一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法
【专利摘要】本发明涉及轴流泵，特指一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法。其特征在于：在叶轮工作面和叶顶的交界处倒圆角，倒角半径为叶片中截面叶顶厚度的1/6~1/2，考虑到在靠近进口边和出口边处叶片较薄，在靠近进口边和出口边5~10°的位置，即叶顶区域A、B倒角半径可以有所减小,为叶片中截面叶顶厚度的1/5。本发明的有益效果是：有效抑制了轴流泵叶顶区的角涡，改善了叶顶区的流场，防止泄漏流出现严重空化，提高了泵运行的稳定性。
【专利说明】一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及轴流泵，特指一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法，可减小轴流泵 叶顶间隙内的空蚀破坏，提高泵水力效率和运行可靠性，属于流体机械【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 目前，在现有的轴流泵水力设计中，常常将叶轮工作面和叶顶区设计成直角 过渡；这样的设计便于加工，也是由于过去的技术手段有限，无法对叶顶区角涡进行深 入研究，无法研究角涡对轴流泵内流场及空化性能的影响；近十几年来，计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD)发展迅猛，功能不断完善的商用计算软件为CFD的 工程运用提供了良好的平台；基于CFD流场分析、高速摄影（High Speed Photography)以及 粒子呈像速度仪（Particle Image Velocimetry, PIV)技术，发现了对轴流泵叶顶间隙区的 角涡空蚀破坏现象；叶轮轮缘和泵壳之间的间隙被称为叶顶间隙；由于叶片工作面和背面 的压力差，流体会通过叶顶间隙，从工作面流到背面，形成了泄漏流；泄漏流在叶轮旋转剪 切流作用下，与主流卷吸形成叶顶泄漏涡，会对轴流泵近30%的流动区域产生影响；角涡产 生于叶轮工作面和叶顶区的拐角处，故称角涡；由于涡心的压力低，容易诱导空化，角涡是 传统叶轮发生泄漏流动的初始形态，产生初始气核，并对叶顶产生空蚀破坏，若轴流泵叶顶 间隙被增大后，会导致泵水力损失增大，降低效率；且叶顶泄漏涡的影响范围也增大，会对 整泵的性能和运行稳定性具有重要的影响。
[0003] 目前市场上的轴流泵工作面和叶顶的交界一般为直角，这会导致在泵实际 运行时产生角涡空化，诱发严重泄漏涡空化，影响轴流泵的性能；例如专利申请号 201010112785. 3的《化工反应器用轴流泵叶轮》、专利号为：ZL95103466. 9的《前导轮立式 轴流泵》，均为传统叶顶设计，并未意识到如何抑制、改进泄漏流对泵性能的影响；专利申请 号02133456. 0的《轴流泵叶轮叶片》，使用了经验系数与理论推导的方法，考虑到叶轮外缘 间隙影响的修正，叶端设计为加长前倾的扭曲形状，但是并没有针对角涡进行讨论；目前尚 无相关专利对角涡问题进行处理。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本专利创新了一种消除轴流泵叶顶角涡的方法，在叶轮工作面 和叶顶的交界处改变叶片的截面结构，用一定大小的圆弧代替叶顶工作面直角结构。
[0005] 角涡消除的原理如图3所示；在叶片工作面叶顶区，由于工作面和背面压差驱动 下，工作面流体将沿着叶顶间隙向叶片背面低压面运动，若叶顶工作面拐角为直角，流体在 直角的阻碍下，与叶顶叶片工作面形成夹角α，向叶顶间隙运动；同时在泵壳附近，存在与 主流方向相反的泄漏流，在泄漏流剪切力作用下，则工作面流体在拐角处形成一个旋涡微 团，即角涡结构；本发明将叶顶工作面拐角的直角结构创新为一定大小的圆弧结构，圆弧结 构为工作面流提供了流线型入口，工作面流可顺着圆弧，沿着叶顶间隙向叶片背面流动，从 流动结构消除了角涡；其叶顶与泵壳内壁面的距离取之为D 2/1000, D2为叶片的外径。
[0006] 本发明找到了圆弧拐角的大小规律，既不影响轴流泵的其他性能，还能消除了叶 顶间隙的角涡空蚀；当倒圆半径过小时，角涡消除不明显；当倒圆半径过大时，泄漏流量又 会增大，反而影响轴流泵容积效率，所以存在一个较为合适的倒圆半径范围，使得在不对泵 容积效率有很大影响的情况下，也能对角涡进行有效地抑制。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在叶片工作面和叶顶的交界处倒圆 角，倒角半径为叶片中截面叶顶厚度的1ΑΓ1/2 ;考虑到在靠近叶片进口边和叶片出口边 处叶片较薄，在靠近进口边和出口边5~10°的位置，即叶顶区域A、B倒角半径可以有所减 小，为叶片中截面叶顶厚度的1/5。
[0008]
【专利附图】
【附图说明】 图1为轴流泵三维轴向剖分及叶片中截面位置示意图。
[0009] 图2轴流泵叶顶区角涡和叶顶泄漏涡在叶片中截面的示意图， 3为中截面叶顶厚度。
[0010] 图3为角涡消除的原理图。
[0011] 图4为轴流泵叶顶倒圆在叶片中截面的示意图。
[0012] 图5为典型轴流泵叶片轴向视图。
[0013] 图6为轴流泵叶顶倒圆三维模型。
[0014] 图7为不同叶顶倒圆半径叶轮中角涡大小的对比。
[0015] 图1中，1.导流帽，2.叶片，3.轮毂，4.导叶，5.泵壳，6.泵轴，7.叶片中截面， 8.叶片工作面，9.叶片背面，10.叶顶区。
[0016] 图3中，11.主流，12.工作面流，13.泄漏流，14.旋涡微团，15.圆弧。
[0017] 图5中，区域A、B分别为距进水边和出水边5~10°的叶顶区域。
[0018] 图6中，16.工作面和叶顶区的交界，即为需倒角的边，17.进口边，18.出口边。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合附图和某型号轴流泵对本发明作进一步的详细描述： 如图1，主流从左向右流动；叶片2和导叶4为轴流泵中的关键水力部件，决定了轴流 泵的水力性能；泵轴6带动轮毂3、导流帽1和叶片2 -起旋转，导叶4保持静止，流体在叶 拐角片工作面8上受到力作用动能增加，以一定的角度流向导叶4,在导叶中动能逐渐转换 成压力能，泵壳5和叶片2之间存在一定的叶顶间隙，导致流体从工作面8流向背面9,与主 流相冲撞。
[0020] 若叶顶工作面8圆弧半径过大，则泄漏量增大，降低了泵的容积效率进而影响泵 整体的效率；若倒角半径过小，则角涡减弱不明显。
[0021] 在图4和图6中，对叶片2工作面8与叶顶区10的直角倒圆，倒圆半径分别为 r = 5/6，r = 5/3, r = 25/3 ,即分别为5为中截面叶顶厚度，倒圆后的叶片中截面的形状 如图4b, c, d所示，倒圆后的三维叶轮如图6b, c, d所示。
[0022] 如图5所示，在靠近进口边和出口边5~10°的位置，即叶顶区域A、B倒角半径可 以有所减小，为叶片中截面叶顶厚度的1/5。
[0023] 倒圆后角涡消除的情况如图7所示，可以从示意图中看出随着倒圆半径的增大， 角润区域明显减小，未倒圆以及倒圆半径为r = <5/6 =1謹，r = <5/3 =2謹，r = 25/3 =4mm时 的角涡旋涡强度最大值分别为10000s-1，3480s-1，2300 s-1，1878 S-1，角涡强度明显减小。
[0024] 根据水泵的经典设计理论，随着倒圆半径的增大，泄漏流量也随之增大。
[0025] 在叶轮工作面和叶顶的交界处倒圆角，倒角半径为叶片中截面叶顶厚度<5的 1ΑΓ1/2,考虑到在靠近进口边和出口边处叶片较薄，倒角半径应相应减小，为叶片中截面 叶顶厚度的1/5。
【权利要求】
1. 一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法，轴流泵包括叶片工作面、叶顶和转轮室，其 特征在于：在轴流泵的叶片工作面和叶顶的交界处倒圆角。
2. 如权利要求1所述的一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法，其特征在于：所述圆 角半径为叶片中截面叶顶厚度的1ΑΓ1/2。
3. 如权利要求2所述的一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法，其特征在于：考虑到 在靠近叶片进口边和叶片出口边处叶片较薄，在靠近进口边和出口边5~10°的位置，即叶 顶区域A、B倒角半径可以有所减小，为叶片中截面叶顶厚度的1/5。
4. 如权利要求1所述的一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法，其特征在于：叶顶与 转轮室内壁面的距离取为D2/1000, D2为叶片外径。
【文档编号】F04D29/18GK104047889SQ201410250506
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】张德胜, 王海宇, 施卫东, 潘大志, 陈健, 石磊 申请人:江苏大学