一种带尾叶的抗汽蚀离心泵叶轮

1.本发明属于抗汽蚀离心泵叶轮技术领域，具体涉及一种带尾叶的抗汽蚀离心泵叶轮。


背景技术：

2.离心泵具有操作方便，适应性强等优点，适用于启动频繁、流动作业、灌液困难等场合，在化工与农业等领域应用广泛。随着经济和科技的快速发展，国家对离心泵的发展越来越重视。
3.当离心泵高速运转中，输送的介质在高速流动下，介质会在该处开始汽化并形成气泡。这些气泡随介质向前流动，流至某高压区时，气泡周围的高压介质会使气泡快速地缩小直至破裂。与此同时，液体以很高的速度填充空穴，产生强烈的水锤效应。该冲击力的瞬间可达到十几兆帕甚至是几百兆帕的压力，并且频率高达2万多次/分钟，不间断地打击在过流部件的金属表面上，形成机械剥蚀，这就是汽蚀。汽蚀会导致泵的性能降低、叶轮损坏和结构的低频振动。
4.汽蚀对离心机和泵来说有许多大的危害，长期在叶轮断裂机理的工况下正常运行，会很快地致使叶轮上的材料结构出现疲劳及脆性剥蚀，不仅严重影响离心泵的正常运行工作，还大大降低了离心叶轮的使用寿命。目前，用于提高离心泵抗汽蚀性能的方法有很多，但对于叶片尾缘的保护设计还不是很完善，而叶片出口位置处的汽蚀损害往往是最严重的，直接影响了叶轮机械的寿命。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种带有尾叶的抗汽蚀离心泵叶轮，能够有效地减少流动总阻力、降低流动损失、提高扬程和效率，并控制叶轮内的涡尺度、抑制压力脉动、改善离心泵抗汽蚀性能、提高泵的寿命。
6.本发明提供如下技术方案：
7.一种带尾叶的抗汽蚀离心泵叶轮，包括前盘及后盘，所述前盘与后盘之间设有一组呈曲线型的叶片及尾叶，所述叶片及尾叶的两端分别与前盘及后盘相连接组合形成一个整体；一组叶片沿着前盘或后盘的中心轴线呈圆周排布，所述尾叶与叶片一一对应设置。
8.进一步的，所述尾叶位于叶片的末端，且靠近叶片的吸力面一侧设置。
9.进一步的，所述尾叶吸力面的倾角与叶片上对应位置处的吸力面弧线角度一致。
10.进一步的，所述尾叶与叶片之间留有流通通道，
11.进一步的，所述尾叶的前缘位置始于叶片尾缘的内侧。
12.进一步的，所述尾叶的前部设有尾叶前缘，其后部设有尾叶凸台；所述尾叶前缘为曲线结构，尾叶前缘上靠近前盘、后盘的位置处及其中心叶高位置处均设有凸起；所述尾叶凸台为突出的台阶结构。
13.进一步的，所述尾叶吸力面一侧的上下两端均设有一组凹坑。
14.进一步的，所述后盘上位于流通通道处以及位于尾叶与后盘的连接位置处均设有一组凹坑。
15.进一步的，一组所述凹坑之间均匀间隔排布。
16.进一步的，所述凹坑的中部设有凸包。
17.通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
18.1)、本发明中，在叶片末端添加设置了尾叶结构，改变了叶轮的流通面积，减弱了其尾迹-射流现象；且增加了流道的体积，减少涡流回流等问题，能够改善离心叶轮进口和出口的流体流动特性；并提供了更充分的空间使得叶轮将机械能转为流体的动能；
19.2)、本发明在离心叶片尾部增加了尾叶，尾叶的存在可以延缓和控制叶片吸力面尾缘的分离区，减少二次流、分离流等影响，减少叶轮出口处的汽蚀，保护了最易受汽蚀损害的叶片出口部位，提高了离心泵的寿命；
20.3)、本发明设计的尾叶前缘结构为曲线结构，靠近前后盘和中心叶高的尾叶前缘凸起，使不同叶高截面上的流通面积不一致，从而将流体推向凹坑，加速叶片吸力面尾缘和尾叶压力面附层的低速流体，抑制叶片尾部低压区空化现象，并提升叶轮流道的主流速度，进一步改善离心泵性能；
21.4)、本发明的流通通道及尾叶位置处布有凹坑，凹坑内设计有小凸包结构，在流体经过时，凹坑壁面会出现漩涡，在边界层内部加剧湍流并不扩散到中心处；涡流和主流之间产生了“涡垫效”应由滑动摩擦改变为类似滚动摩擦，滚动摩擦阻力小于滑动摩擦阻力，降低了来流克服摩擦阻力所需要的动量；并提升了其抵抗逆压梯度能力，延缓了流动分离，减小了该位置形成的低压区，从而减小了压差阻力；凸包的凸起结构使得流体绕过凸起流动，降低了叶片出口处的速度梯度，减小了湍流强度，同时，将产生的涡垫推向边界层中心位置，减少小涡产生内耗，稳定较大涡，可以进一步减小流动阻力；
22.5)、本发明中，尾叶上设有凸台结构，吸力面叶轮出口速度与压力面叶轮出口速度存在均匀的过渡，抑制尾流区的扩大，可以减少二次流以及回流的分层、边界层增长、流动分离等现象，降低了能量的损失，提高了流场的稳定性。
附图说明
23.图1为本发明的整体结构示意图；
24.图2为本发明的内部剖视结构示意图；
25.图3为本发明尾叶的结构示意图；
26.图4为本发明叶片与尾叶之间的排布结构示意图；
27.图5为本发明凹坑的结构示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细
节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
30.请参阅图1-5，一种带尾叶的抗汽蚀离心泵叶轮，包括前盘1、叶片2、尾叶3及后盘4，前盘1与后盘4相对设置，一组叶片2及尾叶3设置在前盘1与后盘4之间，并焊接固定形成一个整体。
31.具体的，叶片2为曲线型结构，多个叶片2沿着前盘1或后盘4的中心轴线呈圆周排布。
32.具体的，尾叶3与叶片2一一对应设置；尾叶3位于叶片2的末端，且靠近叶片2的吸力面一侧设置；尾叶3吸力面的倾角与叶片2上对应位置处的吸力面弧线角度一致；尾叶3的前缘位置始于叶片2尾缘的内侧0.05l处，l为叶片2的弦长。
33.具体的，尾叶3的前部设有尾叶前缘301，后部设有尾叶凸台303，尾叶3吸力面一侧的上下两端均设有一组凹坑302，后盘4上位于流通通道处以及位于尾叶3与后盘4的连接位置处均设有一组凹坑302，凹坑302之间均匀间隔排布。
34.尾叶3的弦长l0＝k
l0
×
l，尾叶3的最大厚度b0＝k
b0
×
b；其中，l为叶片2弦长，k
l0
为尾叶弦长系数，k
l0
取0.85～0.9，b为叶片2最大厚度，k
b0
为尾叶厚度系数，k
b0
取0.095～0.105；尾叶3的压力面与叶片2的吸力面之间形成流通通道，该流通通道宽度为尾叶3最大厚度b0的3倍。
35.尾叶3的曲线方程为：
36.z1＝-117.14l0x+0.364+4.59l0x+0.362+0.04l0，x∈[-0.5h,-0.36h]；
[0037]
z2＝2.68l0x
4-0.69l0x2+0.085l0，x∈[-0.36h,0]；
[0038]
z3＝-117.14l0x-0.364+4.59l0x-0.362+0.04l0，x∈[0.36h,0.5h]。
[0039]
其中，h为叶片叶高，基准面为0.5h水平面。
[0040]
具体的，尾叶前缘301为曲线结构，尾叶前缘301上靠近前盘1、后盘4的位置处及其中心叶高位置处均设有凸起，使得不同叶高截面上的流通面积不一致，从而将流体推向凹坑302，加速叶片2吸力面尾缘和尾叶3压力面附层的低速流体，抑制叶片2尾部低压区空化现象，并提升叶轮流道的主流速度，进一步改善离心泵性能；
[0041]
具体的，凹坑302中间有凸包3021，凹坑302直径d＝0.06b0，深度h＝0.02b0，凸包3021半径r＝0.01b0。
[0042]
在流体经过时，凹坑302壁面会出现漩涡，在边界层内部加剧湍流并不扩散到中心处；涡流和主流之间产生了“涡垫效”应由滑动摩擦改变为类似滚动摩擦，滚动摩擦阻力小于滑动摩擦阻力，降低了来流克服摩擦阻力所需要的动量；提升了其抵抗逆压梯度能力，延缓了流动分离，减小了该位置形成的低压区，从而减小了压差阻力；凸包3021的凸起高度导致流体绕过凸起流动，降低了叶片2出口处的速度梯度，减小了湍流强度，同时，将产生的涡垫推向边界层中心位置，减少小涡产生内耗，稳定较大涡，可以进一步减小流动阻力
[0043]
尾叶凸台303为突出的台阶结构，通过该尾叶凸台303，可使尾叶3的吸力面叶轮出口速度与压力面叶轮出口速度存在均匀的过渡，抑制叶片2尾流区的扩大，可以减少二次流以及回流的分层、边界层增长、流动分离等现象，降低了能量的损失，提高了流场的稳定性。
[0044]
该尾叶凸台303弦长l1＝k
l1
×
l0，厚度b1＝k
b1
×
b0；其中，k
l1
为台阶弦长系数，k
l1
取0.85～0.9，k
b1
为台阶厚度系数，k
b1
取0.65～0.7。
[0045]
当流体流向叶片2尾缘时，尾叶3的存在能够延缓和控制叶片吸力面尾缘的分离区，抑制叶轮出口处的空化现象，保护了最易受汽蚀损害的叶片出口部位，提高了离心泵的寿命。同时，向外拓展延伸的尾叶3也改变了叶轮的流通面积，减弱了其尾迹-射流的现象。此外，通过设置的尾叶3，增加了流道的体积，减少了涡流、回流等问题，改善离心叶轮进口和出口的流体流动特性。对于流体来说，有了更充分的空间使得叶轮将机械能转为流体的动能。
[0046]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。