一种叶轮、切割方法及其应用与流程

本发明涉及一种叶轮、切割方法及其应用。

背景技术：

泵在运转时，转子上作用着轴向力。如果不采取措施来平衡轴向力，此轴向力会拉动转子轴向串动，使动静部件发生碰撞、摩擦，造成轴承损坏及相应零部件损坏，甚至断轴而不能工作，严重影响泵的正常运行，造成的损坏或断轴，需及时维修更换，增加了维修成本。

传统平衡轴向力采用的措施有平衡孔、双吸式叶轮、叶轮对称布置、背叶片、平衡鼓、平衡盘等。采用平衡孔的措施时，必须在叶轮后盖板上设密封环，常用于单级泵；采用双吸式叶轮或叶轮对称布置的措施时，只能用在特定结构的泵上；采用背叶片、平衡鼓、平衡盘等措施时，都是另外增加的装置，增加了成本，使泵结构复杂，且故障率高。

要平衡轴向力，轴向力的准确计算至关重要。传统轴向力计算大多采用经验公式法和试验法，轴向力经验公式多种多样，不同公式计算出来的轴向力大小不一样甚至相差很大，而用试验方法获得最佳结构参数又将耗费大量时间精力。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题而提供一种叶轮、切割方法及其应用，通过对叶轮后盖板进行特殊切割，使叶轮应用于泵、泵处于工作状态时，能大为减少叶轮上产生的轴向力，避免增加零部件等措施平衡轴向力，减少额外成本的投入，也避免结构复杂，减轻产品重量，即减少了维修率，也减少了维修更换成本，还提高了泵的有效工作效率；此外，在不改变叶轮原有水力设计、不增加新装置的基础上，降低轴向力，提高产品寿命和运行可靠性，并提高泵的扬程。

本发明的上述技术目的主要是通过以下技术方案解决的：一种叶轮，包括前盖板、后盖板和设于前盖板和后盖板之间的复数片叶片，每片所述叶片的两侧分别与所述前盖板和后盖板形成连接，其特征在于所述后盖板上设于若干切割缺口，每个所述切割缺口分别位于相邻的两片所述叶片之间，每个所述切割缺口都为三角形，所述三角形的两边为曲线边、另一边为直线边，所述叶片i的背面与后端盖外圆的交点为a点，位于所述叶片i弯曲方向的、相邻的所述叶片ii的工作面与后端盖外圆的交点为b点，所述的一曲线边为a点与b点之间的圆弧段ab，所述a点到所述叶片ii工作面的垂线为aa´，所述另一曲线边的一端点为c点，所述a点与c点的连线与所述垂线aa´之间的夹角为θ。

通过对叶轮后盖板进行特殊切割，使叶轮应用于泵、泵处于工作状态时，能大为减少叶轮上产生的轴向力，避免增加零部件等措施平衡轴向力，减少额外成本的投入，也避免结构复杂，即减少了维修率，也减少了维修更换成本，还提高了泵的有效工作效率。

在叶轮的后盖板上切掉曲边三角形形状的切割缺口，通过三维建模，采用ansys-icem软件划分网格，将划分好的网格模型导入ansys-cfx软件进行数值模拟，得到不同切割量（即夹角θ取值不同角度）时，在不同流量下，建立流量-扬程曲线图、流量-轴向力曲线图；通过分析扬程曲线和轴向力曲线，综合考虑，选取扬程较高、轴向力较低的切割量。本技术方案是在不改变叶轮原有水力设计，不增加新装置的基础上，降低轴向力，提高产品寿命和运行可靠性，并提高泵的扬程，节省材料，减轻产品重量。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：所述连线ac位于所述垂线aa´右侧时，所述的夹角θ为负值，反之，所述连线ac位于所述垂线aa´左侧时，所述的夹角θ为正值，所述夹角θ的取值区间为：-20°~20°。在不同取值前提下，通过分析扬程曲线和轴向力曲线，综合考虑，选取扬程较高、轴向力较低的切割量。

常规的取值情况为：所述夹角θ值为-20°、-10°、0、10°、20°。常规的取值

一种叶轮的后盖板切割方法，用于切割所述后盖板上的切割缺口，每个所述切割缺口都为三角形，所述三角形的两边为曲线边、另一边为直线边，其特征在于所述的步骤包括：

确定曲线边ab：选取相邻的叶片i和叶片ii，分别确定a点和b点：所述叶片i的背面与后端盖外圆的交点为a点，位于所述叶片i弯曲方向的、相邻的所述叶片ii的工作面与后端盖外圆的交点为b点，所述圆弧段ab即为曲线边ab；

确定基准垂线aa´：所述a点到所述叶片ii工作面的垂线即为基准垂线aa´；

确定c点：所述c点位于所述叶片ii背面上，所述bc为另一曲线边，所述直线ac即为直线边，所述直线ac与所述垂线aa´之间的夹角为θ；

切割缺口abc；

重复上述步骤，依次切割各个所述切割缺口。

在不增加其它装置的条件下，通过切割叶轮后盖板，运用cfd技术计算出最佳方案，该方法设计简单，计算方便准确，不仅能降低轴向力，提高产品寿命和运行可靠性，还能提高扬程，减轻叶轮重量，节省材料。

计算流体力学（computationalfluiddynamics，cfd）技术被广泛应用于泵的性能预测，cfd技术已成为计算轴向力大小和变化趋势的最有效研究手段之一。

确定所述夹角θ的取值范围：所述夹角θ的取值区间为：-20°~20°，所述连线ac位于所述垂线aa´右侧时，所述的夹角θ为负值，反之，所述连线ac位于所述垂线aa´左侧时，所述的夹角θ为正值；

所述夹角θ值为-20°、-10°、0、10°、20°。

对叶轮进行三维建模，根据不同θ角，形成不同的叶轮模型，所述的叶轮模型为完成对后盖板进行切割后的叶轮模型，对叶轮模型中的流体区域，用ansys-icem软件划分网格，导入ansys-cfx软件进行数值模拟；

对模拟的数值结果进行后处理，作出流量-扬程曲线，流量-轴向力曲线；选取θ角最佳值的方案，用于切割缺口。

一种卧式多级离心泵，其特征在所述叶轮为权利要求1所述的叶轮。

本发明具有的有益效果：1、通过对叶轮后盖板进行特殊形状的切割，使叶轮应用于泵、且泵处于工作状态时，能大为减少叶轮上产生的轴向力，避免增加零部件等措施平衡轴向力，减少额外成本的投入，也避免结构复杂，减轻泵重量，即减少了泵的维修率，也减少了维修更换成本，还提高了泵的有效工作效率。2、在不改变叶轮原有水力设计、不增加新装置的基础上，降低作用于叶轮的轴向力，提高叶轮及周边部件的寿命，提高泵的运行可靠性，并提高泵的扬程。3、通过三维建模的方式，对夹角θ进行不同大小的取值，通过ansys-icem软件划分网格，导入ansys-cfx软件进行数值模拟，并采用cfd技术计算出夹角θ的最佳取值，使切割缺口为最佳切割区域，最终使叶轮工作时作用于叶轮的轴向力最小。4、切割方法步骤简洁，易于操作，且通过三维建模和数值模拟计算，能够精确最佳的切割缺口区域，提高了加工精度。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明涉及的叶轮未切割状态的结构示意图。

图3是本发明中后盖板不同切割角的流量-扬程曲线示意图。

图4是图3中的局部结构示意图。

图5是本发明中后盖板不同切割角的流量-轴向力曲线示意图。

图6是本发明中后盖板切割前、切割角θ=10°时的流量-扬程、流量-轴向力曲线示意图。

图7为本发明中叶轮切割方法的流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种叶轮，如图1所示，包括前盖板1、后盖板2和设于前盖板和后盖板之间的复数片叶片3，每片所述叶片的两侧分别与所述前盖板和后盖板形成连接。如2所示，所述后盖板上设于若干切割缺口4，每个所述切割缺口分别位于相邻的两片所述叶片之间（所述切割缺口形成于叶片i和叶片ii所形成的流道上），每个所述切割缺口都为三角形，所述三角形的两边为曲线边、另一边为直线边，所述叶片i的背面与后端盖外圆的交点为a点，位于所述叶片i弯曲方向的、相邻的所述叶片ii的工作面与后端盖外圆的交点为b点，所述的一曲线边为a点与b点之间的圆弧段ab，所述a点到所述叶片ii工作面的垂线为aa´，所述另一曲线边的一端点为c点，所述a点与c点的连线与所述垂线aa´之间的夹角为θ。

在叶轮后盖板上切掉不同的曲边三角形形状（即对夹角θ不同取值）的切割缺口，对切割缺口（或流体区域）通过三维建模，采用ansys-icem软件划分网格，将划分好的网格模型导入ansys-cfx软件进行数值模拟，得到不同切割量时，不同流量下的流量-扬程、流量-轴向力曲线；通过分析扬程曲线和轴向力曲线，综合考虑，选取扬程较高、轴向力较低的切割量。本技术方案是在不改变叶轮原有水力设计，不增加新装置的基础上，降低轴向力，提高产品寿命和运行可靠性，并提高泵的扬程，节省材料，减轻产品重量。

扬程升高的原因分析：如图3所示，夹角θ不同取值情况下，分别切割后盖板，切割后叶轮的扬程都比较接近，说明切割角对扬程影响不大，但都高于不切割后盖板时的扬程，说明切割后盖板可以提高扬程。如图4所示，扬程升高最主要的原因是：切割完后盖板，叶片宽度增加（增加了后盖板的厚度a，切割之后，叶片宽度为后盖板的厚度a+叶片宽度b），叶片作功能力增强，所以扬程增加；因为增加的厚度为盖板厚度，所以叶片出口宽度越小，盖板厚度相对叶片出口宽度的比值就越大，对扬程增加的效果就越明显。

所述连线ac位于所述垂线aa´右侧时，所述的夹角θ为负值，反之，所述连线ac位于所述垂线aa´左侧时，所述的夹角θ为正值，所述夹角θ的取值区间为：-20°~20°。

所述夹角θ值为-20°、-10°、0、10°、20°。

轴向力减小的原因分析：如图5所示，切割量为最小的200时，轴向力方向由负变正，绝对值减小，随着切割量增加，轴向力方向由正变负，绝对值先减小后增大，切割量为-200时，轴向力绝对值甚至大于不切割后盖板时的轴向力，说明切割量存在一个最佳值，本产品叶轮最佳切割量为100，大小接近于0。轴向力减小的原因是切割之后，后盖板面积减小，而作用在前盖板上的力几乎必变，所以总轴向力也减小，但切割量继续增加，会引起后盖板附近的压力增大，导致轴向力反而增大。

如图6所示，以切割角θ=10°为例，通过流量-扬程、流量-轴向力曲线显示，明显比不切割时，叶轮的扬程得到提升的同时，同时大为减少了轴向力。

如图7所示，一种叶轮的后盖板切割方法，用于切割所述后盖板上的切割缺口，每个所述切割缺口都为三角形，所述三角形的两边为曲线边、另一边为直线边，其特征在于所述的步骤包括：

确定曲线边ab：选取相邻的叶片i和叶片ii，分别确定a点和b点：所述叶片i的背面与后端盖外圆的交点为a点，位于所述叶片i弯曲方向的、相邻的所述叶片ii的工作面与后端盖外圆的交点为b点，所述圆弧段ab即为曲线边ab；

确定基准垂线aa´：所述a点到所述叶片ii工作面的垂线即为基准垂线aa´；

确定c点：所述c点位于所述叶片ii背面上，所述bc为另一曲线边，所述直线ac即为直线边，所述直线ac与所述垂线aa´之间的夹角为θ；

切割缺口abc；

重复上述步骤，依次切割各个所述切割缺口。

在不增加其它装置的条件下，通过切割叶轮后盖板，运用cfd技术计算出夹角θ的最佳取值。该方法设计简单，计算方便准确，不仅能降低轴向力，提高产品寿命和运行可靠性，还能提高扬程，减轻叶轮重量，节省材料。

计算流体力学（computationalfluiddynamics，cfd）技术被广泛应用于泵的性能预测，cfd技术已成为计算轴向力大小和变化趋势的最有效研究手段之一。

确定所述夹角θ的取值范围：所述夹角θ的取值区间为：-20°~20°，所述连线ac位于所述垂线aa´右侧时，所述的夹角θ为负值，反之，所述连线ac位于所述垂线aa´左侧时，所述的夹角θ为正值；

所述夹角θ值为-20°、-10°、0、10°、20°。

对叶轮进行三维建模，根据不同θ角，形成不同的叶轮模型，所述的叶轮模型为完成对后盖板进行切割后的叶轮模型，对叶轮模型中的流体区域，用ansys-icem软件划分网格，导入ansys-cfx软件进行数值模拟；

对模拟的数值结果进行后处理，作出流量-扬程曲线，流量-轴向力曲线；选取θ角最佳值的方案，用于切割缺口。

一种卧式多级离心泵，其内的叶轮为上述叶轮，叶轮上具有三角形切割缺口。本技术方案是在不改变叶轮原有水力设计，不增加新装置的基础上，降低轴向力，提高产品寿命和运行可靠性，并提高泵的扬程，节省材料，减轻产品重量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。在上述实施例中，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。