一种带槽结构的径向导叶及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于离心泵领域，尤其是涉及一种带槽结构的径向导叶及其设计方法。
【背景技术】
[0002]径向导叶位于叶轮和蜗壳之间，在核电用泵等领域中导叶式单级离心泵中广泛应用，径向导叶将从叶轮获得高能的流体的动能转换成压能，减小流体对蜗壳的冲击力，另外也用于海水淡化等领域中的多级离心泵，径向导叶降低流体的速度，可以消除流体的速度环量，从而流体进入下一级叶轮时会减小水力损失。然而，导叶内存在非常复杂的流动特性，例如二次流、流动分流等，产生产大的水力损失，据相关资料表明，导叶内的水力损失约占泵内水力损失的40%左右。
[0003]在流体机械领域中，已有相关理论证实了在泵叶轮叶片上开槽可以较好地改善叶轮内部流场。例如专利号CN200910052014.7的专利“泵沟槽引流叶片”提出了一种在叶片上开沟槽的叶轮结构，可有效地消除流动分离，实现泵在较宽的运行工况的性能提高。专利号201410300154.2的专利“一种具有消涡减阻孔的导叶体”提出在一种在叶片上开孔的空间导叶，可以减小二次流和游祸，减少水力损失。
[0004]然而，在改善径向式导叶离心泵中导叶内部流动研宄方面，对径向导叶叶片开槽结构及其设计的专利并未见报道。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种带槽结构的径向导叶及其设计方法，以减小在导叶工作面出现的漩涡区域，改善导叶内部流场分布，从而提高径向导叶的过流能力，进而提尚栗的效率。
[0006]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0007]一种带槽结构的径向导叶的设计方法，包括径向导叶，有以下步骤:
[0008](I)采用计算流体力学软件ANSYS CFX 14.5对所述径向导叶进行定常数值模拟，得到径向导叶内全部流道的速度流线分布图；
[0009](2)读取步骤⑴中所述的速度流线分布图并标记所述速度流线分布图中漩涡的个数和位置，确定所述径向导叶的槽的个数和位置；
[0010](3)读取步骤(I)中所述的速度流线分布图并标记所述速度流线分布图中漩涡的最外层长轴长度L和流向，确定所述槽的大小和方向，在步骤(I)中所述径向导叶上开槽；得到带槽的径向导叶；
[0011](4)对步骤(3)中所述带槽的径向导叶进行数值模拟，得到其速度流线分布图，分析是否已得到改善；如果改善不明显，则再次返回到步骤(3)，对槽的大小和方向进行改进，直到效果显著。
[0012]进一步的，所述槽的个数等于漩涡的个数。
[0013]进一步的，过漩涡中心作叶片工作面的相切面的垂线b，该垂线b与径向导叶的叶片相交于点A，所述槽位于点A处。
[0014]进一步的，所述槽的截面为矩形；所述槽的宽度为(1/12?1/10)L，所述槽的高度为宽度的1-3倍。
[0015]进一步的，所述槽的宽为0.5?5_，高为3?12_。
[0016]进一步的，所述径向导叶的叶片外侧面为叶片工作面，沿流道方向所述槽与叶片工作面的相切面之间有一夹角，所述夹角为20°?45°。
[0017]本发明的有益效果:
[0018](I)本发明采用计算流体力学软件ANSYS CFX 14.5对原径向导叶定常数值模拟后得到速度流线分布图，进而设计出导叶叶片上的槽结构，使叶片工作面出现的漩涡区域通过所述槽流动到叶片背面，同时不影响叶片背面的流动；漩涡区域面积的减小有效地改善了叶片工作面的流体流动，提高了径向导叶的过流能力，进而提高泵的运行效率。
[0019](2)本发明所设计出的槽结构简单、易操作，可在径向导叶模具制造过程中容易完成，具有较强的实用性。
【附图说明】
[0020]图1为本发明带槽结构的径向导叶的示意图。
[0021]图2为所述槽结构的示意图。
[0022]图3为多级离心泵的径向导叶内一流道的速度流线分布图。
[0023]图4为实施例1中夹角为20°的带槽径向导叶内一流道的速度流线分布图。
[0024]图5为实施例1中夹角为30°的带槽径向导叶内一流道的速度流线分布图。
[0025]图6为单级离心泵的径向导叶内一流道的速度流线分布图。
[0026]图7为实施例2中夹角为25。的带槽径向导叶内一流道的速度流线分布图。
[0027]附图标记说明如下:
[0028]1-前盖板，2-叶片背面，3-叶片，4_槽，5-叶片工作面，6_后盖板，7~夹角，8_叶片出口。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]实施例1:
[0031]采用计算流体力学软件ANSYS CFX 14.5对多级离心泵的径向导叶进行定常数值模拟，得到导叶内全部流道的速度流线分布图，读取速度流线分布图并标记所述速度流线分布图中漩祸的个数、位置、最外层长轴长度L和流向，由此确定槽4的个数、位置、大小和方向，在所述径向导叶上开槽4，得到带槽4的径向导叶。
[0032]如图1所示，所述带槽4的径向导叶包括前盖板1、叶片3和后盖板6，槽4连通叶片工作面5和叶片背面2。因为多级离心泵的径向导叶速度流线分布图内存在8个漩涡区域，而且漩涡区域发生在叶片工作面5并靠近叶片出口 8，因此在出现漩涡区域的8个叶片3上设计8个槽4。槽4靠近前盖板I且位于距叶片出口 8的1/3叶片长度处。如图2所示，槽4的截面为矩形，槽4与叶片工作面5的相切面之间为夹角7。取所述夹角7为20°，槽4的宽为0.8mm、高度为2mm，由此设计出带槽4的径向导叶。
[0033]将实施例1中带槽4的径向导叶通过数值模拟，得到速度流线分布图。通过对比图3和图4，从中可以看出，叶片工作面5的漩涡区域面积未得到显著改善；调整夹角7为30°，宽度为3mm，高度为4mm，其他参数不变，得到夹角7为30°的带槽导叶，通过对其数值模拟，得到速度流线分布图。比较图3和图5，叶片工作面5区域的流动得到改善，漩涡区域面积显著减小，在叶片工作面5产生的漩涡由于具有较高的静压，通过槽4流动到叶片背面2，同时不影响叶片背面2的流动，提高了径向导叶的过流能力，进而提高泵的运行效率。
[0034]实施例2:
[0035]采用计算流体力学软件ANSYS CFX 14.5对单级离心泵的径向导叶进行定常数值模拟，得到导叶内全部流道的速度流线分布图，读取速度流线分布图并标记所述速度流线分布图中漩祸的个数、位置、最外层长轴长度L和流向，由此确定槽4的个数、位置、大小和方向，在所述径向导叶上开槽4，得到带槽4的径向导叶。
[0036]因为径向导叶内存在5个漩涡区域，而且漩涡区域发生在叶片工作面并靠近叶片出口 8，因此在出现漩涡区域的5个叶片3上开5个槽4。槽4靠近前盖板I且位于距叶片出口 8的1/4叶片长度处；所述夹角7为25°，槽4的截面为宽5mm、高8mm的矩形。
[0037]将实施例2中所述带槽4的径向导叶通过数值模拟，得到速度流线分布图。过对比图5和图6，从中可以看出，叶片工作面5区域的流动得到改善，漩涡区域面积显著减小，提高了径向导叶的过流能力，进而提高泵的运行效率。
[0038]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。
【主权项】
1.一种带槽结构的径向导叶的设计方法，包括径向导叶，其特征在于，以下步骤: (1)采用计算流体力学软件ANSYSCFX 14.5对所述径向导叶进行定常数值模拟，得到径向导叶内全部流道的速度流线分布图； (2)读取步骤(I)中所述的速度流线分布图并标记所述速度流线分布图中漩涡的个数和位置，确定所述径向导叶的槽(4)的个数和位置； (3)读取步骤(I)中所述的速度流线分布图并标记所述速度流线分布图中漩涡的最外层长轴长度L和流向，确定所述槽(4)的大小和方向，之后在步骤(I)中所述径向导叶上开槽(4)，得到带槽⑷的径向导叶； (4)对步骤(3)中所述带槽(4)的径向导叶进行数值模拟，得到其速度流线分布图，分析漩涡区域是否已得到明显改善；如果改善不明显，则再次返回到步骤(3)，对槽(4)的大小和方向进行改进，直到效果显著。
2.根据权利要求1所述的带槽结构的径向导叶的设计方法，其特征在于，所述槽(4)的个数等于漩涡的个数。
3.根据权利要求1所述的带槽结构的径向导叶的设计方法，其特征在于，过漩涡中心作叶片工作面(5)的相切面的垂线b，所述垂线b与叶片相交于点A，所述槽(4)位于点A处。
4.根据权利要求1所述的带槽结构的径向导叶的设计方法，其特征在于，所述槽(4)的截面为矩形；所述槽(4)的宽度为(1/12?1/10) L，所述槽(4)的高度为宽度的1-3倍。
5.根据权利要求3所述的带槽结构的径向导叶的设计方法，其特征在于，所述槽(4)宽度为0.5?5_，高度为3?12_。
6.根据权利要求1或2所述的带槽结构的径向导叶的设计方法，其特征在于，所述径向导叶的叶片外侧面为叶片工作面(5)，沿流道方向所述槽(4)与叶片工作面(5)的相切面之间有一夹角(7)，所述夹角(7)为20°?45°。
【专利摘要】本发明提供了一种带槽结构的径向导叶及其设计方法，包括前盖板、叶片、槽和后盖板，所述槽连通叶片工作面和叶片背面；采用计算流体力学软件ANSYS CFX 14.5对径向导叶定常数值模拟，得导叶内全部流道的速度流线分布图，以此来设计带槽的径向导叶；对带槽的径向导叶进行数值模拟，得到其速度流线分布图，分析是否已得到改善，如果改善不明显，则再次根据速度流线分布图，对槽进行改进，直到效果显著。本发明通过减小导叶工作面的漩涡区域，改善导叶内部流场分布，从而提高其过流能力；所述的带槽结构的径向导叶结构简单，该槽结构的设计在径向导叶模具制造过程中即可完成，具有较强的实用性。
【IPC分类】F04D29-44, G06F17-50
【公开号】CN104537165
【申请号】CN201410797350
【发明人】王文杰, 袁寿其, 裴吉, 张金凤, 孟凡, 陈佳
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月19日