CN116104764A - 一种离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心泵，包括：泵壳及安装于泵壳内的叶轮，所述叶轮包括n个叶片，相邻所述叶片之间形成叶轮流道，所述泵壳的内周设置有横截面呈矩形的蜗壳流道，在所述蜗壳流道内圈与叶轮外径之间设置一圈环形导流圈，所述环形导流圈包括m个导流叶片，相邻所述导流叶片之间形成导流流道；n和m均为正整数。本发明的离心泵具有结构紧凑、便于安装、可靠性高且动能损耗低等优点，能够大大减少泵的流道内形成的涡流，从而能够大幅度提高泵的整体效率。

Description

一种离心泵

技术领域

本发明属于输送液体的离心泵设备技术领域，具体涉及一种离心泵。

背景技术

离心泵在国民经济发展中具有非常重要的地位，无论是工农业生产或人们生活中都离不开它。由于各种特殊用途的不同，品种规格也非常繁多，但是人们几乎没有察觉到这种具有悠久历史的重要设备中，却存在诸多高能耗产品，有的低比转速的离心泵，其运行效率还不到75％，就是用量最大的单级单吸离心泵其效率也只在(60～80)％，甚至还有低于60％的离心泵在各大水泵厂都有生产。这对于能源比较紧缺的我国来说，的确造成了大量的资源浪费，无形中也给用户带来了不必要的经济损失。

图1和图2中示出了现有离心泵的结构和出水原理，

为A点的切线，u₂为圆周速度，W₂为水流在叶片出口的相对速度，其与叶片切线夹角为β₂，此二速度合成为绝对速度C₂，C₂与切线夹角为α₂。由图1中可看出，从叶轮出口水流取一质点A沿着绝对速度C₂喷出时，因为环形流道中本来就有低速流动的水在往前流动，所以会在这短暂时间内将叶片喷出的水也向前移动至

线后再与蜗壳相碰时产生水击、折流和反射。由流体动力学可知，高速流体由A点运动到与蜗壳交点的过程叫做潜流，因为叶轮圆周喷出的水像一个“圆饼”形状，又喷射过程中半径在不断增大，所以“水饼”会形成一个密密的“圆刷”。全圆周水流抵达蜗壳壁后会产生强烈的水击、折流和反射后再汇入环形流道两边的低速流体中。又因为高压泵的叶轮转速都较高，其叶轮喷出的速度为环形流道中流速的5倍或更多。又因高压泵“水饼”较薄，流速又高，会产生较强涡流。影响最大的还是水击和折流，当流体射向蜗壳壁前，首先是潜流接着才产生严重的水击、折流和反射，这些过程所消耗流体的动能是很大的。流体在折流时冲击壁面的角度θ约为42°，由流体力学中的“维斯巴赫”公式计算得当夹角θ为30°时其阻力系数为0.0726，又当此角θ为42°时，其阻力系数为0.1553，也就是等于水泵扬程全高的约15.5％被损失掉了，所以高压泵的效率低的主要原因就产生在这些无用功，当然折流后还有反射的能量消耗。至于叶轮喷出的水冲向蜗壳壁这一刹那间所产生的水击到底能损失多大，由“维斯巴赫”公式可得，当θ角为90°时，即直角喷射时此公式所得出的阻力系数为0.9855，也就是几乎消耗了流体动能的100％，这也如我们观察到水流垂直射向板面的能量损失一样。这不是能量转化，这都是能量损耗。因为当流体射向垂直板面后就再不能做功了，所有动能都消耗殆尽了。当然倾斜喷射所造成的水击要由水流角度和流速而定。扬程愈高的泵流速也俞高，以上几种损失也会愈多。这就是现代离心泵的最大缺陷所在。

传统离心泵的叶轮结构还存在一个不足之处，就是叶片之间的扩散角太大，因为流体在叶轮流道中除了受着离心力的作用外，同时还受着与旋转方向相反的切线方向的“科氏力”的作用，受“科氏力”的影响会使流体紧贴叶片工作面流动，而非工作面附近就会形成负压空穴区域。由于此负压空穴区域的存在，所以叶片间的大半径处的流体只有离心力而毫无对入口流体的抽吸作用，因为此负压空穴区容易将叶轮外的高压流体吸入而产生涡流。流道间的扩散角面积内因未充满流体，所以无力起到对叶轮入口的吸力作用。流体进入流道只能依靠叶轮流道小半径处流体所产生的离心力，对叶轮入口处的抽吸作用，而大半径处的流体只有离心力而无抽吸力，因此而造成离心泵吸水扬程偏低的不良后果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、易于安装、可靠性高且动能损耗低的离心泵。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种离心泵，包括：泵壳及安装于泵壳内的叶轮，所述叶轮包括n个叶片，相邻所述叶片之间形成叶轮流道，所述泵壳的内周设置有横截面呈矩形的蜗壳流道，在所述蜗壳流道内圈与叶轮外径之间设置一圈环形导流圈，所述环形导流圈包括m个导流叶片，相邻所述导流叶片之间形成导流流道；n和m均为正整数。

作为本发明的进一步改进，相邻所述导流叶片之间的重叠长度为a₁，单个导流叶片的长度为a₂，a₁＞(a₂/2)。

作为本发明的进一步改进，所述导流流道的出口法向宽度为c，所述蜗壳流道的喉部宽度为d，d≈(m-1)×c。

作为本发明的进一步改进，所述环形导流圈的横截面内腔由内向外呈喇叭形。

作为本发明的进一步改进，所述环形导流圈的入水口宽度b₁大于叶轮的出水口宽度b₂，以弥补安装偏差；环形导流圈的出水口宽度与蜗壳流道的轴向宽度相等。

作为本发明的进一步改进，所述蜗壳流道的径向宽度由隔舌前沿到喉部按照阿基米德螺旋线规律逐步加宽，蜗壳流道的轴向宽度与喉部同宽，所述蜗壳流道在喉部的横截面呈近似正方形。

作为本发明的进一步改进，所述蜗壳流道的横截面从喉部至出水口逐步由方形过渡为圆形。

作为本发明的进一步改进，所述导流叶片的入水角度与叶片出水三角形中的绝对速度C₂同向同角；导流叶片的出水角度与泵壳外沿壁的螺旋线角度相等。

作为本发明的进一步改进，所述导流叶片展开后为近似长条梯形叶片。

作为本发明的进一步改进，所述叶轮流道几乎无扩散角，所述叶轮流道的出口弧长与进口弧长相等或略宽，多余的扇形面积由叶片的出口端加厚所覆盖。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明离心泵，通过在泵壳内安装叶轮，且泵壳的内周设置有横截面呈矩形的蜗壳环形流道，并在蜗壳流道内靠近进水口的位置处设置一圈环形导流圈，也就是在叶轮的出水口外周设置了环形导流圈，得到了结构紧凑、易于安装、可靠性高且动能损耗低的离心泵；待输送的流体由进水口吸入叶轮内，再由叶轮输出至环形导流圈内，最终由导流圈流道输出至蜗壳流道内，环形导流圈的作用就相当于若干对“压面辊子”把环形导流圈入口处的水柱“压”成为一条条薄形“水带”，并各自同速叠合成一整体后平稳往前流动，这样就彻底消除了现有离心泵中所存在的潜流、水击和折流所产生的无用功现象，无论是高压泵或中压泵其运行效率都得到了空前提高。

2、本发明离心泵，通过将蜗壳流道的横截面设计成矩形结构，从隔舌开始一直到喉部逐渐按阿基米德螺旋规律将蜗壳流道的径向宽度逐步增加，蜗壳流道的轴向宽度则与喉部保持同宽，并且蜗壳流道在喉部的横截面处略为正方形，蜗壳流道从喉部开始至出水口逐步过渡为圆形结构，有效避免了蜗壳流道内流体的横向迁移和互相错位扰动，并使得流体均匀充满了蜗壳流道，提高了流体输送的稳定性和离心泵的吸水扬程。

附图说明

图1是现有离心泵的结构原理示意图。

图2是现有离心泵的出水原理示意图。

图3为本发明离心泵的结构原理示意图。

图4为本发明离心泵另一视角的局部剖视结构原理示意图。

图5为图4中D处的结构原理示意图。

图6是本发明在具体应用实例中出水的原理示意图。

图例说明：1、泵壳；2、主轴；3、叶轮；31、叶片；32、叶轮流道；4、环形导流圈；41、导流叶片；42、导流流道；5、底座；6、出水口；7、进水口；8、蜗壳流道。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例

如图3至图6所示，本发明的离心泵，包括：泵壳1及安装于泵壳1内的叶轮3，泵壳1底部设有底座5，叶轮3与主轴2相连，并在主轴2及驱动部件的驱动下转动，叶轮3的工作面朝向进水口7。叶轮3包括n个叶片31，相邻叶片31之间形成叶轮流道32；叶轮流道32几乎无扩散角，叶轮流道32的出口弧长与进口弧长几乎相等或出口弧长略大于进口弧长，多余的扇形面积由叶片31的出口端加厚所覆盖，把叶轮流道32做成出口与入口几乎同宽。泵壳1的内周设置有横截面呈矩形的蜗壳流道8，在蜗壳流道8内圈与叶轮3外径之间设置一圈环形导流圈4，环形导流圈4包括m个导流叶片41，相邻导流叶片41之间形成导流流道42；n和m均为正整数。可以理解，为了提高环形导流圈4的刚度，可以采用球墨铸铁这类金属材料来制备环形导流圈4。

可以理解，叶轮流道32不宜设置为过大的扩散角，严格地说，离心泵运行中的几大不良状态(如超载、驼峰、气蚀现象)都与叶轮流道32的扩散角有很大关系。因此将叶轮流道32的入口和出口宽度做成几乎相等或略有扩散角就能消除或大大减少以上所说的不良状态。

本实施例中，通过在泵壳1内安装叶轮3，且泵壳1的内周设置有横截面呈矩形的蜗壳流道8，并在蜗壳流道8内靠近进水口7的位置处，也就是蜗壳流道8内圈与叶轮3外径之间设置一圈环形导流圈4，也就是在叶轮3的出水口外周设置了环形导流圈4，彻底消除了流体在泵壳内的潜流、水击和折流等现象，得到了结构紧凑、易于安装、可靠性高且动能损耗低的离心泵。待输送的流体由进水口7吸入叶轮3内，然后由叶轮3输出至环形导流圈4内，再由环形导流圈的导流流道42输出至蜗壳流道8内，最终由出水口6输出，全过程互不干涉、平稳向前流动；环形导流圈4的作用就相当于若干对“压面辊子”把环形导流圈4入口处的水柱“压”成为一条条薄形“水带”，并各自同速叠合成一整体后平稳往前流动，这样就彻底消除了现有离心泵中所存在的潜流、水击和折流所产生的无用功现象，无论是高压泵或中压泵其运行效率都得到了空前提高，即使是低压泵也能显示出优势。

如图3所示，本实施例中，相邻导流叶片41之间的重叠长度为a₁，单个导流叶片41的长度为a₂，a₁＞(a₂/2)。通过合理设置导流叶片41的数量，使得相邻导流叶片41之间的重叠长度达到单个导流叶片41长度的一半以上，有利于引导流体顺着导流流道42输出，并且有利于保持流体输出角度与蜗壳流道8内部的螺旋角度保持同向，也就是各导流叶片41的出口角度流向与蜗壳流道8内主流方向相平行，流速也相近，使得流体在导流流道42中同步往前流动，避免流体在蜗壳流道8内产生潜流、水击和折流等现象。

如图3所示，本实施例中，导流流道42的法向出口宽度为c，蜗壳流道8的喉部宽度为d，d≈(m-1)×c。因隔舌到喉部之间相差一个导流流道42出口宽度的距离，因此导流流道42出口的法向宽度总和减去一个导流流道42出口宽度后接近蜗壳流道8的喉部宽度，即使环形导流圈4出口流速有少量差别，也会在蜗壳流道8内瞬间实现自动平衡，不会造成大的扰动。

采用上述结构后，使导流叶片41展开摊平后成为一个近似长条梯形的曲面叶片。因叶片比较长，所以其梯形两边角度也不大，对水流扩散布满全空间有利。至于导轮外径多大为宜，从便于加工工艺考虑为准，一般取单边高为叶轮直径的十分之一左右为宜。高速水流喷于曲面叶片上是会自然扩散成一薄扇形的水层，最后形成水带，有利于降低流速和转化能量。每块扇形水层出口成为连续不断的“水带”汇合成为整体后等速推着蜗壳流道8中的水流连续往前流，这样几乎可以将流体的绝大部分动能转化为静压力，而损耗的动能会大大降低。

如图5所示，本实施例中，环形导流圈4的横截面内腔由内向外呈喇叭形。进一步地，环形导流圈4的入水口宽度b₁比叶轮3的出水口宽度b₂略大，例如b₁可以比b₂大2mm～4mm，以防止装配偏差；环形导流圈4的出水口宽度与蜗壳流道8的轴向宽度相等。

如图3和图4所示，本实施例中，蜗壳流道8的径向宽度由隔舌前沿到喉部按照阿基米德螺旋线规律逐步加宽，蜗壳流道8的轴向宽度与喉部同宽，蜗壳流道8在喉部的横截面处近似呈正方形。蜗壳流道8中的平均流速约取6m/s，出口处流速约取3m/s。进一步地，蜗壳流道8的横截面从喉部至出水口逐步由方形过渡为圆形。

本实施例中，通过将蜗壳流道8的横截面设计成矩形结构，从隔舌开始一直到喉部逐渐按阿基米德螺旋线规律将蜗壳流道8的径向宽度逐步增加，蜗壳流道8的轴向宽度则与喉部保持同宽，并且蜗壳流道8在喉部的横截面处略为正方形，蜗壳流道8从喉部开始至出水口逐步过渡为圆形结构，有效避免了蜗壳流道8内流体的横向迁移和互相错位扰动，并使得流体均匀充满了蜗壳流道8，提高了流体输送的稳定性和离心泵的吸水扬程。

如图6所示，本实施例中，环形导流圈4的导流叶片41入水角度与叶轮3出水三角形中的绝对速度C₂同向同角；环形导流圈4的导流叶片41出水角度与泵壳1壁的螺旋线角度相等；使得流体在离心泵内保持较佳的流动状态，彻底消除了流体撞击到蜗壳流道8内壁而损失动能。

由图6中叶轮流道出口三角形可知，其中的绝对速度C₂和α₂角是受叶轮线速度u₂和出口相对速度W₂的大小而制约的，在u₂和β₂角确定后应该只有一个最佳新的W₂存在，并且给出一个新的β₂角后又会有一个最佳W₂存在，C₂和α₂也会一同改变，这里C₂和α₂不会受蜗壳内形状和流态所制约，而是当β₂角和u₂确定后W₂的大小直接影响到C₂和α₂的取值。这只是流体在叶轮流道出口时一瞬间产生的，流体在蜗壳流道中如何流动就与此无关了。经过相关的计算后可知，对于扬程较低的泵而言，α₂和β₂的最高效率的组合角度是α₂＝11.53696°、β₂＝39.23152°；对于扬程较高的泵，因为叶轮直径加大后端面的水力摩擦损失上升很快，所以还是应该选择较大一点的β₂角以便将叶轮直径缩小点，这样所降低的摩擦力矩也许会更合算，此时β₂的角度可以选到40°～50°。

可以理解，本发明的技术构思也适合用于风机，因为空气与水都统称为流体，只是密度不同，都是流体力学研究的对象。许多工业部门如矿山和冶金以及工业锅炉和采暖通风、除尘以及造纸和食品工业的干燥工程等，都需要中压以上的离心式鼓风机，这些风机的动力都较大而且效率都偏低，因为这些风机都是使用单位的辅助设备，不易被用户察觉，所以也是需要解决的大问题，完全可以应用以上技术方案来提高这些风机的运行效率，使众多生产单位受益。希望所有单级离心泵和离心式风机的运行效率都能提高到90％以上，也包括双吸高扬程泵。

虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种离心泵，其特征在于，包括：泵壳(1)及安装于泵壳(1)内的叶轮(3)，所述叶轮(3)包括n个叶片(31)，相邻所述叶片(31)之间形成叶轮流道(32)，所述泵壳(1)的内周设置有横截面呈矩形的蜗壳流道(8)，在所述蜗壳流道(8)内圈与叶轮(3)外径之间设置一圈环形导流圈(4)，所述环形导流圈(4)包括m个导流叶片(41)，相邻所述导流叶片(41)之间形成导流流道(42)；n和m均为正整数。

2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，相邻所述导流叶片(41)之间的重叠长度为a₁，单个导流叶片(41)的长度为a₂，a₁＞(a₂/2)。

3.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述导流流道(42)的出口法向宽度为c，所述蜗壳流道(8)的喉部宽度为d，d≈(m-1)×c。

4.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述环形导流圈(4)的横截面内腔由内向外呈喇叭形。

5.根据权利要求4所述的离心泵，其特征在于，所述环形导流圈(4)的入水口宽度b₁大于叶轮(3)的出水口宽度b₂，以弥补安装偏差；环形导流圈(4)的出水口宽度与蜗壳流道(8)的轴向宽度相等。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的离心泵，其特征在于，所述蜗壳流道(8)的径向宽度由隔舌前沿到喉部按照阿基米德螺旋线规律逐步加宽，蜗壳流道(8)的轴向宽度与喉部同宽，所述蜗壳流道(8)在喉部的横截面呈近似正方形。

7.根据权利要求6所述的离心泵，其特征在于，所述蜗壳流道(8)的横截面从喉部至出水口逐步由方形过渡为圆形。

8.根据权利要求6所述的离心泵，其特征在于，所述导流叶片(41)的入水角度与叶片(31)出水三角形中的绝对速度C₂同向同角；导流叶片(41)的出水角度与泵壳(1)外沿壁的螺旋线角度相等。

9.根据权利要求1至5中任意一项所述的离心泵，其特征在于，所述导流叶片(41)展开后为近似梯形叶片。

10.根据权利要求1至5中任意一项所述的离心泵，其特征在于，所述叶轮流道(32)无扩散角，所述叶轮流道(32)的出口弧长与进口弧长相等，多余的扇形面积由叶片(31)的出口端加厚所覆盖。

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