CN113309734B - 一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，半开式叶轮位于泵壳和泵盖之间，其包括后盖板(1)、叶片(2)、表面织构(4)、凹槽部(5)、进口管(9)、压力面(21)、吸力面(22)，其特征在于：叶片的叶顶包括凹槽部(5)、第一叶顶(23)、第二叶顶(24)，第一叶顶、第二叶顶分别位于凹槽部的两侧，第一叶顶和/或第二叶顶具有表面织构(4)，表面织构为仿生微结构，仿生微结构包括月牙型微凸起织构，多个月牙型微凸起织构按矩形阵列规则的布置于叶片叶顶表面。该叶轮结构具有增大泄漏流与叶轮顶部的摩擦以减少间隙泄露，改善甚至消除逆流的特点。

Description

一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮

技术领域

本发明涉及离心泵技术领域，尤其涉及一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，具体涉及一种用表面织构、凹槽部控制离心泵叶顶间隙泄漏的半开式叶轮。

背景技术

半开式叶轮离心泵由于具有维护方便、运行时间长、效率高等优点，在国防、航空航天、民用等领域得到了广泛的应用。叶轮的叶片直接决定了离心泵的性能，在离心泵的能量转换过程中起至关重要的作用，所以对于离心泵叶片的设计尤为重要。

半开式叶轮离心泵由于叶尖间隙(叶顶间隙)的存在，在叶片压力面和吸力面的压力梯度作用下，在叶尖间隙附近形成了叶尖泄漏流和泄漏涡空化等复杂流动，会显著改变离心泵叶轮内部的流态。叶尖区附近的尖端泄露流加速了逆流的形成，进而发展到叶轮上游，在进口管内回流涡中心附近出现大量的空化气泡，产生低频压力脉动，影响泵的性能、使用寿命和运行稳定性。

为此，研究者们开展了大量的研究以期控制叶顶间隙泄露流与泄露回流的现象，并且初步提出了一些具备一定积极效果的思路和方法。对于离心泵泄漏流及损失，在设计条件下，效率的降低几乎与叶尖间隙的变化成线性关系，因此一般通过调整叶片顶部和泵体的间隙来控制，但是叶尖间隙无法无限小，适当的小空隙比无空隙的效率更高。对于减小逆流对叶轮运行稳定性的影响，人们提出的沟槽技术得到了广泛的应用，如J型槽、U型槽，但是其适用在混流泵、轴流泵中，不适用于离心泵结构。

表面织构目前被广泛研究并主要用于提高表面摩擦学性能，其通过在摩擦副表面加工出一些具有一定形貌的微凹槽或微凸体等规则形状，而且已被证明是提高摩擦学性能的有效手段，其应用于离心泵叶轮增大与流体摩擦具有发展前景。因此，针对上述问题提出一种用表面结构、凹槽部控制离心泵叶顶间隙泄漏的半开式叶轮。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供了一种用表面织构、凹槽部控制离心泵叶顶间隙泄漏的半开式叶轮，该半开式叶轮结构具有增大泄漏流与叶轮顶部的摩擦以减少间隙泄露，改善甚至消除逆流的特点；本发明中的叶顶表面凹槽部结构(第一弧形部(圆弧部)、第二弧形部(圆弧部)、引流通道、弧形凹槽)能够改变局部流动结构和泄漏流方向，不让液流直接冲向下一个流道，从而减小了流体流动对叶片的冲击；在叶轮进口管处外侧设置的周向槽结构，为泄漏流提供了沿轴向快速移动的通道，接近后盖板的绝对流角减小，逆流向上游的趋势受到抑制，可以改善离心泵入口处的流态。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，半开式叶轮位于泵壳(6)和泵盖(7)之间，其包括后盖板(1)、叶片(2)、表面织构(4)、凹槽部(5)、进口管(9)、压力面(21)、吸力面(22)，后盖板呈圆盘状，多个叶片沿周向均匀分布于后盖板上，叶片沿径向延伸布置且叶片为直叶片，进口管位于多个叶片的径向内侧且叶片径向内端延伸到进口管外周附近，叶片外端延伸到后盖板外边缘，叶片的叶顶与泵壳之间具有叶顶间隙(8)，叶片包括相对的压力面、吸力面，其特征在于：叶片的叶顶包括凹槽部(5)、第一叶顶(23)、第二叶顶(24)，第一叶顶、第二叶顶分别位于凹槽部的两侧，第一叶顶和/或第二叶顶具有表面织构(4)，表面织构为仿生微结构，仿生微结构包括月牙型微凸起织构，多个月牙型微凸起织构按矩形阵列规则的布置于叶片叶顶表面。

进一步地，所述表面织构(4)的月牙型牙尖凸起对着吸力面。

进一步地，所述凹槽部(5)包括第一弧形部(25)、第二弧形部(26)，第一弧形部与第二弧形部中心对称设置，且在其连接处相切，第一弧形部向上凸起设置且靠近压力面一侧，第二弧形部向下凹陷设置且靠近吸力面一侧。

进一步地，所述第一弧形部(25)内或内部下方设有引流通道(27)，引流通道分别连通第一弧形部的左右两端，且引流通道为弧形通道，引流通道(27)用于引导第一弧形部右端的涡流向左端流动，也即从引流通道的压力面侧向吸力面侧流道，从而与第二弧形部处的回流汇合，顺着回流的流态与回流汇合。

进一步地，所述第二弧形部(26)的表面设有弧形凹槽(28)，弧形凹槽分别延伸至第二弧形部的左右两端，弧形凹槽的位置与引流通道相对应设置；在叶片(2)的径向方向上，多个引流通道(27)、弧形凹槽(28)阵列式沿径向布置。

进一步地，所述进口管(9)处外侧设置有多个周向槽(3)，周向槽与进口管为同心圆，且该圆所在平面平行于后盖板(1)所在平面。

进一步地，所述叶片(2)或叶轮轴向高度随着距叶轮入口的距离增大而减小。

进一步地，所述叶片(2)为不等厚叶片，且从径向内端至径向外端，叶片的厚度逐渐减小。

进一步地，为加工表面织构(4)，其材料选用合金材料，或选用超高分子量聚乙烯；表面织构采用激光技术进行织构化处理。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的叶顶表面仿生微织构，凸起织构主要是通过增大泄漏流与叶顶表面的摩擦，对泄漏流动产生阻力，从而减少离心泵泵壳与离心叶轮之间的叶顶间隙泄露。该表面织构为增摩效应的织构化摩擦表面，可以在提高摩擦系数的同时降低磨损率，提高了离心叶轮的使用寿命；而且泄漏流流经“表面织构—圆弧凹槽(凹槽部)—表面织构”的过程，三重对泄漏流的阻碍，可以产生很好的抑制泄漏流的效果。

(2)本发明中的叶顶表面凹槽部结构(第一弧形部(圆弧部)、第二弧形部(圆弧部)、引流通道、弧形凹槽)能够改变局部流动结构和泄漏流方向，不让液流直接冲向下一个流道，从而减小了流体流动对叶片的冲击。叶顶间隙射流经过间隙通道***流强度能与常规泄漏流强度相当甚至略大，能够在一定程度上阻碍/抑制常规泄漏流动。

(3)同时，在叶轮进口管处外侧设置的周向槽结构，为泄漏流提供了沿轴向快速移动的通道，接近后盖板的绝对流角减小，逆流向上游的趋势受到抑制，可以改善离心泵入口处的流态。

附图说明

图1为本发明实施例中的叶轮三维结构图；

图2为本发明实施例中的叶轮轴面投影结构示意图；

图3为本发明月牙形表面织构(仿生微结构)的放大结构示意图；

图4为本发明实施例的叶轮叶顶凹槽部产生旋涡的结构示意图；

图5为本发明另一实施例的叶轮叶顶凹槽部产生旋涡的结构示意图；

图6为现有技术一般叶轮内涡流流线图；

图7为本发明实施例的叶轮内涡流流线图；

图8为本发明叶轮性能曲线对比图。

图中：后盖板1(叶片板)、叶片2、周向槽3、表面织构4(仿生微结构)、凹槽部5、前泵壳6、后泵盖7、叶顶间隙8、进口管9、压力面21、吸力面22、第一叶顶23、第二叶顶24、第一弧形部25(圆弧部)、第二弧形部26(圆弧部)、引流通道27、弧形凹槽28。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-4所示，一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，半开式叶轮位于泵壳6和泵盖7之间，其包括后盖板1、叶片2、表面织构/仿生微结构4、凹槽部5、进口管9、压力面21、吸力面22，后盖板1呈圆盘状，多个叶片2沿周向均匀分布于后盖板1上，叶片2沿径向延伸布置且叶片2为直叶片，进口管9位于多个叶片2的径向内侧且叶片2径向内端延伸到进口管9外周附近，叶片2外端延伸到后盖板1外边缘，叶片2的叶顶与泵壳6之间具有叶顶间隙8，叶片2包括相对的压力面21、吸力面22，其特征在于：叶片2的叶顶包括凹槽部5、第一叶顶23、第二叶顶24，第一叶顶23、第二叶顶24分别位于凹槽部5的两侧，第一叶顶23和/或第二叶顶24具有表面织构4，表面织构4为仿生微结构，仿生微结构包括月牙型微凸起织构，多个月牙型微凸起织构按矩形阵列规则的布置于叶片叶顶表面。

如图3所示，叶轮叶顶的表面织构4采用仿生学原理，叶顶表面设计并布置了能够增摩的仿生微织构。仿生微织构4主要参考了苍耳月牙型钩角，其月牙型牙尖凸起对着吸力面，并进行了有利于增大摩擦系数的结构优化。仿生表面织构4布置形式为微凸起织构，微凸起织构按矩形阵列规则的布置于叶片叶顶表面。

采用激光技术进行织构化处理，使用激光，依次经过加工模板、转移图形样例、加工衬底等加工步骤，在叶轮的叶顶表面上加工出外形、尺寸参数合理的月牙型表面织构(月牙型微凸起结构)。具体地，制造本发明的布置周向槽3与叶片叶顶结构的离心泵的半开式叶轮，先对其进口管9进行改型加工，再按传统离心泵叶片设计来设计本发明的叶片，然后对叶片的叶顶结构进行改型，加工出叶顶表面仿生微结构。

具体地，实施例中的叶片2为不等厚叶片，。实施例中所提供叶片进口直径D1为25mm、出口直径D2为130mm；实施例中叶片的宽度为9mm，叶顶凹槽部5的圆弧弦长为2.5mm，两圆弧弧度相同，对称布置；实施例中的进口管9处外侧设置有周向槽3，其凸起高度为2mm，宽度为2mm，周向槽3布置个数为3个，两周向槽之间距离为3mm。

如图4所示，凹槽部5包括第一弧形部25(圆弧部)、第二弧形部26(圆弧部)，第一弧形部25与第二弧形部26中心对称设置，且在其连接处相切，第一弧形部25向上凸起设置且靠近压力面21一侧，第二弧形部26向下凹陷设置且靠近吸力面22一侧。

如图4所示，经过表面织构4阻碍但仍通过的泄漏流流过压力面21、第一弧形部25，经过其缓冲作用流到吸力面22叶片壁回流，在下凹圆弧部/第二弧形部26处形成旋涡结构，同时改变了叶片的局部流动结构和泄漏流方向，使得液流不直接冲向下一个叶片流道，减少了流体流动对叶片的冲击。叶顶间隙射流经过间隙通道***流强度能与常规泄漏流强度相当甚至略大，能够在一定程度上阻碍/抑制常规泄漏流动。

叶顶表面仿生微织构4，宏观上凸起织构增大泄漏流与叶顶表面的摩擦系数，对泄漏流动产生阻力；微观上月牙型凸起可以阻碍叶顶表面泄漏流，使之在月牙处凹面产生微小旋涡。

叶片2的叶顶表面凹槽部5随离心泵泵轴做旋转运动，泄漏流液体流过压力面21、圆弧部，经过其缓冲作用流到吸力面22的叶片壁回流，在第二圆弧部26处形成旋涡结构，同时改变了叶片的局部流动结构和泄漏流方向，使得液流不直接冲向下一个叶片流道，减少了流体流动对叶片的冲击。

如图5所示，在另一实施例中，第一弧形部25内/内部下方设有引流通道27，引流通道27分别连通第一弧形部25的左右两端，且引流通道27为弧形通道，引流通道27用于引导第一弧形部25右端的涡流向左端流动，也即从引流通道27的压力面21侧向吸力面22侧流道，从而与第二弧形部26处的回流汇合，顺着回流的流态与回流汇合。第二弧形部26的表面设有弧形凹槽28，弧形凹槽28分别延伸至第二弧形部26的左右两端，弧形凹槽28的位置与引流通道27相对应设置，在叶片2的径向方向上，多个引流通道27、弧形凹槽28阵列式沿径向布置。

通过引流通道27、弧形凹槽28的设计进一步改变了叶片的局部流动结构和泄漏流方向，使得液流不直接冲向下一个叶片流道，减少了流体流动对叶片的冲击；叶顶间隙射流经过间隙通道***流强度能与常规泄漏流强度相当甚至略大，能够在一定程度上阻碍/抑制常规泄漏流动。

进口管9处外侧设置有多个周向槽3，周向槽3与进口管9为同心圆，且该圆所在平面平行于后盖板1所在平面。周向槽3根据其进口管长度选择合理布置个数，周向槽3的凸起直径大于进口管9直径2～5mm。

为加工表面织构4，其材料可选用合金材料，也可选用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，该材料兼有耐磨性强、耐冲击性能强等优异特征。

叶片2/叶轮轴向高度随着距叶轮入口的距离增大而减小。叶片2为不等厚叶片，具体地，从径向内端至径向外端，叶片2的厚度逐渐减小。

图6与图7分别为叶轮改进前与改进后的流态。改进前的叶轮在设计工况下，可以观察到每个流道出口附近存在着大型涡流，这不仅由压力与速度变化导致，叶顶间隙泄露也影响内流道，促使其形成大型涡流。尤其是蜗壳隔舌附近的流道，其出口区域小，旋涡更集中于叶轮流道中心，旋涡中心涡流强度更大。这种大型涡流严重影响离心泵的性能。图7改进后的叶轮内流道流态中可以看到，涡流显著减少，尤其是隔舌附近内流道可以看到明显的改善，大型涡流变小并且向叶轮出口移动，这主要是通过减少叶顶泄露来改善叶轮内流道流态。同时叶轮进口管处外侧布置的周向槽结构，为泄漏流提供了沿轴向快速移动的通道，接近后盖板的绝对流角减小，逆流向上游的趋势受到抑制，也可以改善离心泵入口处的流态。

图8为本实施例叶轮与一般叶轮扬程-流量曲线对比，在测试工况点下可以看到性能有提升。本实施例的叶轮对逆流涡有一定的抑制作用，改善了叶轮间隙泄漏流动。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的叶顶表面仿生微织构，凸起织构主要是通过增大泄漏流与叶顶表面的摩擦，对泄漏流动产生阻力，从而减少离心泵泵壳与离心叶轮之间的叶顶间隙泄露。该表面织构为增摩效应的织构化摩擦表面，可以在提高摩擦系数的同时降低磨损率，提高了离心叶轮的使用寿命；而且泄漏流流经“表面织构—圆弧凹槽(凹槽部)—表面织构”的过程，三重对泄漏流的阻碍，可以产生很好的抑制泄漏流的效果。

(2)本发明中的叶顶表面凹槽部结构(第一弧形部(圆弧部)、第二弧形部(圆弧部)、引流通道、弧形凹槽)能够改变局部流动结构和泄漏流方向，不让液流直接冲向下一个流道，从而减小了流体流动对叶片的冲击。叶顶间隙射流经过间隙通道***流强度能与常规泄漏流强度相当甚至略大，能够在一定程度上阻碍/抑制常规泄漏流动。

(3)同时，在叶轮进口管处外侧设置的周向槽结构，为泄漏流提供了沿轴向快速移动的通道，接近后盖板的绝对流角减小，逆流向上游的趋势受到抑制，可以改善离心泵入口处的流态。

上述实施方式是对本发明的说明，不是对本发明的限定，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，半开式叶轮位于泵壳(6)和泵盖(7)之间，其包括后盖板(1)、叶片(2)、表面织构(4)、凹槽部(5)、进口管(9)、压力面(21)、吸力面(22)，后盖板呈圆盘状，多个叶片沿周向均匀分布于后盖板上，叶片沿径向延伸布置且叶片为直叶片，进口管位于多个叶片的径向内侧且叶片径向内端延伸到进口管外周附近，叶片外端延伸到后盖板外边缘，叶片的叶顶与泵壳之间具有叶顶间隙(8)，叶片包括相对的压力面、吸力面，其特征在于：叶片的叶顶包括凹槽部(5)、第一叶顶(23)、第二叶顶(24)，第一叶顶、第二叶顶分别位于凹槽部的两侧，第一叶顶和/或第二叶顶具有表面织构(4)，表面织构为仿生微结构，仿生微结构包括月牙型微凸起织构，多个月牙型微凸起织构按矩形阵列规则的布置于叶片叶顶表面；

所述凹槽部(5)包括第一弧形部(25)、第二弧形部(26)，第一弧形部与第二弧形部中心对称设置，且在其连接处相切，第一弧形部向上凸起设置且靠近压力面一侧，第二弧形部向下凹陷设置且靠近吸力面一侧；所述第一弧形部(25)内或内部下方设有引流通道(27)，引流通道分别连通第一弧形部的左右两端，且引流通道为弧形通道，引流通道用于引导第一弧形部右端的涡流向左端流动；所述第二弧形部(26)的表面设有弧形凹槽(28)，弧形凹槽分别延伸至第二弧形部的左右两端，弧形凹槽的位置与引流通道相对应设置；在叶片(2)的径向方向上，多个引流通道(27)、弧形凹槽(28)阵列式沿径向布置。

2.如权利要求1所述的一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，其特征在于，所述表面织构(4)的月牙型牙尖凸起对着吸力面。

3.如权利要求2所述的一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，其特征在于，所述进口管(9)处外侧设置有多个周向槽(3)，周向槽与进口管为同心圆，且该同心圆所在平面平行于后盖板(1)所在平面。

4.如权利要求3所述的一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，其特征在于，所述叶片(2)或叶轮轴向高度随着距叶轮入口的距离增大而减小。

5.如权利要求4所述的一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，其特征在于，所述叶片(2)为不等厚叶片，且从径向内端至径向外端，叶片的厚度逐渐减小。

6.如权利要求5所述的一种用于控制离心泵间隙泄漏的半开式叶轮，其特征在于，为加工表面织构(4)，其材料选用合金材料，或选用超高分子量聚乙烯；表面织构采用激光技术进行织构化处理。

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