一种高扬程长叶片型线后腔结构离心泵的制作方法

本实用新型涉及一种长叶片式、泵后腔结构为型线型、且具有回流前腔结构的高扬程、高稳定性立式离心泵，具体是一种高扬程长叶片型线后腔结构离心泵。

背景技术：

叶轮是离心泵的核心过流部件，叶轮上的叶片起到对流体做功的作用；蜗壳是蜗壳式引水室的简称，外形类似于蜗牛壳，故通常简称为蜗壳，将从叶轮中流出的液体收集起来，均匀地引至泵的吐出段或次级叶轮进口。传统工艺中，由于叶轮和蜗壳各自进行设计和加工，仅仅在配合处进行相关尺寸的设计，这就导致了流体由叶轮至蜗壳的过程中产生了大量的漩涡和不可控因素，同时由于到达蜗壳的流体会由于隔舌的存在而导致回流，这就引起了一定的效率和扬程的损失。

对于泵内流体流动的研究，理论分析和试验研究是两类重要的研究方法，但单一的一种方法都无法满足工程研究的需要。由于实际流动过程的复杂性，多数问题无法通过理论解析得到结果，导致了理论解析法的工程局限性，然而，试验费用昂贵，实验条件难以保证等问题导致试验研究性价比不高、实施困难。随着计算机迅速发展和近似算法的不断成熟，数值计算方法成为研究流体流动的第三类方法，并不断推陈出新，形成了一门独立的学科分支——计算流体力学。数值计算方法涉及到数理方程、计算数学等多门科学，其本质是利用数值计算方法求解流动微分方程，最终获得流场内有限点上压力、速度等相关参数的近似值。CFD数值计算方法与试验协调工作，不仅提供了定量的对比，还可以对试验中的基本现象进行科学解释，已经成为水泵科研工作者广泛使用的技术手段。

技术实现要素：

为了降低离心泵的轴向力，同时系统地同时提高泵的扬程和稳定性，在对叶轮内部流道进行了三维湍流数值模拟的基础上，本实用新型提出了一种长叶片式、具有回流前腔、且泵后腔结构为型线型的高扬程、高稳定性立式离心泵的高扬程长叶片型线后腔结构离心泵。

本实用新型所述的一种高扬程长叶片型线后腔结构离心泵，其特征在于：包括泵壳、蜗壳、叶轮、型线隔板、上腔泵体、电机和主轴，所述泵壳设有能与其内腔连通的进液口和出液口；所述蜗壳与所述泵壳一体成型，并且蜗壳的螺旋线段两侧分别具有第一中心孔和第二中心孔，所述第一中心孔通过进液流道与进液口连通，蜗壳的第二中心孔与泵壳上端的安装口连通；蜗壳的扩散段作为出液流道与泵壳的出液口连通；

所述叶轮安装在蜗壳的涡形室内，并固装在主轴伸入涡形室的轴头上，所述叶轮包括叶轮前盖板、叶轮后盖板、叶轮轮毂和若干叶片，所述叶片沿叶轮轮毂周向设置，叶轮前盖板、叶轮后盖板分设在叶片的前后两侧并与其相连；叶轮后盖板中心通孔沿其轴向向外延伸形成叶轮轮毂；叶轮前盖板与同侧的泵壳内壁形成圆环式的回流前腔，且回流前腔的内外边界处分别留有轴向间隙和环向间隙，其中轴向间隙为叶轮前盖板中心吸入口端面与进液流道内端面之间的间隙；环向间隙为叶轮前盖板外端部的表面与蜗壳内壁凸起之间的间隙；

型线隔板密封盖装在泵壳的安装口处，所述型线隔板的中心通孔沿轴向向外延伸形成用于安装主轴的型线隔板轮毂，其中型线隔板轮毂外端部与主轴密封转动连接，使得主轴绕其自身中心轴周向旋转，而型线隔板轮毂其余部分与贯穿其内的主轴间隙配合，该处间隙为环形间隙；型线隔板内端面与叶轮后盖板之间留有能与环形间隙连通的弧形间隙，弧形间隙与环形间隙连通形成离心泵的后腔结构；所述型线隔板上设有能与后腔结构连通的泄压孔；

所述上腔泵体的底部与所述型线隔板固接，所述上腔泵体的上部与电机的机箱固接，并且电机的输出轴伸入上腔泵体内部，输出轴的轴头通过联轴器与主轴的上端固接，主轴的下端贯穿型线隔板的中心通孔后伸入蜗壳的涡形室内，在其轴头上固装叶轮，并保持叶轮中心轴和主轴中心轴重合。

现有叶轮的叶片长度与前后盖板相齐平，前后盖板到叶轮中心距离为L，经叶片加长改型后，叶片顶端到叶轮中心距离为L’。改型后L’与L间加长的距离为前后盖板与隔舌间距离w的三分之一。

所述型线隔板的内端面与叶轮后盖板的外表面平行，即内端面的弧度与叶轮后盖板的弧度保持一致，使得型线隔板与叶轮后盖板之间留有均匀的弧形间隙。

型线隔板轮毂外端部与主轴外壁之间配有密封装置，所述密封装置包括用于密封的填料、用于阻挡填料泄漏的密封件和用于限制主轴轴向移动的密封端盖，密封件套设在环形间隙的外端部，并且密封件的密封腔内填装用于密封的填料，填料与主轴外壁直接接触；主轴上设有用于限制密封件轴向移动的环形凸起，所述密封端盖上设有供主轴贯穿的通孔，型线隔板轮毂的外端部端面上固装密封端盖，所述密封装置通过套在主轴上的密封端盖和主轴上的环形凸起实现其轴向固定。

所述型线隔板的内端面外沿沿其周向设有能与泵壳安装口处的台阶面配合的台阶面，且两台阶面处夹有密封圈，所述泵壳与型线隔板通过相应螺栓紧固。

所述主轴垂直布置，且主轴下端的轴头处加工有外螺纹，主轴轴头依次穿过叶轮的叶轮轮毂和垫片后旋上轴头螺母，通过主轴的轴肩与轴头螺母共同实现叶轮与主轴的轴向固定，而叶轮轮毂内壁与主轴键连接，实现二者的周向固定。

上腔泵体的底部端面上设有凸起，型线隔板上端面设有能与凸起配合的卡合部，二者通过螺栓紧固。

本实用新型的泵壳、叶轮、型线隔板由冲压焊接或者铸造制得，冲压焊接制得的泵表面粗糙度小，叶片很薄，其水力性能远远高于铸造泵，可以满足精密制造的要求，而铸造生产效率高，生产成本低，可依据不同的工程要求选择不同的制备方法。所述型线型隔板与泵壳通过台阶面配合，并且在台阶面里加装密封圈，一方面通过重力挤压实现密封，另一方面减少振动引起的机体磨损，安装配合之后通过螺栓紧固。上腔泵体位于电机和泵壳之间，通过凸起与型线隔板的卡合部配合，并通过螺栓实现紧固，内部提供空间安装电机轴与主轴的联轴器；上部通过螺栓安装电机，为提高整体的稳定性，上腔泵体壁面上安装加固圈。

主轴一端连接联轴器，与联轴器的螺栓固接，并通过垫圈增加摩擦和螺栓预紧力，实现主轴与电机轴的同轴转动，通过螺栓直接与联轴器固接，实现轴向固定，与通过轴承进行主轴的轴向固定相比，具有更紧凑、轴向振幅更小等优点，由于叶轮和进液流道之间留有间隙轴向间隙，尽可能在全局的设计上减小轴向振幅是非常必要的，并且主轴在密封处设有轴肩，通过轴肩和型线隔板轮毂外端部固装的密封端盖共同实现密封装置的轴向固定；主轴下端轴头加工有键槽，所述叶轮通过键槽安装在主轴上，并通过键槽实现与主轴的同轴转动，同时主轴轴头加工有螺纹，将叶轮套入主轴，配合好之后，加装垫片并旋上螺母，即可通过轴头螺母和轴肩共同实现叶轮的轴向固定，进行双重固定也是为了减小叶轮的轴向振幅，综上所述，通过键槽实现叶轮和主轴的周向同轴转动，通过轴肩和轴头螺母实现叶轮和主轴的轴向固定。

所述回流前腔是由叶轮前盖板和泵壳共同围成的圆滑流道，类似于圆环，边界为两个间隙，内边界处的间隙为叶轮前盖板与进水口形成的轴向间隙，外边界处的间隙为蜗壳与叶轮前盖板形成的环向间隙。所述第一间隙也称口环间隙，其间隙需严格控制，过大则会引起回流严重降低效率，过小则会引起过流部件摩擦严重，通常的设计将此间隙设计为0.1mm，本发明也采用相同的设计；但是与其他类型的离心泵的口环间隙不同，大多现有离心泵的口环间隙为径向间隙，由于离心泵蜗壳的非轴向对称结构导致的压力脉动，会引起一定的径向振动，口环间隙会随着径向振动而不停改变，导致流体的流动状态不停改变，引起运行时的不稳定，因此本实用新型的设计将口环间隙设计为轴向间隙，因此可以几乎避免泵的径向压力脉动引起的间隙改变及其引起的流动不稳定；同时，由于第一个间隙为轴向间隙，所以整个泵体设计需要尽量减小轴向压力脉动，为此，主轴与联轴器的连接方式选用螺栓连接而不是传统的轴承，通过轴肩和轴头螺母双重固定叶轮，同时通过型线型后腔结构降低轴向压力脉动。流体通过叶轮进入蜗壳后会有小部分流体流经叶轮前盖板和泵壳之间的间隙流入回流前腔，并经过轴向间隙流回进液流道，这部分流体属于损耗，不仅降低泵的效率，还会干扰进水口的流线，应该尽量减少；所述的回流前腔通过前盖板和泵壳的几何设计，会使进入前腔的流体形成较为稳定的漩涡，轴向间隙和环向间隙均与所述的漩涡流动方向垂直，因此只有极少的流体会流经间隙进入进液流道或者流回蜗壳，也就是说，当本实用新型离心泵开始运行后，回流前腔内的流体很快会进入稳定流动的状态，与其他流道内的流体交换很少，极大的减少了回流引起的效率损耗。

长叶片即为叶轮叶片的长度超出前后盖板，超出长度为蜗壳扩散段宽度的三分之一。长叶片与非长叶片相比，叶片的长度增加意味着泵扬程的提升，这是因为叶轮叶片是对流体做功的主要过流部件，通过叶片的旋转提高流体的动能和压力能，叶片长度的提升，将会增强叶轮对流体做功的能力，使得泵的扬程升高，铸造泵的叶片强度低，韧性差，增加叶片长度会导致泵的寿命降低，运行稳定性下降，然而对于冲压焊接泵，叶片的强度得到保证，更适合使用长叶片来提高泵的扬程。同时，长叶片和蜗壳的流线型配合结构，会使流体回流向叶轮，可以使叶轮对流体的做功量增大，进一步提高扬程。

后腔结构是由在泵壳和后腔泵体之间加装的与后盖板型线一致且平行于叶轮后盖板的不锈钢板和叶轮后盖板共同构成的型线型流道，其流道较窄且对粗糙度要求较为严格，因此需选用不锈钢板冲压制造型线型隔板。型线隔板最大限度减小了泵腔体积，其水力设计还可以参考叶轮后盖板数据，更容易统一化、标准化，能较好地改善液体流动，减小水力损失；与此同时，由于型线型隔板的结构，与叶轮构成了平衡室结构，可以极大地减小轴向压力和脉动幅值，即同时可以使回流前腔轴向间隙维持稳定，提高泵整体的稳定性。

本实用新型的有益效果是：实现高扬程和高稳定性，即通过长叶片的结构设计使叶轮对流体的做功能力增强，使流体通过叶轮获得更多的能量；回流前腔的设计使经过前盖板和泵壳的流体在前腔内形成较为稳定的漩涡，且漩涡运动方向与前盖板和泵壳的间隙、口环间隙均垂直，使得前腔内的流体几乎不与其他流体域内的流体交换，提高泵运行时的稳定性，且一定程度上减少了水力损失；型线型隔板的设计可以减小叶轮和主轴受到的轴向力和压力脉动，同时联轴器直接与主轴通过螺栓连接，也减小了叶轮的轴向振幅，使口环间隙改变量减小，提高泵的稳定性。

附图说明

图1：泵整体示意图；

图2：轴截面示意图；

图3：叶轮截面示意图；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

参照附图：

实施例1本实用新型所述的一种高扬程长叶片型线后腔结构离心泵，包括泵壳1、蜗壳10、叶轮22、型线隔板11、上腔泵体12、电机13和主轴15，所述泵壳1设有能与其内腔连通的进液口2和出液口21；所述蜗壳10与所述泵壳1一体成型，并且蜗壳10的螺旋线段101两侧分别具有第一中心孔和第二中心孔，所述第一中心孔通过进液流道23与进液口2连通，蜗壳10的第二中心孔与泵壳1上端的安装口连通；蜗壳10的扩散段102作为出液流道与泵壳1的出液口连通；

所述叶轮22安装在蜗壳10的涡形室内，并固装在主轴15伸入涡形室的轴头上，所述叶轮22包括叶轮前盖板6、叶轮后盖板8、叶轮轮毂19和若干叶片7，所述叶片7沿叶轮轮毂19周向设置，叶轮前盖板6、叶轮后盖板分设在叶片7的前后两侧并与其相连；叶轮后盖板6中心通孔沿其轴向向外延伸形成叶轮轮毂；叶轮前盖板7与同侧的泵壳1内壁形成圆环式的回流前腔4，且回流前腔4的内外边界处分别留有轴向间隙3和环向间隙5，其中轴向间隙3为叶轮前盖板中心吸入口端面与进液流道内端面之间的间隙；环向间隙5为叶轮前盖板外端部的表面与蜗壳内壁凸起之间的间隙；

型线隔板11密封盖装在泵壳1的安装口处，所述型线隔板11的中心通孔沿轴向向外延伸形成用于安装主轴的型线隔板轮毂，其中型线隔板轮毂外端部与主轴15密封转动连接，使得主轴15绕其自身中心轴周向旋转，而型线隔板轮毂其余部分与贯穿其内的主轴间隙配合，该处间隙为环形间隙；型线隔板内端面与叶轮后盖板之间留有能与环形间隙连通的弧形间隙，弧形间隙与环形间隙连通形成离心泵的后腔结构18；所述型线隔板11上设有能与后腔结构18连通的泄压孔9；

所述上腔泵体12的底部与所述型线隔板11固接，所述上腔泵体 12的上部与电机13的机箱固接，并且电机13的输出轴伸入上腔泵体12 内部，输出轴的轴头通过联轴器14与主轴15的上端固接，主轴15的下端贯穿型线隔板11的中心通孔后伸入蜗壳10的涡形室内，在其轴头上固装叶轮22，并保持叶轮22中心轴和主轴15中心轴重合。

现有叶轮的叶片长度与前后盖板相齐平，前后盖板到叶轮中心距离为L，经叶片加长改型后，叶片顶端到叶轮中心距离为L’。改型后L’与L间加长的距离为前后盖板与隔舌间距离w的三分之一。所述型线隔板11的内端面与叶轮后盖板8的外表面平行，即内端面的弧度与叶轮后盖板8的弧度保持一致，使得型线隔板11与叶轮后盖板8 之间留有均匀的弧形间隙。

型线隔板轮毂外端部与主轴15外壁之间配有密封装置17，所述密封装置17包括用于密封的填料、用于阻挡填料泄漏的密封件和用于限制主轴轴向移动的密封端盖16，密封件套设在环形间隙的外端部，并且密封件的密封腔内填装用于密封的填料，填料与主轴外壁直接接触；主轴上设有用于限制密封件轴向移动的环形凸起，所述密封端盖上设有供主轴贯穿的通孔，型线隔板轮毂的外端部端面上固装密封端盖，所述密封装置通过套在主轴上的密封端盖和主轴上的环形凸起实现其轴向固定。

所述型线隔板11的内端面外沿沿其周向设有能与泵壳安装口处的台阶面配合的台阶面，且两台阶面处夹有密封圈111，所述泵壳1 与型线隔板11通过相应螺栓紧固。

所述主轴15垂直布置，且主轴15下端的轴头处加工有外螺纹，主轴轴头依次穿过叶轮的叶轮轮毂和垫片后旋上轴头螺母20，通过主轴的轴肩与轴头螺母共同实现叶轮与主轴的轴向固定，而叶轮轮毂内壁与主轴键连接，实现二者的周向固定。

上腔泵体12的底部端面上设有凸起，型线隔板上端面设有能与凸起配合的卡合部，二者通过螺栓紧固。

所述泵壳1与型线隔板11通过台阶面配合，台阶面加装密封圈，实现流体的密封，并通过螺栓紧固；所述型线隔板11与上腔泵体12 通过凸起和卡合部配合，并通过螺栓紧固，上腔泵体12上部与电机 13通过螺栓固接，以此实现整个泵体的连接和固定。所述电机13的电机轴与联轴器14连接，联轴器14通过内部螺栓与主轴15固定连接，实现电机轴与主轴15的同轴转动，与轴承相比，这样的连接方式可以最大限度的减少主轴15和叶轮22的轴向振动幅度，以减少轴向间隙2的变化幅度，提高泵运行的稳定性。密封端盖16通过螺栓固定在型线隔板11上，与主轴15，型线隔板11共同围处一个空间，密封装置17安装在这个空间，通过密封端盖16、型线隔板11和主轴15的轴肩提供支撑和固定，在离心泵轴封设计中，常用的轴封种类有：①填料密封；②机械密封；③浮动密封。希望能够达到的要求：①密封安全可靠；②消耗功率低；③能够适应不同转速的转换状态。填料密封是一种传统的压盖密封。它靠压盖产生压紧力，从而压紧填料，迫使填料压紧在密封表面(轴的外表面和密封腔)上，产生密封效果的径向力，因而起密封作用。填料密封结构简单，操作维修方便，成本低廉，依其采用的填料形式分成软填料密封和硬填料密封，后者主要用于高压、高温高速下工作的机器设备。软填料密封构造简单并且容易更换，应用十分普遍，所以此处选用填料密封。

结合附图2，所述回流前腔4是由叶轮前盖板5和泵壳1共同形成的流线型腔体。为了模拟流体在本实用新型设计中的流动状态，对设计进行流体域建模，及网格划分，在泵腔与壳体之间的流体域，口环处进行边界层分割，以保证更准确的模拟结果，同时，对划分的网格进行收敛性检验，并由RNG k-ε模型对流场进行数值计算得到流线图和云图。根据数值模拟结果，经过叶轮22流入蜗壳扩散段的流体会有极小部分通过间隙5流入回流前腔4，这部分流体属于损耗，所以较小的回流也提高了泵的效率；回流前腔4中存在着稳定的漩涡，这是因为前腔的流线结构引起由叶轮流道流入前腔的流体沿前腔的几何结构回流，漩涡的旋向与间隙5和轴向间隙2均垂直，这就意味着回流前腔4内的流体与其他流道的流体交互很少，增加了运行的稳定性，减少了耗散引起的能量损失，提高了效率。此外，口环间隙2是一种轴向间隙，而现在大多离心泵设计均将口环间隙设计为径向间隙，由于蜗壳的轴向不对称和隔舌的存在，离心泵的径向压力脉动是很难避免的，所以径向的口环间隙会在泵运行时不停改变，引起流体流动的不稳定，而本实用新型通过将口环间隙设计为轴向间隙，并通过联轴器14和主轴15螺栓连接，以及主轴15和叶轮22的双重紧固，尽可能地减小了轴向压力脉动，使轴向间隙2保持稳定状态，提高了泵运行的稳定性。

结合附图2，附图3，所述叶轮叶片7属于长叶片，其长度超过前后盖板的长度，并达到蜗壳扩散段平均宽度的三分之一。叶轮叶片是主要的对流体做功的原件，铸造泵的叶片强度有限，而冲压焊接泵的叶片厚度均匀，强度高，可以进行长叶片的设计和制造。叶片长度的增加，意味着叶片对流体做功的区域增加，会提高泵的扬程。根据数值模拟的结果显示，叶轮流道内部的低压区域很少，而平面型结构的低压区域中有明显的压力极小区域，这意味着叶轮内几乎没有产生空化现象，提高了泵的稳定性和效率。同时，叶轮泵送的流体经过蜗壳的弧形结构，会有大部分流体回流至叶轮，收到叶轮的二次做功，进一步提高扬程。

结合附图2，所述型线型后腔结构是由型线隔板11与叶轮后盖板8共同形成的流体域，型线型后腔结构最大限度减小了泵腔体积，并通过叶轮后盖板的几何数据进行水力设计，更统一化、标准化。由于离心泵的轴向力会对密封装置和主轴都造成了相当大的压力，会由于泄露和振动降低泵的寿命和效率，根据数值模拟的结果显示，型线型结构的后腔流道很小，流体速度阶梯递减，在拐点处流体速度已经很小，依然呈现稳定的流动状态，这样的几乎静止的流体，在一定程度上可以平衡轴向力，起到平衡室的作用，降低密封装置和主轴的压力，以减少泄露，提高离心泵运行寿命和效率。同时，在型线隔板 11上还配有泄压孔9，可以进行后腔内液体的清洗和排空。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。