一种过流面积可调式混流泵柔性导叶结构、混流泵及调节方法

本发明属于流体机械(泵)内部流动技术领域，尤其是涉及一种过流面积可调式混流泵柔性导叶结构、混流泵及调节方法。

背景技术：

混流泵作为污水处理、矿山、发电和防洪排涝等领域的核心动力装备，以其大流量和扬程适中的特点越来越被工农业生产所应用。但由于混流泵设计理论目前还不够完善，且总是基于额定流量工况点来设计，无法满足工农业生产中日益增长的多工况点、宽高效区的需求。特别是，采用经典设计理论设计出的混流泵结构，当其流量减小到一定数值时，泵内往往会出现旋转失速效应，导致扬程的急剧下降，效率也同步降低。甚至在一些情况下，混流泵机组会发生异常的振动现象，严重威胁机组的安全运行。究其根源，则是由于流量工况的减小，原先基于额定流量工况设计的叶轮或导叶的过流面积已经远大于当前流速下流体所需的过流面积。因此，部分低动量流体长时间占据叶轮或导叶流道中的局部空间，形成了多种复杂的旋涡结构，而流道中的其它部分流体则可以顺利通过。目前，针对混流泵叶轮内失速现象的形成已经有了一些改善措施，但通过技术手段来改善混流泵导叶内的失速现象还未见相关的报道。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种过流面积可调式混流泵柔性导叶结构、混流泵及调节方法，通过实时调整混流泵运行过程中导叶的过流面积来提高混流泵的性能效率，实现混流泵宽高效区的运行，拓宽混流泵的应用场景。

一种过流面积可调式混流泵柔性导叶结构，其特征在于，包括m个柔性导叶叶片、柔性导叶调节装置，所述柔性导叶调节装置包括m组支撑筋、n个支撑筋底座、n组底座驱动机构，每一组支撑筋中支撑筋的数量为n；m组支撑筋中的每一个支撑筋的一端分别固定安装在一个支撑筋底座上，其中，m为大于2的正整数，n为大于5的正整数；所述柔性导叶叶片固定安装在支撑筋上，每一个支撑筋底座单独由一组底座驱动机构驱动旋转，从而带动支撑筋转动，由不同底座驱动机构驱动支撑筋底座旋转不同角度，从而实现柔性导叶叶片的形状改变。

进一步地，支撑筋底座内圈具有内齿轮结构，所述底座驱动机构包括伺服电机和外齿轮，所述外齿轮装在所述伺服电机的输出轴上、且与所述支撑筋底座上的内齿轮相啮合。

具有所述柔性导叶结构的过流面积可调式混流泵，其特征在于，包括叶轮轮毂、叶轮、导叶叶片、柔性导叶结构以及过流断面反馈调节系统，所述导叶叶片和柔性导叶调节装置均安装在叶轮出口的后方，每个导叶叶片吸力面后方均对应安装有一个柔性导叶叶片；

导叶轮毂内部开有环形凹槽，且环形凹槽和导叶轮毂表面之间的环形壁上、每一个导叶叶片的根部均开设n条沿圆周方向延伸的长条形空心槽，所述支撑筋底座为环形，n个支撑筋底座依次排列套装在所述环形凹槽内，一端固定在支撑筋底座上的支撑筋穿过长条形空心槽延伸出来；所述柔性导叶叶片固定装在支撑筋上；

所述支撑筋底座驱动机构装在支撑筋底座、轮毂环形凹槽内的空隙中；

所述过流断面反馈调节系统包括通讯连接的混流泵流量工况检测装置、支撑筋角度调节模块，所述支撑筋角度调节模块还与支撑筋底座驱动机构相连，并基于混流泵的实时流量、扬程、效率和功率来调控支撑筋底座驱动机构的工作，从而调整柔性导叶叶片的形状，来改变导叶流道的过流面积以适应当前的流量工况，从而提高混流泵的效率。

进一步地，所述支撑筋在安装到支撑筋底座上之后，进行折弯处理，当支撑筋根部紧靠导叶叶片时，其形状与导叶叶片吸力面外形相同，使柔性导叶叶片与叶片吸力面互相贴合；且支撑筋在弯折后，其伸出导叶轮毂后的高度不超过导叶叶片的高度。

进一步地，所述支撑筋的截面为圆柱形，截面直径等于导叶叶片的最大厚度；且所述支撑筋上设有螺孔，柔性导叶叶片相应位置设有通孔，通过螺钉将所述柔性导叶叶片固定在支撑筋上。

进一步地，所述支撑筋底座侧面的环形平面上开设有凹槽，且凹槽内安装有第一滚轮，通过第一滚轮和相邻支撑筋底座之间滑动接触。

进一步地，所述支撑筋底座的外圆周面上也开设有多个凹槽，且内部安装有所述第二滚轮，与导叶轮毂中环形凹槽的内壁面滚动接触。

进一步地，所述长条形空心槽的数量与所述每组支撑筋的条数相同，且沿导叶进口至出口方向均匀分布；所述长条形空心槽的最大宽度不大于所述支撑筋的2倍横截面直径；位于导叶进口端的长条形空心槽为第一长条形空心槽，所述第一长条形空心槽的最小周向长度为1.5倍支撑筋横截面直径，最大周向长度为3倍支撑筋横截面直径；第一长条形空心槽与导叶出口之间的长条形空心槽的最小周向长度为单个导叶流道宽度的1/2，最大周向长度为0.9倍的单个导叶流道宽度。

进一步地，所述伺服电机固定在填充块内部的方形槽内；所述填充块位于所述支撑筋底座的内部，其为环形圆柱结构，而相邻所述填充块之间通过一侧的环形凸起相接触；所述支撑筋底座和所述填充块均通过导叶后方的压紧环实现轴向方向的固定；所述压紧环上沿圆周方向均匀地开设有第二通孔，以便通过螺栓固定。所述压紧环上对应填充块线槽处还开设有一个第三通孔，以便所述伺服电机的信号线及电源线穿过；所述信号线和电源线可以穿过泵体，连接到外部过流断面反馈调节系统。

所述混流泵的过流面积调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在混流泵正式开始工作之前，需要将各个支撑筋调整至贴近到导叶叶片吸力面的位置，并将各个伺服电机的角度进行“校零操作”，再将支撑筋调至长条形空心槽远离导叶叶片的一端，记录当前各个支撑筋的对应角度为每个支撑筋的最大转动角度；

步骤二：进行支撑筋角度定位试验：启动混流泵并调节混流泵的流量工况，当混流泵稳定运行在不同流量工况时，支撑筋角度调节模块开始驱动伺服电机工作，缓慢增加其余各个支撑筋的旋转角度，并在支撑筋角度变化过程中，记录混流泵的最高效率值及其对应的支撑筋最优角度到数据库中；在调整过程中，保持进口处第一长条形空心槽内的支撑筋的角度不变，使得其始终紧贴叶片吸力面，而在其它支撑筋转动过程中，沿着流动方向，各个支撑筋的旋转角度呈比例k变化，直到最后一个支撑筋具有最大转动角度，其中k为大于1的数；

步骤三：当混流泵正式运行且稳定后，混流泵流量工况检测装置实时监测混流泵的流量工况，支撑筋角度调节模块根据数据库中的数据调节各个支撑筋的角度，将之调整到最接近该流量工况的最优角度；之后，支撑筋角度调节模块在该最优角度的±5°内微调，并获得混流泵最高效率值及各个支撑筋对应的角度；同时，将该数据记录至步骤二中的数据库中，以便混流泵下次再运行在该流量工况时及时调整；

若混流泵流量工况检测装置监测到混流泵流量变化，则再根据步骤三，进行实时微调。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种过流面积可调式混流泵柔性导叶结构及混流泵，在不改变混流泵原本导叶水力设计的条件下，通过增加所述柔性导叶调节装置，在混流泵运行过程中可以根据当前流量工况实时地调整导叶流道的过流面积，从而优化了导叶内的流场结构，提高了混流泵的效率，拓宽了混流泵的高效区。

附图说明

图1为本发明所述过流面积可调式混流泵柔性导叶结构的总示意图。

图2为所述柔性导叶示意图。

图3为本发明所述过流面积可调式混流泵柔性导叶结构的结构放大图。

图4为所述支撑筋底座、伺服电机、内啮合齿轮和填充块爆炸图。

图5为支撑筋底座和内啮合齿轮轴截面示意图。

图6为所述柔性导叶叶片示意图。

图7为所述的压紧环示意图。

附图标记说明如下：

1-叶轮，2-导叶轮毂，3-螺栓，4-压紧环，5-支撑筋底座，6-填充块，7-伺服电机，8-支撑筋，9-第一螺纹孔，10-第一滚轮，11-导叶叶片，121-第一长条形空心槽，122-第二长条形空心槽，123-第三长条形空心槽，124-第四长条形空心槽，125-第五长条形空心槽，13-导叶轮毂，14-第二滚轮，15-第二螺纹孔，16-内齿轮，17-柔性导叶叶片，18-外齿轮，19-线槽，20-伺服电机方形槽，21-第一通孔，22-压紧环，23-第二通孔，24-第三通孔，25-环形凸起。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的过流面积可调式混流泵柔性导叶结构，包括m个柔性导叶叶片17、柔性导叶调节装置，所述柔性导叶调节装置包括m组支撑筋8、n个支撑筋底座5、n组底座驱动机构，每一组支撑筋中支撑筋8的数量为n；m组支撑筋8中的每一个支撑筋8的一端分别固定安装在一个支撑筋底座5上，其中，m为大于2的正整数，n为大于5的正整数；所述柔性导叶叶片17固定安装在支撑筋8上，一组支撑筋8作为一个柔性导叶叶片17的骨架，同一组支撑筋8中的各个支撑筋8分别装在一个支撑筋底座5上，从而实现同一个柔性导叶叶片17的支撑筋8的方位不同，使柔性导叶叶片的性转柔性可变。每一个支撑筋底座5单独由一组底座驱动机构驱动旋转，从而带动支撑筋转动，由不同底座驱动机构驱动支撑筋底座旋转不同角度，从而实现柔性导叶叶片的形状改变。

所述支撑筋底座5内圈具有内齿轮16，所述底座驱动机构包括伺服电机7和外齿轮18，所述外齿轮18装在所述伺服电机7的输出轴上、且与所述支撑筋底座5上的内齿轮16相啮合。

本发明所述的过流面积可调式混流泵柔性导叶结构，可用于混流泵，如图1和图2所示，包括叶轮轮毂2、叶轮1、导叶叶片11、柔性导叶调节装置和过流断面反馈调节系统。所述导叶2和柔性导叶调节装置均安装在叶轮1出口的后方，每个导叶叶片11吸力面后方均对应安装有一个柔性导叶叶片17。

所述导叶轮毂13内部开有环形凹槽，且环形凹槽和导叶轮毂表面之间的环形壁上、每一个导叶的根部均沿圆周方向开设有多条长条形空心槽，以便所述柔性导叶调节装置的支撑筋8伸出。所述柔性导叶调节装置安装在导叶轮毂2环形凹槽内部。

如图1、图4、图5所示，所述支撑筋底座5为环形，内部加工有内齿轮16。n个支撑筋底座5依次排列套装在所述环形凹槽内，所述底座驱动机构包括伺服电机7和外齿轮18，所述外齿轮18装在所述伺服电机7的输出轴上、且与所述支撑筋底座5上的内齿轮16相啮合，以伺服电机7的动力来驱动支撑筋底座5的转动。一端固定在支撑筋底座5上的支撑筋8穿过长条形空心槽延伸出来；所述柔性导叶叶片17固定装在支撑筋上，如图2所示。

如图3所示，所述支撑筋底座5一侧的环形平面内开设有凹槽，且凹槽内安装有第一滚轮10，所述支撑筋底座5另一侧为环形平面，并作为相邻支撑筋底座5第一滚轮10的支撑平面，相邻支撑筋底座5之间滚动接触，降低相邻两个支撑筋底座5的摩擦力。所述支撑筋底座5的外圆周面上也开设有凹槽，且内部安装有所述第二滚轮14，与导叶轮毂13中环形凹槽的内壁面滚动接触，以便所述支撑筋底座5能够周向自由转动。所述第二滚轮14沿轴线方向至少为两组，且位于支撑筋8的两侧。所述第一滚轮10和第二滚轮14均沿圆周向均匀分布，其周向数量不少于6个。所述支撑筋底座5外表面上还加工有用于安装支撑筋8的第二螺纹孔15，且第二螺纹孔15的轴线方向与所述支撑筋8的方向一致；所述支撑筋8均通过螺纹连接安装在支撑筋底座5上。

所述柔性导叶调节装置的支撑筋8通过螺纹连接安装在支撑筋底座5轴向中部位置，且同一组中的每个支撑筋8与支撑筋底座5一一对应。所述支撑筋8沿导叶进口至出口方向均匀分布，其数量最少为5根。所述支撑筋8横截面为圆形，且横截面直径等于导叶叶片11的最大厚度；在安装前为圆柱形，当所述支撑筋8通过螺纹连接安装在支撑筋底座5后，需要进行弯折处理，将其线型调整为与所处位置处导叶叶片11吸力面外形相同，是其上的柔性导叶叶片与叶片吸力面互相贴合。所述支撑筋8在弯折后，其伸出导叶轮毂13后的高度不超过导叶叶片11的高度。所述支撑筋8上包裹有柔性导叶叶片17，所述支撑筋8上还加工有第一螺纹孔9，所述柔性导叶叶片17相对应处开设有第一通孔21，所述柔性导叶叶片17通过螺钉和所述支撑筋8固定在一起。

所述长条形空心槽的数量与所述支撑筋8的数量n相同，本实施例中n＝5，且多个长条形空心槽沿导叶进口至出口方向均匀分布，将其依次标记为第一长条形空心槽121、第二长条形空心槽122、第三长条形空心槽123、第四长条形空心槽124、第五长条形空心槽125。所述长条形空心槽12的最大宽度不大于所述支撑筋8的2倍横截面直径。所述第一长条形空心槽121的最小周向长度为1.5倍支撑筋8横截面直径，最大周向长度为3倍支撑筋8横截面直径。第二长条形空心槽122、第三长条形空心槽123、第四长条形空心槽124、第五长条形空心槽125的最小周向长度为单个导叶流道宽度的1/2，最大周向长度为0.9倍的单个导叶流道宽度。

所述支撑筋底座5通过安装有外齿轮18的伺服电机7进行调节，所述伺服电机7固定在填充块6内部的方形槽20内。填充块6位于支撑筋底座5与叶轮轮毂2环形凹槽内壁面之间。所述伺服电机7和外齿轮18均沿圆周方向均匀分布，其数量相等且至少为4个。所述填充块6内部加工有内部线孔和线槽19，供伺服电机7的电源线和信号线通过，其数量与伺服电机7的数量也相同。所述填充块6位于所述支撑筋底座5的内部，其为环形圆柱结构，而相邻所述填充块6之间通过一侧的环形凸起25相接触。所述支撑筋底座5和所述填充块6均通过导叶后方的压紧环22实现轴向方向的固定。所述压紧环22上沿圆周方向均匀地开设有第二通孔23，以便通过螺栓固定。所述压紧环上对应填充块线槽19处还开设有一个第三通孔24，以便所述伺服电机7的信号线及电源线穿过。所述信号线和电源线可以穿过泵体，连接到外部过流断面反馈调节系统。

所述过流断面反馈调节系统通讯连接的混流泵流量工况检测装置、支撑筋角度调节模块，所述支撑筋角度调节模块还与支撑筋底座驱动机构相连，并基于混流泵的实时流量、扬程、效率和功率来调控支撑筋底座驱动机构的工作，从而调整柔性导叶叶片17的形状，来改变导叶流道的过流面积以适应当前的流量工况，从而提高混流泵的效率。

本发明通过以下步骤进行实现：

步骤一：在混流泵正式开始工作之前，需要将各个支撑筋8调整至贴近到导叶叶片(11)吸力面的位置，并将各个伺服电机7的角度进行“校零操作”，再将支撑筋8调至长条形空心槽远离导叶叶片11的一端，记录当前各个支撑筋8的对应角度为每个支撑筋8的最大转动角度；

步骤二：进行支撑筋8角度定位试验：启动混流泵并调节混流泵的流量工况，当混流泵稳定运行在不同流量工况时，支撑筋角度调节模块开始驱动伺服电机工作，缓慢增加其余各个支撑筋的旋转角度，并在支撑筋角度变化过程中，记录混流泵的最高效率值及其对应的支撑筋最优角度到数据库中；在调整过程中，保持进口处第一长条形空心槽内的支撑筋的角度不变，使得其始终紧贴叶片吸力面，而在其它支撑筋转动过程中，沿着流动方向，各个支撑筋的旋转角度呈比例k变化，直到最后一个支撑筋具有最大转动角度，其中k为大于1的数；

步骤三：当混流泵正式运行且稳定后，混流泵流量工况检测装置实时监测混流泵的流量工况，支撑筋角度调节模块根据数据库中的数据调节各个支撑筋的角度，将之调整到最接近该流量工况的最优角度；之后，支撑筋角度调节模块在该最优角度的±5°内微调，并获得混流泵最高效率值及各个支撑筋对应的角度；同时，将该数据记录至步骤二中的数据库中，以便混流泵下次再运行在该流量工况时及时调整；

若混流泵流量工况检测装置监测到混流泵流量变化，则再根据步骤三，进行实时微调。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。