条件下，叶片数增加，叶片长度就会减少。如果把叶片长度理解为从轮毂到轮缘的距离（这个距离取决于泵的比转速），那么后掠角就与叶片长度有关系，叶片越长，后掠角就越大。

4、叶轮叶片和导叶叶片的不同，叶轮采用“后掠”，即轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后（以叶轮旋转方向为前）转动一个角度。而导叶则相反，为“前倾”，即轮缘处相对于轮毂处向前转动一定角度。当然，如果叶轮为前倾，而导叶为后掠，减振效果应该相同，但从叶片受力以后的变形来看，后掠式叶轮更合适。特别是对于开式叶轮，叶轮叶片与泵壳之间的间隙很小，前倾叶片受力（包括水动力和离心力）后直径将增大，易于和泵壳发生摩擦，影响安全。

附图说明

图1为常规叶轮叶片的结构示意图；

图2为常规导叶叶片的结构示意图；

图3为本发明叶轮叶片前倾的结构示意图；

图4为本发明叶轮叶片后掠的结构示意图；

图5为本发明导叶叶片的结构示意图；

图6为叶轮叶片在垂直于泵轴线的平面上的投影图；

图7为本发明叶轮叶片和常规叶轮叶片的对比的轴侧图。

附图标记：1、叶轮轴侧图，2、叶轮叶片进口边，3、常规叶轮叶片，4、流面，5、轴面流线，6、叶轮叶片出口边，7、常规叶轮叶片轴面投影，8、常规叶轮叶片平面投影，9、导叶轴侧图，10、导叶进口边，11、常规导叶叶片，12、常规导叶叶片轴面投影，13、常规导叶平面投影，14、导叶出口边，15、叶轮叶片，16、叶轮叶片轴面投影，17、叶轮叶片平面投影，18、导叶叶片，19、导叶叶片轴面投影，20、导叶叶片水平投影。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1-7，本实施例公开了：

图1和2分别为用常规方法得到的常规叶轮叶片3和常规导叶叶片11，由于液体在泵叶轮内的运动是一种复杂的空间运动，为了简化分析计算，通常引入流动状态接近于流面4无关性的假定。即叶轮中液体质点在以泵轴线为中心的圆柱面上流动，且相邻各圆柱面上的液体质点的运动互不相关，也就是说，在叶轮流动区域内，液体质点不存在径向分速度。因此，传统设计中，总是尽量将叶轮叶片进口边2和叶轮叶片出口边6，或导叶进口边10和导叶出口边14布置在同一轴面内。使叶片进口边与水流方向接近垂直（如图1和图2中的叶轮轴侧图1和导叶轴侧图9，其轴面4上的轴面流线5与常规叶轮叶片3之间的关系），这样叶片对水流的作用力的径向分量较小。在从轮毂到轮缘的各流面上叶片包角不同的情况时，是不可能将进口边2、10，和出口边6、14布置在一个轴面内。但是，考虑到水利计算和制造工艺性要求，设计者也总是综合考虑进口边2、10，和出口边6、14，使得它们各自尽可能接近一个轴面内。但是这样得到的叶轮叶片/导叶叶片减振效果不佳，对于首要设计目标是降低噪声的产品，应该采用图3-5提出的叶轮叶片或导叶叶片形状。

本实施例中提出的叶片形状，可以（但不限于）以传统设计方法所得的叶片为基础，将从轮毂到轮缘的各个流面4上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度。如图3，图4和图5所示，该叶片可以是单独的叶轮叶片15，或者是单独的导叶叶片18，或者是叶轮叶片15和导叶叶片18均是从轮毂到轮缘的各个流面4上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度。由图1和图2中常规叶轮叶片轴面投影7、常规叶轮叶片平面投影8、常规导叶叶片轴面投影12和常规导叶平面投影13与图3、图4和图5中，叶轮叶片轴面投影16、叶轮叶片平面投影17、导叶叶片轴面投影19和导叶叶片水平投影20对比可知，本申请的叶轮叶片15或导叶叶片18从轮毂到轮缘的各个流面4上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度。相对转动的角度越大，减振的效果越好。但受到工艺条件的限制，所采用的数值，必须使叶轮叶片/导叶叶片是可以制造的，随着3D打印技术的发展，工艺条件的限值逐渐在降低。

叶轮叶片和导叶叶片的不同，叶轮采用“后掠”，即轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后（以叶轮旋转方向为前）转动一个角度（如图4所示）。而导叶则相反，为“前倾”（如图5所示），即轮缘处相对于轮毂处向前转动一定角度。当然，如果叶轮为前倾（如图3所示），而导叶为后掠，减振效果应该相同，但从叶片受力以后的变形来看，后掠式叶轮应该更合适。特别是对于开式叶轮，叶轮叶片与泵壳之间的间隙很小，前倾叶片受力（包括水动力和离心力）后直径将增大，易于和泵壳发生摩擦，影响安全。

“一定角度”并没有绝对的数值，对于不同的设计对象，其最佳值需要经过复杂的计算（CFD分析）并综合考虑效率、空化、振动、强度等指标以及材料和工艺条件的限制才能确定。从趋势上说，后掠的角度越大，则减振效果越好，但对效率、空化等性能则有不利影响，并且这种影响随着后掠角度的增加而增大。当后掠角度不太大时，这种影响并不明显，但随着角度增大，这种影响就越来越大。同时，角度越大，加工难度也大，对叶片强度和刚度也有所削弱。所以对于不同的工程项目，由于对效率、空化指标的要求不同，以及采用的加工工艺和设备的不同，对后掠角度的限制也不同。在多数情况下，最佳后掠角度大致在25度～50度。并且泵的比转速越高，最佳后掠角越大。

如图6所示，其中角度φ即为叶轮叶片的后掠角，Δφ为相邻流面上叶型相对转动的角度。在总后掠角（25°-50°）一定的条件下，可以通过合理分配各间的Δφ，使得叶片进出口边形成一条光滑的曲线，同时在轮毂和轮缘（对于闭式叶轮）处，进出口边和轮毂和轮缘表面尽可能接近正交，以便于加工。

如图7所示，叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动一定角度，中“依次”是指从轮毂到轮缘后者从轮缘到轮毂。结果都一样，只是转动的方向不同。

叶片数和后掠角一样，受效率、空化、强度和工艺条件的限制，需要针对具体对象的技术条件决定。在传统的设计中，叶片数是根据泵的比转速确定的。多数情况下，为了减振，叶片数可以比传统的数值增加50%～100%。叶片数与后掠角的关系不大，二者都是有减振的措施，当其中一项受到较严格的限制时，可以考虑另一项选择相对较大的值。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图3-5，本实施例公开了：

一种减振降噪的混流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将混流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；增加混流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规混流泵的叶片数量的50%-100%；所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图3-5，本实施例公开了：

一种减振降噪的轴流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将轴流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；增加轴流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规轴流泵的叶片数量的50%-100%；所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。

实施例4

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图3-5，本实施例公开了：

一种减振降噪的混流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将混流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；增加混流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规混流泵的叶片数量的50%-100%；所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。叶轮叶片采用后掠式设置，所述后掠式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后转动一个角度，所述向后转动具体是指与叶轮旋转方向相反的方向。所述导叶叶片采用前倾式设置，所述前倾式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向前转动一个角度，所述向前转动具体是指与叶轮旋转方向相同的方向。

实施例5

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图3-5，本实施例公开了：

一种减振降噪的轴流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将轴流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；增加轴流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规轴流泵的叶片数量的50%-100%；所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。叶轮叶片采用后掠式设置，所述后掠式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后转动一个角度，所述向后转动具体是指与叶轮旋转方向相反的方向。所述导叶叶片采用前倾式设置，所述前倾式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向前转动一个角度，所述向前转动具体是指与叶轮旋转方向相同的方向。

Claims (8)

1.一种减振降噪的混流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将混流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；

增加混流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规混流泵的叶片数量的50%-100%；

所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。

2.如权利要求1所述的一种减振降噪的混流泵的设计方法，其特征在于：叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。

3.如权利要求1所述的一种减振降噪的混流泵的设计方法，其特征在于：叶轮叶片采用后掠式设置，所述后掠式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后转动一个角度，所述向后转动具体是指与叶轮旋转方向相反的方向。

4.如权利要求1或3所述的一种减振降噪的混流泵的设计方法，其特征在于：所述导叶叶片采用前倾式设置，所述前倾式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向前转动一个角度，所述向前转动具体是指与叶轮旋转方向相同的方向。

5.一种减振降噪的轴流泵的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

将轴流泵的叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型相对于上一个叶型在圆周方向上同向转动相同角度Δφ，叶片在轮缘处的流面上的叶型相对于叶片在轮毂处的流面上的叶型转动角度φ为25°-50°；

增加轴流泵的叶片的数量，增加的数量为同类型常规轴流泵的叶片数量的50%-100%；

所述叶片为叶轮叶片和/或导叶叶片。

6.如权利要求5所述的一种减振降噪的轴流泵的设计方法，其特征在于：叶轮叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向与导叶叶片从轮毂到轮缘的各个流面上的叶型依次相对于上一个叶型在圆周方向转动的方向相反。

7.如权利要求5所述的一种减振降噪的轴流泵的设计方法，其特征在于：叶轮叶片采用后掠式设置，所述后掠式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向后转动一个角度，所述向后转动具体是指与叶轮旋转方向相反的方向。

8.如权利要求5或7所述的一种减振降噪的轴流泵的设计方法，其特征在于：所述导叶叶片采用前倾式设置，所述前倾式具体是指轮缘处叶型相对于轮毂处叶型向前转动一个角度，所述向前转动具体是指与叶轮旋转方向相同的方向。

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