一种主动控制压力脉动的离心泵叶轮的制作方法

本发明涉及流体机械领域，尤其是一种主动控制压力脉动的离心泵叶轮。

背景技术：

离心泵作为一种重要的流体输送装备，广泛应用于城市供水、航海、航空、消防等众多国民经济领域。由于离心泵流道扩散、叶片扭曲、高速旋转、动静部件的干涉等原因，离心泵内部的流动是复杂的三维、粘性、非定常流动，存在复杂的流动现象；如离心泵在运行过程中的进出口回流、空化现象、动静干涉、旋转失速等，这些流动现象会伴随着压力脉动的产生，而叶片出口端的压力脉动幅值大，脉动频率也比较复杂，是影响叶轮稳定运行的重要因素，目前研究认为离心泵内动静干涉诱发的压力脉动是造成泵产生低频振动的主要来源。当叶轮扫掠隔舌时，叶片出口端流体对导叶或者蜗壳隔舌进行周期性的冲击作用，将产生周期性的尾迹涡脱落，因此叶片出口端的高强度尾迹涡对泵的压力脉动性能影响显著，进而直接影响整台泵的运动性能。所以，针对叶轮出口结构进行优化设计，对泵压力脉动性能的提高具有重要的意义。

目前为止对离心泵压力脉动性能的研究有很多。khalifa在《exploringtheeffectofv-profiledcutatbladeexitofadoublevolutecentrifugalpump》研究中对叶片的出口尾缘进行v型切除，包括吸力面和压力面，以增加叶轮与隔舌之间的有效间隙，从而降低了动静干涉导致的压力脉动，但是这样对泵的外特性能有明显的降低；中国专利号“201711361217.5”公开了一种具有低压力脉动性能的离心泵叶轮，其特征在于，通过在叶轮叶片上设置引射缝，贯穿叶片，抑制叶片出口端周期性的尾迹涡脱落强度，进而获得低压力脉动特性；但是引射流增加了叶轮的水力损失，降低了离心泵的水力效率。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种主动控制压力脉动的离心泵叶轮的改进，该叶轮应能有效削弱脱落涡的强度，改善尾迹涡脱落结构，使叶轮出口的流动变得平缓，减小隔舌区域的动静干涉效应，提高整泵的压力脉动性能以及泵运行的外特性和安全性、稳定性。

本发明提出的而技术方案是：一种主动控制压力脉动的离心泵叶轮，包括带有进口的前盖板、带有轴套的后盖板以及安装在前盖板与后盖板之间的若干个叶片；所述前盖板与后盖板均为以旋转轴线为中心线的回转体，所述若干个叶片均布在前盖板与后盖板之间；每个叶片弯制成弧形且宽度方向平行于旋转轴线布置，叶片宽度方向的两侧分别紧贴着前盖板的内表面以及后盖板的内表面，叶片长度方向的两端分别紧贴着所述轴套以及回转体的外缘；其特征在于：叶片位于回转体外缘一端的尾缘轮廓为波浪形，并在叶片的吸力面布置着沿叶片宽度方向排列的若干个导流槽；每个导流槽的横截面轮廓为正弦型，且均自尾缘开始向叶片另一端光滑过渡，并且导流槽的槽深向叶片另一端方向逐渐减小、直至为零；

导流槽的长度l按以下公式确定：

l＝k*b2，

式中：k为过渡系数，k的取值范围1～5，b2为叶片尾缘宽度；

叶片尾缘宽度b2按照下面的公式计算：

式中：

n——离心泵的额定转速，单位r/min；

q——离心泵的额定流量，单位m³/s；

h——离心泵的额定扬程，单位m。

作为优选，所述波浪形的曲线为线性正弦型曲线，且满足函数关系：

式中：为初相位。

所述波浪形的振幅a≤0.3*b2，波长λ≤0.5*b2。

所述前盖板与后盖板之间的距离，从回转体的边缘至回转体轴线方向逐渐增大；所述叶片的宽度与之相适合。

本发明的工作原理是：本发明根据仿生原理，由所述叶轮叶片吸力面出口的尾缘结构，将尾迹“大涡”分散成“小涡”，继而实现泵的低压力脉动特性。同时，在叶片尾缘和导流槽结构共同作用下限制了出口区域尾迹涡脱落的结构和强度以及该区域的流动分离现象，使近壁面的速度分布更加均匀，从而减少了离心泵的水力损失。

本发明的有益效果是：由于优化了设计叶片吸力面出口的尾缘结构和导流槽结构，将高强度尾迹“大涡”分散为若干“小涡”，有效地改善了尾缘脱落涡的结构，削弱了脱落涡的强度，使叶轮出口的流动变得相对平缓，减小了叶轮出口的动静干涉效应，从而减少了泵的水力损失，提高了整泵的压力脉动性能。

附图说明

图1是本发明实施例的三维结构示意图。

图2是本发明实施例的轴剖面投影图。

图3是本发明实施例的平面投影图。

图4是本发明实施例中叶片的立体结构示意图。

图5是本发明实施例中叶片尾缘的放大结构示意图。

图6是原始叶轮和本发明实施例隔舌处压力脉动的频域分析图。

图中标号：1—前盖板；2—后盖板；3—叶片；4—尾缘；5—叶片进口端；6—叶片出口端；7—压力面；8—吸力面；9—导流槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对新型叶轮的设计进行详细的说明。本实施例只用于对本发明进行进一步的描述，但不能理解为对本发明保护的限制，本领域的人员对上述发明内容作的一些非本质的改进均属于本发明保护的范围。

结合附图，本实施例为离心泵闭式叶轮(为便于比较，本发明在原有的离心泵闭式叶轮进行改进)，但半开式叶轮和开式叶轮同样适用。图1～3所示为该叶轮的结构示意图，包括前盖板1、后盖板2和安装在前后盖板之间的若干个叶片3。叶片的压力面7和吸力面8均由由多个圆弧面光滑连接组成，叶片数为5。这些均与原有的离心泵闭式叶轮相同。

据研究，虽然座头鲸的体型庞大，但却有极好的机动性能，相关专家研究发现其鳍状肢前缘均匀布置有突起结构，且该结构具有优越的水动力性能，在水翼的动力学研究上取得了很好的效果。为此，本发明将所述叶片在吸力面8出口处(如图1)的尾缘4轮廓设计成波浪形；并且该波浪形曲线优选为线性正弦型曲线(参见图5)，且满足函数关系：

式中：(“*”表示乘号，以下同)

a—振幅，a≤0.3*b2,在叶轮上表示叶片尾缘4正弦突起结构纵向的高度；

λ—正弦波长，λ≤0.5*b2，在叶轮上表示叶片尾缘4正弦突起结构横向的周期长度；

—初相位；本具体实例中

其中的坐标系的构建方式是(参见图2)：

以叶轮前盖板1和叶片吸力面8出口边的交点为原点(0，0)；x轴的方向为叶轮前盖板1指向后盖板2的方向(x轴平行于叶轮轴线)；y轴的方向为垂直于叶轮轴向的径向方向。a和λ的取值大小直接影响脱落涡的结构和强度。

同时，叶片吸力面8出口部分还设计有导流槽9(参见图4)，若干个导流槽9沿叶片轴线方向(即叶片的宽度方向)均匀排列布置。在叶片尾缘4和导流槽9结构共同作用下限制了出口区域尾迹涡脱落的结构和强度以及该区域的流动分离现象，使近壁面的水流速度分布更加均匀，从而减少了离心泵的水力损失。每个导流槽9以尾缘轮廓为初始轮廓，从叶片尾缘4开始向叶片进口端5方向光滑过渡，槽深逐渐减小，直至为零。导流槽9相互平行且横截面为正弦型轮廓，导流槽9的数目和叶片尾缘4正弦型结构的波谷数目相同，且数目不少于1。导流槽9沿叶片吸力面8的过渡长度为l，满足关系l＝k*b2，k为过渡系数，k的取值范围1～5；b2为叶片出口端6宽度(即叶片尾缘宽度)。k的取值大小根据叶片出口端6宽度b2的大小来进行选择。

叶片尾缘宽度b2(即叶片出口端宽度)可以按照下面的公式计算：

式中：

n——离心泵的额定转速，单位为r/min；

q——离心泵的额定流量，单位为m³/s；

h——离心泵的额定扬程，单位为m。

本实施例中，根据设计要求(离心泵的额定转速n、离心泵的额定流量q以及离心泵的额定扬程h)，计算获得叶片出口端6宽度b2为0.01m，正弦突起结构的振幅a＝0.1*b2，取值为0.001m；正弦突起结构的周期长度λ＝0.25*b2，取值为0.0025m；导流槽9长度l＝1*b2取值为0.01m。

本发明将采用该叶片设计的离心泵新型叶轮在割舌处的压力脉动，与原始叶轮的压力脉动进行了对比(参见图6)；从该图中可以明显的看出本发明的新型叶轮在各主频下的压力脉动幅值均低于原始叶轮的压力脉动幅值。其中在第一主频(叶频)处，原始叶轮的压力幅值大小为11931.6pa，本发明的新型叶轮的压力脉动幅值大小为10104.6pa，本发明的新型叶轮比原始叶轮的压力脉动幅值降低了12.8％。因此，本发明提供的主动控制压力脉动的离心泵新型叶轮，显著降低了离心泵的压力脉动，提高了离心泵的压力脉动性能，保障了整泵的运行稳定性和安全性，达到了预期(降低压力脉动的)目的。