一种具有抗空蚀叶片的离心泵的制作方法

本发明涉及一种具有抗空蚀叶片的离心泵。

背景技术：

离心泵内空蚀现象是：在泵内空化时密集的小尺寸空泡在叶轮固体壁面处破裂并且和叶轮固体壁面有着直接的接触，空泡溃灭时释放高强度的脉冲压力持续不断反复冲蚀叶轮壁面的过程。空蚀与空泡的演化密切相关，离心泵内空蚀产生的本质原因是空泡群周期性破裂的结果。空蚀由于其瞬态性和随机性，很难精准预测空蚀强度和空蚀区域。对于工作中的离心泵，目前很难做到完全克服由空化引起的空蚀损伤问题。实际上，空泡对离心泵叶轮壁面的空蚀损伤程度，不仅与离心泵叶轮壁面的材料性能有关，还取决于离心泵叶轮壁面的几何形状。因为叶轮固体表面不同的几何形状会影响空泡溃灭时与叶轮壁面相互作用的形式，如空泡溃灭时产生微射流的冲击角度大小、冲击速度大小、冲击区域分布及流场变化对空泡溃灭的影响。

通过仿生学原理对特定工况下的工业机械进行结构的改进，是工程改型中新颖又卓有成效的一种方法，非光滑表面结构是一种应用前景广阔的仿生技术。在离心泵内运用仿生非光滑表面可以有效地改善离心泵的性能，有很多设计改进了叶轮、蜗壳等水力元件的结构，以起到抑制空化的作用，但是本发明以新颖的角度，提出了一种能够在空化发生时，大幅度减少空化造成的损伤(空蚀)的结构设计，即抗空蚀叶片表面非光滑结构。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种可以改善流场结构的特点和提高离心泵抗空蚀损伤的能力的具有抗空蚀叶片的离心泵。

本发明所述的一种具有抗空蚀叶片的离心泵，包括离心泵本体，所述离心泵本体包括蜗壳、连接轴、电机和叶轮，所述的电机固定于壳体外，所述的连接轴承托于蜗壳并伸入蜗壳内；所述的叶轮包括叶片、前盖板和后盖板，所述的叶片装在前后盖板之间的连接轴上并位于蜗壳内，所述的电机通过所述的连接轴与叶轮轴接，其特征在于：所述叶片靠近前盖板的吸力面设有非光滑结构，所述非光滑结构为若干凸起。

所述凸起成列设置，并且每列凸起从叶轮中心呈螺旋型延伸至向叶轮边沿。

所述凸起为球状凸起。根据对皮皮虾生物表面结构特征参数进行提取，皮皮虾表皮的结构形态主要表现在各个流动凹凸结构之间；再根据其表皮结构构造符合流线型的特征结构，例如球状凸起结构，球状凸起结构特性比较符合流体的流动形态。

所述球状凸起沿叶片长度方向成列分布，每列球状凹坑等间距布置。考虑到离心泵空化最先发生在叶轮进口处，叶片吸力面靠近前盖板位置，且叶片前缘的型线和吸力面的形状对离心泵空化性能影响很大。通过仿生原理将皮皮虾背脊结构简化成的球状凸起结构，添加到离心泵叶轮靠近前盖板的吸力面位置处。

空蚀损伤是造成离心泵叶轮壁面失效的主要原因，当泵内空泡逐渐长大，随着液流流动进入高压区后，空泡受到周围高压液体的作用开始溃灭。当空泡在离心泵固体壁面处破裂时，空泡周围高压水体以高速填充破裂的空泡，形成高速微射流和冲击波，对离心泵固体壁面造成空蚀损伤。当离心泵长期处于空蚀损伤状态时，叶片金属壁面首先出现空蚀针孔，大量气泡反复不断的溃灭，使得空蚀针孔壁不断剥落，一段时间后空蚀针孔逐步扩大形成空蚀坑。本发明为了更好的改善离心泵的空蚀损伤性能，通过仿生的原理在离心泵叶轮吸力面处建立仿生非光滑表面结构，该结构为一种圆形结构。由于非光滑叶片的表面有着凸起结构，并不符合流体的流态特征，在凹坑处易产生漩涡，消耗了能量，影响了压力能向速度能的转变，造成了扬程和效率的降低。但是非光滑表面较好地拟合了液流的流动曲线，没有过大的弯角，所以其扬程和效率较贴近光滑叶片，外特性下降幅度极小。

本发明的有益效果是：通过对叶轮叶片的表面进行非光滑表面改型，实现抗空蚀性能的显著提升；在离心泵最容易发生空化空蚀的吸力面处设置适当结构和大小的仿生非光滑表面结构，并采用数值模拟和试验验证相结合的方法，验证了非光滑表面结构改善流场结构的特点和提高离心泵抗空蚀损伤的能力，势必会促进离心泵的空化空蚀性能进一步发展，具有重要的理论意义与工程实用价值。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2a是传统叶片的空泡体积在叶片吸力面处分布云图；

图2b是本发明的叶片的空泡体积在叶片吸力面处分布云图；

图3a是光滑叶片及凹坑处速度矢量图；

图3b是本发明所述的叶片及凹坑处速度矢量图；

图3c是图3b的叶片吸力面凹坑处矢量图放大图；

图4是离心泵的整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图：

实施例1本发明所述的一种具有抗空蚀叶片的离心泵，包括离心泵本体，所述离心泵本体包括蜗壳、连接轴、电机和叶轮，所述的电机固定于壳体外，所述的连接轴承托于蜗壳并伸入蜗壳内；所述的叶轮包括叶片、前盖板和后盖板，所述的叶片装在前后盖板之间的连接轴上并位于蜗壳内，所述的电机通过所述的连接轴与叶轮轴接，所述叶片1靠近前盖板的吸力面设有非光滑结构11，所述非光滑结构为若干凸起。

所述凸起成列设置，每列凸起从叶轮中心呈螺旋型延伸至向叶轮边沿，并且每列凸起旋向一致。

所述凸起为球状凸起。根据对皮皮虾生物表面结构特征参数进行提取，皮皮虾表皮的结构形态主要表现在各个流动凹凸结构之间；再根据其表皮结构构造符合流线型的特征结构，例如球状凸起结构，球状凸起结构特性比较符合流体的流动形态。

所述球状凸起沿叶片长度方向成列分布，每列球状凹坑等间距布置。考虑到离心泵空化最先发生在叶轮进口处，叶片吸力面靠近前盖板位置，且叶片前缘的型线和吸力面的形状对离心泵空化性能影响很大。通过仿生原理将皮皮虾背脊结构简化成的球状凸起结构，添加到离心泵叶轮靠近前盖板的吸力面位置处。

实施例2结合图1说明抗空蚀叶片表面非光滑结构的形式，考虑到离心泵空化最先发生在叶轮进口处，叶片吸力面靠近前盖板位置，且叶片前缘的型线和吸力面的形状对离心泵空化性能影响很大。通过仿生原理将圆形凸起结构添加到离心泵叶轮靠近前盖板的吸力面位置处。

结合图2a、2b和图3a、3b、3c说明抗空蚀叶片表面非光滑结构在叶片位置如何提高抗空蚀性能。图2a、2b所示为空泡在光滑表面与直圆形非光滑表面叶片上的分布云图。初生空化发生的区域在叶片前缘处，存在有汽相体积分数较高的区域。由于空泡分布的不对称性，各个叶片的液流角受到空泡演化的影响程度各不相同，造成离心泵内各个流道上叶片受力的不均匀性增加，特别是在离心泵工作过程中，叶轮的旋转运动使得叶片的冲角呈现正负交替变化，这种状况对离心泵叶轮会产生较大的应力作用，造成叶片的疲劳损伤，与空泡溃灭造成的空蚀一起作用产生叶片的损伤破坏。从图2a、2b中可以看出当叶片表面光滑时，空泡基本都附着在叶片表面上。当叶片表面是非光滑结构时，靠近叶片壁面的流层中仿生结构的汽相体积分数较低，而大多数汽相集中在仿生结构的凸起尖端部位，这使得当叶片表面有非光滑凸起结构时空泡有向上抬升的趋势，这主要是凸起结构像障碍物一样干扰了空泡的运动轨迹，使得空泡远离了叶片表面。这种现象的存在使得当空泡溃灭时，非光滑表面叶片的空蚀损伤区域主要集中在仿生凸起结构的顶部，对叶片表面的损伤较小，空蚀损伤区域和空蚀损伤强度有着明显的减小。

仿生非光滑离心泵叶片吸力面处的速度矢量图如图3所示。由图3可知，凹坑内的流体随主流场形成反向流动的漩涡，漩涡的形成阻碍了上层高速流体的下扫运动，凹坑内的反向旋涡形成了一个独立的低速层，反向旋涡减少了与主流场的动量交换，因此减小了空泡与壁面的接触面积，同时也减小了空泡溃灭时对叶片壁面的损伤程度。反向漩涡的生成削弱了叶片吸力面近壁面流向涡的强度，降低了高速流向涡的能量，从源头上弱化了湍流猝发的强度以及反向旋涡的展向和法向与主流场的动量交换，继而弱化了叶片近壁面空泡生成的能力。如果从机械原理出发，类似于“空气轴承理论”。

空化区域和空蚀损伤区域并不完全一致，造成空蚀损伤区域一般在空泡溃灭区域，与流体介质的物理特性、流道壁面的材料属性和空泡溃灭速度有关。前盖板处空蚀区域演化与气体体积区域的演变密切相关。在初生空化时气泡体积小，大部分空泡为不稳定的非定常泡沫状空泡，空泡基本集中在叶轮进口处的叶片吸力面前缘。非定常的小空泡在前盖板处发生破裂极大的损伤了叶轮壁面，叶轮前盖板上存在的空蚀区域呈现点状分布，与实际空蚀损伤时在叶轮表面形成凹凸不平的麻点状凹坑的物理特性相吻合，与光滑叶片叶轮相比非光滑叶片叶轮空蚀区域大小和空蚀损伤强度基本一致。在空化发展阶段，叶轮流道内空泡逐渐向叶轮流道出口处扩展，空蚀区域随着空泡扩展方向向叶轮流道出口迁移。此时空泡的形态还未从泡沫状小空泡完全转化为层状大空泡，前盖板上空蚀区域有所扩展，叶轮流道内呈零星点状不均匀分布的空蚀区域逐渐向条状空蚀区域发展。随着空化余量的下降，光滑叶片叶轮内空化发展最迅速，空泡体积占据了叶轮流道的一半。空蚀区域与强度迅速的增加，叶轮壁面损伤加剧。非光滑表面叶片叶轮的空泡增大幅度小于光滑叶片叶轮，前盖板上的气体体积分数也较低，空蚀损伤区域比光滑叶片叶轮小，空蚀损伤强度也比光滑叶片叶轮弱。当产生严重空化时，叶轮前盖板壁面的空蚀区域进一步向叶轮出口处扩展，空蚀区域和空蚀损伤强度进一步加强。由于叶轮和隔舌的动静干涉作用，流道内气泡呈不对称分布，造成空蚀区域也呈不对称分布。非光滑叶片叶轮内不易发生空化，空蚀区域相对较小。由初生空化发展到严重空化的过程中空蚀区域基本集中在叶轮入口到1/2流道区域内，空蚀强度也比光滑叶片叶轮弱，较好地抑制了空化改善了叶轮的空蚀性能。

结合图4，后盖板上气体体积区域比前盖板大，但含气率相对较小，两种叶片叶轮的空蚀过程和空蚀区域以及空蚀损伤强度的演变与前盖板上空蚀的演变基本一致。同时，从初生空化到严重空化这一过程中，叶轮内空蚀位置和空蚀强度随着空泡的发展随时变化，空蚀最严重的区域是在叶片背面和后盖板的交接处，叶轮流道出口附近没有明显的空蚀现象。在初生空化时，叶片上吸力面对应点的压力低于压力面压力，低压区域首先出现在叶片前缘靠近前盖板处，所以这是叶轮内最容易发生空蚀的位置。在严重空化下，在叶轮流道内气泡占据了从叶片前缘到叶片尾缘的2/3区域，叶片压力面受到的空蚀比吸力面更加严重。

初生空化npsh＝2.0m时空泡破裂易产生对叶片和后盖板的空蚀损害，所以当初生空化npsh＝2.0m时其实损害区域在叶轮流道进口处。初生空化npsh＝2.0m时，叶轮流道内的空化区域小并且空泡密度也小，叶片压力面基本没有气泡，此时叶片压力面基本不会受到空蚀损伤的影响。随着空化余量的下降，叶片上的空蚀区域由最先的叶片吸力面向叶片压力面逐渐转移。初生空化npsh＝2.0m时，两种叶片叶轮后盖板上的空蚀区域与强度区分不大。

在空化发展阶段，两种叶片叶轮中，光滑叶片叶轮的空蚀损伤区域增长最为迅速，空蚀损伤强度最强。非光滑叶片叶轮由于在叶片吸力面处存在着仿生凸起结构，有效地抑制了空化的产生，并且在空泡的生成后，仿生非光滑表面凸起结构有效地抬升了空泡，使得空泡远离了叶片的吸力面，在空泡溃灭阶段，空蚀损伤的能量较少地传递到叶片吸力面的表面，从空蚀损伤云图上就反应出空蚀损伤区域与空蚀强度明显小于光滑表面叶片叶轮。从空化的过程来看，相比较于初生空化和空化发展时期，严重空化的空蚀损伤程度大范围广，易造成叶片和后盖板处的材料损伤，形成空蚀麻点，严重时叶轮会发生空化腐蚀破裂。在严重空化时空泡逐渐从叶片吸力面向叶片压力面迁移，在空泡转移过程中流道内也会有不同程度的破坏，同时叶片空蚀区域从最初的叶片吸力面转为叶片压力面。光滑叶片叶轮内空泡基本充满了4/5的叶轮流道。在严重空阶段，光滑叶片叶轮流道内的空泡体积分数最高，产生的空蚀损伤最为严重。非光滑叶片叶轮空化现象最弱，空蚀区域和空蚀损伤强度最小。非光滑表面叶片叶轮在不影响离心泵外特性下可以较好地改善叶轮流道内的流动状态，提高离心泵的空化特性，有效地改善了空蚀区域大小和空蚀损伤程度。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明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，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。