仿生座头鲸型离心泵叶轮

1.本发明属于流体机械设备技术领域，具体涉及仿生座头鲸型离心泵叶轮。


背景技术：

2.离心泵作为国民经济中的基础性和战略性通用机械之一，被喻为“现代工业的心脏”，其具有扬程大、效率高、体积小等优点被广泛应用于军事、工业、农业等各个领域。叶轮作为离心泵的核心部件，利用旋转将机械能转换为流体的压能，实现流体增压的目的，因此，叶轮三维几何形状直接决定了离心泵性能的好坏。
3.由于运行环境和工况的改变，离心泵入口压力的也会随之变化，当下降幅度较大时，会在叶片吸力面局部区域形成空化，导致流场恶化、扬程和效率下降。特别是当离心泵运行在小流量工况下时，进口流体的相对液流角会偏离叶片安放角，在叶片进口形成冲角，容易产生不稳定流动；另外为了满足高扬程的需求，离心泵流道设计较为狭长，流体从叶轮进口到出口的流动过程中，更容易产生边界层流动分离，阻塞过流通道。不稳定流动会加剧叶片进口空化，不仅会导致离心泵效率下降，并且空化形成、发展和溃灭会导致叶轮受力时空上的周期性变化，导致压力脉动和振动增加，严重影响离心泵的安全稳定运行。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供仿生座头鲸型离心泵叶轮，解决了现有离心泵叶轮前缘空化的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，仿生座头鲸型离心泵叶轮，包括相对设置的前盖板和后盖板，前盖板和后盖板之间设置有仿生座头鲸型叶片，后盖板的板面中心开设有通孔，仿生座头鲸型叶片围绕通孔的周向均匀设置。
6.本发明的特点还在于：
7.仿生座头鲸型叶片设置为仿生段和常规段，仿生段的型线设置为仿生座头鲸鳍状肢的曲线。
8.仿生座头鲸鳍状肢的曲线的波幅a为10％d，波长l为25％d，其中d为仿生座头鲸型叶片前缘处的前盖板到后盖板之间的距离。
9.仿生座头鲸型叶片的总长度为b，常规段的总长度为b-a。
10.仿生座头鲸型叶片的型线外扩方式生成，型线上的坐标点的生成方式如公式(1)所示：
11.12.式中，(xi′
,yi′
)为仿生叶片截面的坐标点，(xi,yi)为常规叶片截面的坐标点，(xm,ym)为叶片靠近叶片前缘最大厚度位置的坐标点。
13.本发明的有益效果是：本发明仿生座头鲸型离心泵叶轮，通过对叶片进口边进行仿生座头鲸型设计，改变叶片进口水流的流动状态，减少叶片前缘的流动分离，提高涡核中心的压力，抑制前缘空化，从而有效提升离心泵的空化性能。
附图说明
14.图1是本发明仿生座头鲸型离心泵叶轮的结构示意图；
15.图2是本发明中仿生座头鲸型叶片前缘示意图；
16.图3是本发明中仿生座头鲸型叶片与传统叶片的型线对比图；
17.图4是采用本发明仿生座头鲸型离心泵叶轮和常规离心泵在小流量工况下的空化性能对比曲线示意图。
18.图中，1.前盖板，2.仿生座头鲸型叶片，3.后盖板，4.通孔。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
20.本发明仿生座头鲸型离心泵叶轮，其结构如图1所示，包括相对设置的前盖板1和后盖板3，前盖板1和后盖板3之间设置有仿生座头鲸型叶片2，后盖板3的板面中心开设有通孔4，仿生座头鲸型叶片2围绕通孔4的周向均匀设置。
21.仿生座头鲸型叶片2设置为仿生段和常规段，仿生段的型线设置为仿生座头鲸鳍状肢的曲线，常规段的型线、位置和厚度分布规律等参数与常规叶片相同。
22.如图2所示，仿生座头鲸鳍状肢的曲线的波幅a为10％d，波长l为25％d，其中d为仿生座头鲸型叶片2前缘处前盖板1到后盖板3之间的距离。
23.仿生座头鲸型叶片2的总长度为b，常规段的总长度为b-a。
24.如图3所示，仿生座头鲸型叶片2的型线外扩方式生成，型线上的坐标点的生成方式如公式(1)所示：
[0025][0026]
式中，(xi′
,yi′
)为仿生段叶片截面的坐标点，(xi,yi)为常规段叶片截面的坐标点，(xm,ym)为叶片靠近叶片前缘最大厚度位置的坐标点。
[0027]
实施例1
[0028]
设计转速为1500r/min，设计流量为100m3/h，设计扬程为10m。通过增加仿生段改变靠近叶片进口边的形状，有效抑制了叶片前缘空化，空化对主流的阻挡作用减弱，流动损失减低，有效提升了叶轮的做功能力。图4为采用本发明仿生座头鲸型离心泵叶轮和常规离心泵在小流量工况下的空化性能对比曲线，不同汽蚀余量下仿生叶片的扬程高于常规叶
片，两种叶轮的必需汽蚀余量分别为5.5m和6.2m，下降了11.3％，空化性能大幅提升。
[0029]
离心泵在小流量工况下运行时，叶轮进口流体的相对液流角小于叶片安放角，在叶片进口形成正冲角，导致叶片吸力面出现分离涡，严重的会形成失速涡，涡核中心压力低于常温下水的饱和蒸汽压，形成空化。而本发明仿生座头鲸型离心泵叶轮通过改变叶片进口翼型的形状，能够改变流体的流动状态，有效减弱叶轮进口的流动分离，改善低压区，抑制叶片吸力面前缘空化，从而降低空化对离心泵性能的影响。
[0030]
通过上述方式，本发明仿生座头鲸型离心泵叶轮通过改变叶片进口翼型的形状，减弱叶轮进口的流动分离，改善低速区，抑制叶片吸力面前缘空化，从而降低空化对离心泵性能的影响。


技术特征：
1.仿生座头鲸型离心泵叶轮，其特征在于：包括相对设置的前盖板(1)和后盖板(3)，所述前盖板(1)和后盖板(3)之间设置有仿生座头鲸型叶片(2)，所述后盖板(3)的板面中心开设有通孔(4)，所述仿生座头鲸型叶片(2)围绕通孔(4)的周向均匀设置。2.根据权利要求1所述的仿生座头鲸型离心泵叶轮，其特征在于：所述仿生座头鲸型叶片(2)设置为仿生段和常规段，仿生段的型线设置为仿生座头鲸鳍状肢的曲线。3.根据权利要求2所述的仿生座头鲸型离心泵叶轮，其特征在于：所述仿生座头鲸鳍状肢的曲线的波幅a为10％d，波长l为25％d，其中d为仿生座头鲸型叶片(2)前缘的前盖板(1)到后盖板(3)之间的距离。4.根据权利要求1所述的仿生座头鲸型离心泵叶轮，其特征在于：所述仿生座头鲸型叶片(2)的总长度为b，常规段的总长度为b-a。5.根据权利要求1所述的仿生座头鲸型离心泵叶轮，其特征在于：仿生座头鲸型叶片(2)的型线外扩方式生成，型线上的坐标点的生成方式如公式(1)所示：式中，(x
i
′
,y
i
′
)为仿生段叶片截面的坐标点，(x
i
,y
i
)为常规段叶片截面的坐标点，(x
m
,y
m
)为叶片靠近叶片前缘最大厚度位置的坐标点。

技术总结
本发明公开了仿生座头鲸型离心泵叶轮，包括相对设置的前盖板和后盖板，前盖板和后盖板之间设置有仿生座头鲸型叶片，后盖板的板面中心开设有通孔，仿生座头鲸型叶片围绕通孔的周向均匀设置。本发明通过对叶片进口边进行仿生座头鲸型设计，改变叶片进口水流的流动状态，减少叶片前缘的流动分离，提高涡核中心的压力，抑制前缘空化，从而有效提升离心泵的空化性能。性能。性能。


技术研发人员：王李科 罗兴锜 卢金玲 冯建军 朱国俊
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2022.04.26
技术公布日：2022/7/12