CN117627955B - 一种防破乳的胶乳泵叶轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种防破乳的胶乳泵叶轮，属于化工生产设备技术领域。目前的研究表明，胶乳在通过胶乳泵输送的过程中发生破乳现象主要原因是由于胶乳受到的剪切应力过大导致的。本发明采用半开式离心泵结构，通过在叶片顶部与前盖板上设置凹坑结构，并在叶片的工作面设有与叶片顶部相切的半圆弧形凹槽结构，当叶轮转动时，流体以较高速度运动到叶顶间隙附近时，流体在凹槽附近发生流动滞止，流速下降压力升高，形成局部高压区，阻碍流体进入叶顶间隙，由于前盖板和叶片顶部凹坑的设置，流体流过叶顶间隙时会在该结构处形成涡旋，造成能量耗散，并使流动阻力增大，叶顶间隙泄漏流的流速降低，从而降低流体的剪切应力，起到防止胶乳破乳的作用。
Description
技术领域
本发明属于化工生产设备技术领域。
背景技术
离心泵是一种依靠叶轮旋转产生的离心力来输送流体介质的机械装置，它能够使流体介质通过离心力的作用从低压区域输送到高压区域，实现流体的输送和压力的增加。离心泵广泛应用于石油、化工、电力、冶金、水处理等各个生产领域，用于泵送原料、产品和废水处理等工艺过程。其中，半开式离心泵由于其介质适应性强、维护方便以及结构紧凑等的特点，使得其在化工生产领域中得到广泛的应用。
ABS树脂，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，在电子电器、仪器仪表、汽车、建材工业和日用制品等方面具有广泛应用，工业生产主要采用乳液接枝、乳液接枝掺合法等方法。上述方法中的胶体乳液（胶乳）是一种聚合物水分散体，其具有多相性、高粘性、不稳定性等性质。作为生产工艺中的一种重要的原料，其质量的高低决定着产品性能的好坏，但是由于胶乳本身是一种热力学亚稳定状态，外界的条件改变会使其从稳定状态转变为不稳定状态。在化工生产中通常采用半开式离心泵来输送胶乳介质，统称为胶乳泵，因此在胶乳泵输送过程中极易发生破乳凝聚的现象，破乳凝聚一方面影响胶乳聚合物产品质量，另一方面引起泵的流道及输送管道堵塞，从而影响生产效率。
目前的研究表明，胶乳在通过胶乳泵输送的过程中发生破乳现象主要原因是由于胶乳受到的剪切应力过大导致的。究其原因是由于泵的内部结构设计不合理，使胶乳介质在泵内受到的剪切应力过大，导致胶乳发生破乳凝聚。因此，通过调整泵内结构，改善泵内流体的剪切应力分布，才能避免破乳现象的发生。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种防破乳的胶乳泵叶轮，采用了一种离心泵叶轮结构，用于减小离心泵内流体的剪切应力分布，从而避免胶乳介质在泵的输送过程中发生破坏。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种防破乳的胶乳泵叶轮，包括前盖板1、叶片2和后盖板3；所述叶片2设置在后盖板3上，多个叶片2按照周向均匀布置；叶片2顶部设有圆柱形凹坑4，且圆柱形凹坑4的底部为半球形凹陷；前盖板1安装在叶片2上方，前盖板1与叶片2相对应的一侧布满与叶片2顶部相同的圆柱形凹坑4和半球形凹陷；所述叶片2的工作面设有与叶片2顶部相切的半圆弧形凹槽结构5。
进一步地，所述前盖板1上分布的圆柱形凹坑4直径与叶片2横截面最大宽度之比为1:4，圆柱形凹坑4深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8，圆柱形凹坑4底部半球形凹陷的凹陷深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8。
进一步地，所述叶片2顶部分布的圆柱形凹坑4直径与叶片2横截面最大宽度之比为1:4，圆柱形凹坑4深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8，圆柱形凹坑4底部半球形凹陷的凹陷深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8。
进一步地，所述叶片2顶部分布的圆柱形凹坑4沿叶顶间隙泄漏流的流向排列分布。
进一步地，所述叶片2工作面的半圆弧形凹槽5直径与所在叶片2横截面宽度之比为1:3。
进一步地，叶片2顶部与前盖板1间的距离为0.1mm到0.9mm之间。
本发明的有益效果：
本发明在叶片的工作面顶部增加凹槽结构，当叶轮转动时流体产生相对运动，由于凹槽的存在，流体会在凹槽附近发生流动滞止，流速下降压力升高，形成局部高压区，产生逆压梯度阻碍流体进入叶顶间隙，同时凹槽的存在会改变流体的流动方向，使原本要进入叶顶间隙的流体改变流向，从而降低剪切应力。另外，在叶片顶部设置有沿着间隙泄漏流的流向排列分布的凹坑，在前盖板靠叶轮的一面设置有与叶顶相同尺寸的凹坑。当叶轮转动时，叶顶间隙处的流体会在前盖板的凹坑和叶顶的凹坑内形成涡旋，产生能量损失，而当叶顶的凹坑和前盖板的凹坑位置接近重合时，上下凹坑中的涡旋将形成干扰，产生额外的能量损失。同时，由于叶顶的凹坑沿着间隙泄漏流的流向排列分布，因此在泄漏的过程中能量损失急剧增大，流速降低，从而降低了叶顶间隙处流体的剪切应力。最终达到防止胶乳破乳凝聚的目的。
附图说明
图1为本发明防破乳的胶乳泵叶轮结构图；
图2为去掉上盖板的叶轮结构图；
图3为叶片及叶片顶部结构示意图；
图4为上盖板内侧结构示意图；
图5叶片截面上半圆弧形凹槽结构、圆柱形凹坑和半球形凹陷示意图；
图6胶乳泵流面的剪切应力分布图；
图7不同设计的流面的剪切应力对比数据。
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，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
如图1~图4所示，本实施例中的一种防破乳的胶乳泵叶轮，包括前盖板1、叶片2和后盖板3。所述叶片2设置在后盖板3上，多个叶片2按照周向均匀布置；叶片3顶部设有圆柱形凹坑4，且圆柱形凹坑4的底部为半球形凹陷；前盖板1安装在叶片2上方，前盖板1与叶片2相对应的一侧布满与叶片2顶部相同的圆柱形凹坑4和半球形凹陷；所述叶片2的工作面设有与叶片顶部相切的半圆弧形凹槽结构5。
所述前盖板1上分布的圆柱形凹坑4直径与叶片2横截面最大宽度之比为1:4，圆柱形凹坑4深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8，圆柱形凹坑4底部半球形凹陷的凹陷深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8。
所述叶片2顶部分布的圆柱形凹坑4直径与叶片2横截面最大宽度之比为1:4，圆柱形凹坑4深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8，圆柱形凹坑4底部半球形凹陷的凹陷深度与叶片2横截面最大宽度之比为1:8。
所述叶片2顶部分布的凹坑沿叶顶间隙泄漏流的流向排列分布。
所述叶片叶顶工作面一侧设有半圆弧形凹槽5，半圆弧形凹槽与叶片顶部相切，半圆弧形凹槽直径与所在叶片横截面宽度之比为1:3。
本发明实现低剪切应力的工作原理是：当离心泵正常运转时，泄漏流从叶片压力面通过叶顶间隙流向吸力面，经研究发现，半开式离心泵内流体的剪切应力分布最剧烈的位置主要位于叶顶间隙处。因此，通过对叶顶位置的结构改型设计，布置新的叶顶结构，改善叶顶间隙处的流动剪切状况。当叶轮转动时，泵中的流体发生相对运动。当流体以较高速度运动到叶顶间隙附近时，由于叶顶间隙处凹槽的存在，流体在凹槽附近发生流动滞止，流速下降压力升高，形成局部高压区，阻碍流体进入叶顶间隙，从而降低剪切应力。另外，在叶片顶部设置有沿着间隙泄漏流的流向排列分布的凹坑，在前盖板靠叶轮的一面设置有与叶片顶部相同尺寸的凹坑。当叶轮转动时，叶顶间隙处的流体会在前盖板的凹坑和叶顶的凹坑内形成涡旋，产生能量耗散，同时，部分流体会在前盖板的凹坑和叶顶的凹坑之间曲折流动，流动路径延长，流动阻力增大，这将使泄漏流的流速降低，从而降低了叶顶间隙处流体的剪切应力。
通过流变实验将胶乳的流变特性数据测出后输入CFD软件进行模拟试验。图6为胶乳泵某一叶顶间隙高度下流面的剪切应力分布图。为了显示所设计结构对于降低剪切应力的效果，分别取原泵结构、在原泵结构基础上设置半圆弧形凹槽5、在原泵结构基础上设置凹坑结构4、在原泵结构基础上同时设置凹坑结构4和半圆弧形凹槽5，并将以上四种泵结构分别记为A、B、C、D，并对该四种泵结构进行数值计算，对叶顶间隙处所产生的剪切应力进行对比分析。以泵前盖板为起点，对四种泵结构分别取叶顶间隙高度的10%、30%、50%、70%、90%流面剪切应力最大值进行对比。
如图7所示，可见，相比原始泵，在胶乳泵叶片叶顶工作面一侧添加半圆弧形凹槽可使叶顶间隙处的剪切应力有所降低，在靠叶片一侧的前盖板和叶片顶部添加所设计凹坑可使叶顶间隙处的剪切应力显著降低，在胶乳泵上同时添加以上两种结构可最大程度的降低叶顶间隙处的剪切应力。以上实验结果可以证明本实施例所提供的泵结构对于降低泵叶顶间隙的剪切应力有一定作用，因此本发明所提出的胶乳泵能够具有防止破乳的效果。
Claims (6)
1.一种防破乳的胶乳泵叶轮，其特征在于，所述胶乳泵叶轮包括前盖板（1）、叶片（2）和后盖板（3）；所述叶片（2）设置在后盖板（3）上，多个叶片（2）按照周向均匀布置；叶片（2）顶部设有圆柱形凹坑（4），且圆柱形凹坑（4）的底部为半球形凹陷；前盖板（1）安装在叶片（2）上方，前盖板（1）与叶片（2）相对应的一侧布满与叶片（2）顶部相同的圆柱形凹坑（4）和半球形凹陷；所述叶片（2）的工作面设有与叶片（2）顶部相切的半圆弧形凹槽结构（5）。
2.根据权利要求1所述的防破乳的胶乳泵叶轮，其特征在于，所述前盖板（1）上分布的圆柱形凹坑（4）直径与叶片（2）横截面最大宽度之比为1:4，圆柱形凹坑（4）深度与叶片（2）横截面最大宽度之比为1:8，圆柱形凹坑（4）底部半球形凹陷的凹陷深度与叶片（2）横截面最大宽度之比为1:8。
3.根据权利要求1所述的防破乳的胶乳泵叶轮，其特征在于，所述叶片（2）顶部分布的圆柱形凹坑（4）直径与叶片（2）横截面最大宽度之比为1:4，圆柱形凹坑（4）深度与叶片（2）横截面最大宽度之比为1:8，圆柱形凹坑（4）底部半球形凹陷的凹陷深度与叶片（2）横截面最大宽度之比为1:8。
4.根据权利要求1所述的防破乳的胶乳泵叶轮，其特征在于，所述的叶片（2）顶部分布的圆柱形凹坑（4）沿叶顶间隙泄漏流的流向排列分布。
5.根据权利要求1所述的防破乳的胶乳泵叶轮，其特征在于，所述叶片（2）工作面的半圆弧形凹槽直径与所在叶片（2）横截面宽度之比为1:3。
6.根据权利要求1~4任意一项所述的防破乳的胶乳泵叶轮，其特征在于，叶片（2）顶部与前盖板（1）间的距离为0.1 mm到0.9 mm之间。
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|---|
| 离心泵仿生减阻增效涂层的涂覆工艺参数优化;田丽梅;张吉祥;梁颖;姚广海;商延赓;农业工程学报;20190323;第35卷(第6期);47-54 * |
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