一種新型流體機(jī)械葉輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型流體機(jī)械葉輪，可應(yīng)用于產(chǎn)生壓力及回收壓力的流體機(jī)械中，其主要特征包括，后蓋板、前蓋板及葉片，后蓋板在葉片入口處呈圓柱形結(jié)構(gòu)，并且與離心泵的軸向平行，后蓋板與葉片入口圓滑連接，與葉片配合處呈凹形結(jié)構(gòu)向葉輪中心部凹陷；前蓋板處的葉片入口邊與軸向方向垂直，后蓋板與前蓋板在葉片入口處通過圓弧狀平滑曲線連接形成葉輪入口；葉片為設(shè)置在葉片入口與葉片出口之間的光滑曲面，對于葉輪的過流斷面流出出口面積與流入入口面積比是0.75～0.95之間，設(shè)有2.3片，各葉片之間的重迭角度在5°以內(nèi)，葉片的出口角度大于35°。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在提高效率的同時(shí)提升吸入性能、通過提高轉(zhuǎn)速來提升能量回收效率、在輸送含固體顆粒介質(zhì)時(shí)減少內(nèi)部磨損。
【專利說明】一種新型流體機(jī)械葉輪

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于用于液體輸送泵或能量回收渦輪機(jī)組件，尤其是涉及一種新型流體機(jī) 械葉輪。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)低轉(zhuǎn)速的離心泵的，出口面積設(shè)計(jì)更大，出口面積與進(jìn)口面積比大約I. 1? 1.6。為了說明過去技術(shù)，將三維的葉輪的徑向流動(dòng)，以二維的模式說明（見圖2)，如c圖所 示，由于出口面積增大，流速減小，動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，但由于流速減少的不均勻，導(dǎo)致葉輪出 口附近產(chǎn)生壓力波動(dòng)，漩渦會在A處產(chǎn)生。另外，從葉輪軸向看葉片和葉片之間重迭的角度 較大，因?yàn)檫@個(gè)重迭，會產(chǎn)生循環(huán)流，比正常流過葉輪的液體停留時(shí)間更長，不僅從葉輪得 不到更多的能量，反而降低能量傳遞效率。而傳統(tǒng)技術(shù)泵的吸入性能是通過通過前述內(nèi)部 的漩渦A及內(nèi)部循環(huán)流限制流過葉輪的流量，達(dá)到降低進(jìn)口流速，才能提高泵的吸入性能， 由于內(nèi)部漩渦及循環(huán)流的存在，在低轉(zhuǎn)速下大幅提升性能是很難實(shí)現(xiàn)的。
[0003] 對于輸送含固體顆粒介質(zhì)的泵，其傳統(tǒng)的葉輪設(shè)計(jì)思路是以前述低轉(zhuǎn)速泵的葉輪 設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。為了解決固體顆粒對泵各部零件磨損造成的影響，磨損部分以加厚的形式設(shè) 計(jì)以實(shí)現(xiàn)延長壽命的目的。
[0004] 另外，由于包含固體顆粒的液體介質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)速增加后出現(xiàn)數(shù)倍磨損，所以被 設(shè)計(jì)成盡量低的轉(zhuǎn)速。在低轉(zhuǎn)速情況下，扭矩增大即葉片動(dòng)力也增大，隨液體行進(jìn)的固體顆 粒對葉片造成更大的磨損。而且由于轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致葉輪外徑增加，前述的內(nèi)部漩渦進(jìn)一步 增加，反而增大了磨損。并且葉輪直徑增大的同時(shí)，也加大了從葉輪外圓和殼體間隙通往葉 片入口處的回流，增加了對殼體及葉輪外表面的磨損。
[0005] 因?yàn)槿~片入口的磨損而加厚入口，使入口的漩渦變大，這就使得前述葉輪下游部 的大循環(huán)流更大，這樣惡性循環(huán)是由于為了達(dá)到耐磨損的壽命極限而設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的技術(shù) 條件下，只能通過使用可以與磨損對抗的超硬材料，沒有其他解決問題的方法。
[0006] 發(fā)明專利ZL94107695. 4 "流體機(jī)械用葉輪和應(yīng)用該葉輪的流體機(jī)械"中，對離心 式流體機(jī)械高速化條件下葉片形狀及葉片進(jìn)口安放角的設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)新，但并沒有解決高 速化導(dǎo)致的汽蝕性能惡化問題及進(jìn)一步提升效率的方法，本發(fā)明在專利ZL94107695. 4的 基礎(chǔ)上，通過對葉片數(shù)、葉片出口安放角、葉片重疊角、進(jìn)出口面積比的優(yōu)化創(chuàng)新，消除了離 心泵高速化帶來的負(fù)面影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種在提高效率的 同時(shí)提升吸入性能、通過提高轉(zhuǎn)速來提升能量回收效率、在輸送含固體顆粒介質(zhì)時(shí)減少內(nèi) 部磨損的新型流體機(jī)械葉輪。
[0008] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種新型流體機(jī)械葉輪，應(yīng)用于產(chǎn)生壓力的流體機(jī)械，例如離心泵中，包括后蓋 板、前蓋板及葉片，
[0010] 所述的后蓋板在葉片入口處呈圓柱形結(jié)構(gòu)，并且與離心泵的軸向平行，后蓋板與 葉片入口圓滑連接，與葉片配合處呈凹形結(jié)構(gòu)向葉輪中心部凹陷；
[0011] 所述的前蓋板處的葉片入口邊與軸向方向垂直，后蓋板與前蓋板在葉片入口處通 過圓弧狀平滑曲線連接形成葉輪入口；
[0012] 所述的葉片為設(shè)置在葉片入口與葉片出口之間的光滑曲面，設(shè)有2-3片，各葉片 之間的重迭角度在5°以內(nèi)，葉片的出口角度大于35°。
[0013] 所述的后蓋板處的入口角為0°。
[0014] 葉輪的過流斷面流出出口面積與流入入口面積比是0. 75?0. 95。
[0015] 一種新型流體機(jī)械葉輪，應(yīng)用于回收壓力的流體機(jī)械，例如渦輪機(jī)中，包括后蓋 板、前蓋板及葉片，
[0016] 所述的后蓋板在葉片出口處呈圓柱形結(jié)構(gòu)，并且與離心泵的軸向平行，后蓋板與 葉片出口圓滑連接，與葉片配合處呈凹形結(jié)構(gòu)向葉輪中心部凹陷；
[0017] 所述的前蓋板處的葉片出口邊與軸向方向垂直，后蓋板與前蓋板在葉片出口處通 過圓弧狀平滑曲線連接形成葉輪出口；
[0018] 所述的葉片為設(shè)置在葉片入口與葉片出口之間的光滑曲面，設(shè)有2-3片，各葉片 之間的重迭角度在5°以內(nèi)，葉片的入口角度大于35°。
[0019] 所述的后蓋板處的出口角為0°。
[0020] 葉輪的過流斷面流入入口面積與流出出口面積比是0. 75?0. 95。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] 1、本發(fā)明可以通過高速大幅提升效率的同時(shí)，避免傳統(tǒng)技術(shù)帶來的汽蝕性能惡 化，使用該技術(shù)時(shí)，泵的汽蝕余量與傳統(tǒng)工況相當(dāng)，通用性高，可在各行業(yè)的小流量工況替 代原有設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)省資源、降低環(huán)境污染等目標(biāo)。
[0023] 2、利用該葉輪技術(shù)設(shè)計(jì)的超小型高速高性能渦輪發(fā)電設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)未成充分開 發(fā)的小水電資源的高效利用。
[0024] 3、另外，利用該葉輪技術(shù)設(shè)計(jì)的流體機(jī)械的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可通過電氣控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電 機(jī)的功能。例如，在大型石化工程項(xiàng)目中，一臺設(shè)備正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)作為泵或壓縮機(jī)，反向運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)能為發(fā)電設(shè)備合理利用多余的介質(zhì)能量，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。
[0025] 4、對于車、船、飛行器等動(dòng)力交通工具，使用該技術(shù)設(shè)計(jì)的泵、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)等流 體機(jī)械，既可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，又可提1?效率，具有提1?空間利用效率、節(jié)能、1?效等多 重優(yōu)勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)的葉輪內(nèi)部流動(dòng)的模式示意圖；
[0028] 圖3為傳統(tǒng)泵的效率與本發(fā)明的效率比較示意圖；
[0029] 圖4為葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖5為圖4中A截面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖6為圖4中B截面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖7為圖4中C截面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖8為圖4中D截面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖9為實(shí)例泵試驗(yàn)性能曲線；
[0035] 圖10為實(shí)例三維流動(dòng)分析和實(shí)測泵性能的比較圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0037] -種新型流體機(jī)械葉輪，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，應(yīng)用于離心泵中，包括后蓋板1、前蓋 板2及葉片3,后蓋板1在葉片入口處呈圓柱形結(jié)構(gòu)，并且與離心泵的軸向平行，后蓋板1與 葉片入口圓滑連接，與葉片配合處呈凹形結(jié)構(gòu)向葉輪中心部凹陷；
[0038] 前蓋板2處的葉片入口邊與軸向方向垂直，后蓋板1與前蓋板2在葉片入口處通 過圓弧狀平滑曲線連接形成葉輪入口；葉片3為設(shè)置在葉片入口與葉片出口之間的光滑曲 面，設(shè)有2-3片，各葉片之間的重迭角度在5°以內(nèi)，葉片的出口角度大于35°。后蓋板1 處的入口角為0°，葉輪的過流斷面流出出口面積與流入入口面積比是〇. 75?0. 95。
[0039] 原理及效果：
[0040] 關(guān)于本發(fā)明的葉輪的作用，圖2進(jìn)行了詳細(xì)說明。圖2將三維的葉輪的徑向流動(dòng)， 以二維的流動(dòng)來表示。圖2a是關(guān)于本發(fā)明泵的說明圖，線段pq的長度相當(dāng)于入口面積，線 段rs的長度相當(dāng)于出口面積。這樣線段rs和pq的比率就是權(quán)利要求第3項(xiàng)及第6項(xiàng)提 到的面積比，由于縮小流動(dòng)，也不會產(chǎn)生內(nèi)部漩渦，pqsr的梯形圖示的回轉(zhuǎn)中心箭頭方向旋 轉(zhuǎn)，出口 rs的圓周速度最大，這里的能量傳遞最大。圖2b表示本發(fā)明的渦輪，帶有能量的 流體（水）從入口 rs流到出口 pq，無產(chǎn)生漩渦的流動(dòng)。和泵完全相同的梯形pqrs從回轉(zhuǎn) 中心，和泵相反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，吸收流體帶有的能量。
[0041] 用二維表示的圖2c是傳統(tǒng)技術(shù)的泵，圖2d是傳統(tǒng)技術(shù)的渦輪機(jī)，產(chǎn)生能量的泵是 擴(kuò)大流動(dòng)，吸收能量的葉輪是縮小流動(dòng)，與本發(fā)明的流動(dòng)正好相反。對傳統(tǒng)泵來說，在葉輪 大面積外周部產(chǎn)生脫流漩渦A，對傳統(tǒng)渦輪機(jī)來說，小的出口面積導(dǎo)致流體流出困難，同樣 在葉輪外周部產(chǎn)生漩渦A'。
[0042] 本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)的能量傳遞用圖2中pqsr和p' q' sr的梯形面積比較，可見 本發(fā)明的梯形面積遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)技術(shù)，能量吸收的梯形pqsr和p"q"Sr也一樣，本發(fā)明的梯形 明顯大，明確表示了本發(fā)明的葉片的作用比傳統(tǒng)葉片擁有更強(qiáng)能力。傳統(tǒng)技術(shù)的葉輪（圖 2c、d)葉片徑向流速m'很小，而且沒有方法變大。本發(fā)明的葉輪在同樣的出口面積（sr) 及相同的圓周速度情況下，徑向流速m可以變大（在圖2中用m，m'表示）。2個(gè)徑向流速 m都可以變大，意味著外周部葉輪形狀完全相同的情況下，葉輪內(nèi)可以處理更大流量。
[0043] 以上敘述，面積比0.75?0.95、葉片重迭-5°?+5°、葉片數(shù)量僅3片或2片、沒 有內(nèi)部循環(huán)流，入口能力、出口能力平衡的葉輪，用于泵時(shí)可充分的將能量傳給液體，用于 渦輪機(jī)時(shí)可充分的吸收流體能量，將流體排出葉輪?？梢詫?shí)現(xiàn)流體機(jī)械汽蝕性能及效率的 大幅改善。傳統(tǒng)泵的效率與本發(fā)明的效率比較示意圖如圖3所示，在圖3中特別小流量范 圍的流體機(jī)械的高效率改善（像虛線那樣），基于高轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)。
[0044] 對于泵葉輪出口安放角而言，針對后述實(shí)施實(shí)例，泵的出口安放角改變時(shí)，根據(jù)理 論上出口安放角對流量-揚(yáng)程曲線的影響，出口安放角增加導(dǎo)致流量-揚(yáng)程曲線變得平坦， 最高效率點(diǎn)的位置朝流量增大的方向偏移，揚(yáng)程增大的幅度遠(yuǎn)大于流量增大的幅度，效率 顯著提升，由此確認(rèn)出口安放角在35°以上，而由于葉片數(shù)很少，增加葉片出口安放角不會 導(dǎo)致流量-揚(yáng)程曲線駝峰的出現(xiàn)。
[0045] 泵的出口安放角即是渦輪機(jī)渦輪的入口安放角，葉片形狀并不改變，渦輪機(jī)入口 液流角的變化是由于渦輪機(jī)的工況很容易發(fā)生改變，由于正沖角對性能的影響遠(yuǎn)小于負(fù)沖 角，為滿足更大范圍工況的渦輪機(jī)性能要求，因而取葉片角度在35°以上。
[0046] 對于輸送介質(zhì)為氣體的離心式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，由于氣體有著可壓縮性，同時(shí)無汽蝕問 題，壓縮機(jī)的入口直徑可以很大，本發(fā)明提到的面積比可以做到0.75以下，但這樣后，效率 會劣化。由于氣體的密度跟液體比起來小1/1000,葉片數(shù)是輸送液體時(shí)的1. 5?2倍，這就 導(dǎo)致內(nèi)部循環(huán)流大幅加大，加上外周部葉片安放角如果不擴(kuò)大到60°，就無法繼續(xù)有效傳 遞能量，對于傳統(tǒng)技術(shù)而言，要提高性能和效率是很難實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)權(quán)利要求第4、5、6項(xiàng)， 本發(fā)明的面積比0.75?0.95,葉片重迭-5°?+5°，葉片數(shù)量3或2片，外圍葉片角度 35°以上，可以簡單容易的實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。如果密度再小點(diǎn)，就要在能量較高的外圍處增設(shè) 部分葉片。
[0047] 以上敘述的4點(diǎn)要素（面積比、葉片重迭角度、葉片數(shù)、葉片出口安放角）經(jīng)過嚴(yán) 密設(shè)計(jì)后，就能最大化、高性能的實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速流體機(jī)械用的葉輪單位體積的能量傳遞密度。 [0048] 以下說明輸送含固體顆粒液體介質(zhì)的泵使用本發(fā)明的葉輪后如何避免磨損。
[0049] 1、泵無法直接對固體顆粒傳遞能量，主要是由泵工作介質(zhì)（液體，大多是水）對固 體顆粒傳遞能量。磨損是由固體顆粒對泵過流零件沖撞引起的，沖撞的顆粒數(shù)量越多，沖撞 速度越大，磨損就越嚴(yán)重。以上說明的磨損機(jī)理對于內(nèi)部循環(huán)流較大的傳統(tǒng)葉輪來說，就是 固體顆粒跟隨更復(fù)雜的流體流動(dòng)，與葉片、葉輪蓋板產(chǎn)生激烈沖撞，造成局部性的磨損，這 樣造成更復(fù)雜、急劇的磨損。跟此相反，本發(fā)明的葉片幾乎沒有內(nèi)部循環(huán)流，這樣的磨損不 會產(chǎn)生。
[0050] 2、而且在葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，同樣的輸出功率下，葉片對流體的扭矩變小，作用力也 會變小，產(chǎn)生的磨損也相應(yīng)減小。
[0051] 3、再則，含有固體顆粒較多的液體泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，其工作液體的粘性增加引起的葉片 表面附面層加厚后也會產(chǎn)生同樣的正面影響，但粘度增加會造成揚(yáng)程的下降。而傳統(tǒng)技術(shù) 葉輪揚(yáng)程下降的比例更大，為了彌補(bǔ)揚(yáng)程損失，只有增加轉(zhuǎn)速或增大葉輪直徑，這都會導(dǎo)致 磨損的加劇。本發(fā)明的葉輪揚(yáng)程的下降比例約為傳統(tǒng)技術(shù)泵下降比例的1/5,由于揚(yáng)程與葉 輪直徑、轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以補(bǔ)償揚(yáng)程損失所引起的直徑增加或轉(zhuǎn)速增加是微不足道 的，由此造成的磨損也是很小的。
[0052] 4、從吸入性能這個(gè)方面來說，吸入性能不好的葉片，其吸入阻力會使得葉片入口 處產(chǎn)生漩渦（對與渦輪機(jī)則是在出口），并會使得葉輪下游的循環(huán)流增大。傳統(tǒng)技術(shù)的葉片 由于吸入性能差造成固體顆粒在葉片入口處集聚、旋轉(zhuǎn)，從而引起磨損；甚至產(chǎn)生大漩渦， 引起葉片下游更大的循環(huán)流，更加劇磨損。與此相反，本發(fā)明的葉片的吸入性能較好，入口 的阻力較小，葉輪內(nèi)部放大產(chǎn)生的循環(huán)流也小，磨損就不容易產(chǎn)生。
[0053] 以上的四個(gè)作用原理說明，本發(fā)明的葉輪內(nèi)部循環(huán)流幾乎不存在、給予葉片力量 小、造成的揚(yáng)程下降非常小以及吸入性能非常好，在輸送包含固體顆粒介質(zhì)的流體時(shí)，可以 將磨損減小到極限。
[0054] 以下是使用本發(fā)明的葉輪的泵實(shí)例：
[0055] 圖1是泵葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖，葉片是3片，葉片重疊5°，葉片出口安放角39°，葉 片形狀是專利ZL94107695. 4所記載的葉片形狀。
[0056] 在結(jié)構(gòu)上，泵軸由于轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致扭矩變小，可將電機(jī)軸加長作為泵軸使用，這樣 減少軸承處及聯(lián)軸器的損失，電機(jī)采用同步電機(jī)直接變頻達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，避免使用機(jī)械升 速裝置導(dǎo)致功率損失。
[0057] 圖4是葉輪吸入口側(cè)以及移除部分前蓋板后看到的葉片形狀，其中的葉片出口安 放角Θ可以為0-10°。圖5-8是圖4中A、B、C及D斷面的軸面視圖。
[0058] 泵轉(zhuǎn)速為lOOOOrpm，泵的最高效率點(diǎn)流量是0· 215m3/min，全揚(yáng)程是30. 3m，效率為 80%。根據(jù)NPSHreq曲線，最高效率點(diǎn)的NPSHr為2m。
[0059] 該泵的比轉(zhuǎn)數(shù)：

【權(quán)利要求】
1. 一種新型流體機(jī)械葉輪，應(yīng)用于產(chǎn)生壓力的流體機(jī)械中，其特征在于，包括后蓋板、 前蓋板及葉片， 所述的后蓋板在葉片入口處呈圓柱形結(jié)構(gòu)，并且與離心泵的軸向平行，后蓋板與葉片 入口圓滑連接，與葉片配合處呈凹形結(jié)構(gòu)向葉輪中心部凹陷； 所述的前蓋板處的葉片入口邊與軸向方向垂直，后蓋板與前蓋板在葉片入口處通過圓 弧狀平滑曲線連接形成葉輪入口； 所述的葉片為設(shè)置在葉片入口與葉片出口之間的光滑曲面，設(shè)有2-3片，各葉片之間 的重迭角度在5°以內(nèi)，葉片的出口角度大于35°。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型流體機(jī)械葉輪，其特征在于，所述的后蓋板處的入 口角為〇°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型流體機(jī)械葉輪，其特征在于，葉輪的過流斷面流出 出口面積與流入入口面積比是〇. 75?0. 95。
4. 一種新型流體機(jī)械葉輪，應(yīng)用于回收壓力的流體機(jī)械中，其特征在于，包括后蓋板、 前蓋板及葉片， 所述的后蓋板在葉片出口處呈圓柱形結(jié)構(gòu)，并且與離心泵的軸向平行，后蓋板與葉片 出口圓滑連接，與葉片配合處呈凹形結(jié)構(gòu)向葉輪中心部凹陷； 所述的前蓋板處的葉片出口邊與軸向方向垂直，后蓋板與前蓋板在葉片出口處通過圓 弧狀平滑曲線連接形成葉輪出口； 所述的葉片為設(shè)置在葉片入口與葉片出口之間的光滑曲面，設(shè)有2-3片，各葉片之間 的重迭角度在5°以內(nèi)，葉片的入口角度大于35°。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型流體機(jī)械葉輪，其特征在于，所述的后蓋板處的出 口角為〇°。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型流體機(jī)械葉輪，其特征在于，葉輪的過流斷面流入 入口面積與流出出口面積比是〇. 75?0. 95。
【文檔編號】F04D29/24GK104329289SQ201410534614
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】張 浩, 龔敏, 楊建文, 陳德泉, 壽滿光, 林永池, 張建國, 陳德利, 周海鋒 申請人:上海福思特流體機(jī)械有限公司