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CN104168991A - 轴流式叶轮的叶片和轴流式叶轮 - Google Patents

轴流式叶轮的叶片和轴流式叶轮 Download PDF

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CN104168991A CN201380010088.9A CN201380010088A CN104168991A CN 104168991 A CN104168991 A CN 104168991A CN 201380010088 A CN201380010088 A CN 201380010088A CN 104168991 A CN104168991 A CN 104168991A
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Abstract

本发明涉及一种轴流式叶轮(1)的叶片(4)。提供了用于叶片(4)的尺寸涉及规则：A＝0.2R；B＝0.2Wb；C＝0.2R；D＝0.2Wb；E＝0.5R；F＝(0.1…0.2)R；G＝0.2Wb；H＝0.25R；I＝0.1R；J＝0.4R；K＝0.1Wb。第一角度α是6°±1°，第二角度α2是8°±1°，并且第三角度α3是19°至25°。R是从叶轮的旋转轴线(x)到叶片(4)的尖端(7)的长度尺寸。宽度Wb是与长度方向垂直的叶片的宽度尺寸。本发明还涉及具有所述叶片(4)的轴流式叶轮(1)。

Description

轴流式叶轮的叶片和轴流式叶轮
技术领域
本发明涉及轴流式叶轮的叶片，并且还涉及包括所述叶片的轴流式叶轮。叶轮在冶金和化学处理中广泛用于搅拌器和用于搅拌的反应器中，混合并搅拌液体和泥浆，固体和液体的悬浊液。也称为水翼叶轮的轴流式叶轮产生液体的轴向流动。
背景技术
例如从以下文献WO 2010/103172 A1、WO 2010/059572 A1和EP0465636 B1已知轴流式叶轮。轴流式叶轮的叶片能连接至叶轮的中心毂。叶轮包括两个或更多个这种叶片。叶片由基本板式的材料形成。叶片包括前边缘、后边缘、尖端和能附装至叶片的中心毂的根部。笔直的第一弯曲部沿着第一方向沿叶片延伸并且将叶片分成与前边缘相邻的第一轮廓部分和第二轮廓部分。第一和第二轮廓部分在第一弯曲部处交汇，以便使第一轮廓部分从第二轮廓部分向下成第一角度。笔直的第二弯曲部沿着与所述第一方向不同的第二方向沿叶片延伸，并且与第一弯曲部间隔开。第二弯曲部将叶片进一步分为与后边缘相邻的第三轮廓部分。第二和第三轮廓部分在所述第二弯曲部处交汇，以便使第三轮廓部分从第二轮廓部分向下成第二角度。第二轮廓部分相对于水平面成第三角度。
市场中有一些可买到的已知类型的轴流式叶轮，其呈现合理的良好性能。
然而，仍需要低能耗和同时提供高泵送能力和泵送效率的更好的轴流式叶轮。在许多冶金应用(例如黄金处理和存储罐)中，需要每轴动力的泵送能力尽可能高的轴流式叶轮。对于黄金处理，还至关重要的是叶轮区域尽可能没有高能量耗散区，这是因为这些高能量耗散区将会破坏用于收集黄金的碳。
因此，希望提供高效的轴流式叶轮，其能耗较少、滞留时间较短、泵送效率较高并且重量较小，从而性能良好以满足处理要求。
本发明的目的是提供一种用于轴流式叶轮的叶片，与现有轴流式叶轮相比，该叶片给轴流式叶轮提供较好的性能特征。本发明的目的还在于提供一种叶片和轴流式叶轮，其具有较低的功耗和较低的运行成本，高泵送能力和泵送效率，以及每单元能耗较大的泵送质量流量。而且，本发明的目的还在于提供用于轴流式叶轮的叶片的叶片形状和定标法则，以能按比例放大和缩小。
发明内容
本发明的第一方面是一种轴流式叶轮的叶片，所述叶片能连接至叶轮的中心毂，所述叶片由基本板式的材料形成并且具有：前边缘；后边缘；尖端；能连接至叶轮的中心毂的根部；笔直的第一弯曲部，其沿着第一方向沿叶片延伸并且将叶片分成与前边缘相邻的第一轮廓部分和第二轮廓部分，第一和第二轮廓部分在所述第一弯曲部处交汇，以便使第一轮廓部分从第二轮廓部分向下成第一角度；笔直的第二弯曲部，其沿着与所述第一方向不同的第二方向沿叶片延伸，并且与第一弯曲部间隔开，并且将叶片进一步分为与后边缘相邻的第三轮廓部分，所述第二轮廓部分和所述第三轮廓部分在所述第二弯曲部处交汇，以便使第三轮廓部分从第二轮廓部分向下成第二角度，第二轮廓部分相对于水平面成第三角度。在平面图中，叶片具有包络矩形的总体形式，至少在矩形的根部侧的角处具有渐缩切除部，所述矩形具有长度和宽度，所述长度是从叶轮的旋转轴线到叶片的尖端的长度尺寸，所述宽度是与长度方向垂直的叶片的宽度尺寸，所述包络矩形具有与根部相邻的内角和与尖端相邻的外角。
根据本发明，所述叶片的轮廓由从所述包络矩形的渐缩切除部的成比例尺寸限定。所述切除部包括：
-第一切除部，其与根部和在前边缘的一侧处的所述矩形的第一内角相邻，所述第一切除部具有直角三角形的形式，其长度方向直角边的尺寸A＝0.2R，宽度方向直角边的尺寸B＝0.2Wb，并且斜边形成从根部到前边缘延伸的叶片的第一切除部边缘，
-第二切除部，其与根部和在后边缘的一侧处所述矩形的第二内角相邻，所述第二切除部具有直角三角形的形式，其长度方向直角边的尺寸C＝0.2R，宽度方向直角边的尺寸D＝0.2Wb，并且斜边形成从根部到后边缘延伸的叶片的第二切除部边缘，
-第三切除部，其与尖端和在前边缘的一侧处所述矩形的第一外角相邻，所述第三切除部具有直角三角形的形式，其长度方向直角边的尺寸E＝0.5R，宽度方向直角边的尺寸F＝(0.1至0.2)R，并且斜边形成从前边缘到尖端延伸的叶片的第三切除部边缘，所述第三切除部边缘以曲率半径G＝0.2Wb的圆角连接至尖端，和
-第四切除部，其与尖端和在后边缘的一侧处所述矩形的第二外角相邻，所述第四切除部具有直角三角形的形式，其长度方向直角边的尺寸H＝0.25R，宽度方向直角边的尺寸I＝0.1R，并且斜边形成从后边缘到尖端延伸的叶片的第四切除部边缘，所述第四切除部边缘以曲率半径G＝0.2Wb的圆角连接至尖端。所述第一弯曲部在与第一内角相距距离A＝0.2R处在第一切除部边缘与前边缘的交点处与所述包络矩形的长边相交，并且所述第一弯曲部在与第三角部相距距离J＝0.4R处与所述包络矩形的与尖端相邻的宽边相交。所述第二弯曲部在与第一角部相距宽度距离K＝0.1Wb处与所述包络矩形的与根部相邻的宽边相交，并且所述第二弯曲部在与第四角部相距宽度距离I＝0.1R处与所述包络矩形的与尖端相邻的边相交。所述第一角度是6°±1°，所述第二角度是8°±1°，并且所述第三角度是19°至25°。
本发明的第二方面是一种轴流式叶轮，其包括能连接至具有中心旋转轴线的转轴的中心毂和至少两个具有如上所述的轮廓的叶片，所述叶片附装至所述中心毂并且从所述中心毂径向向外延伸。
本发明的优点在于根据本发明的规则，具有优化叶片形状的新叶轮容易制造和按比例缩放。所述叶轮功耗低，泵送能力和泵送效率高，并且每单位能耗的泵送质量流量大。
在本发明的一个实施例中，所述前边缘被倒角或减薄。
在本发明的一个实施例中，所述后边缘被倒角或减薄。
在本发明的一个实施例中，所述叶轮包括至少三个等间隔的叶片。
在本发明的一个实施例中，所述叶轮包括四个或更多个等间隔的叶片。
应理解，本发明的上述方面和实施例可以相互任意组合使用。若干方面和实施例可以组合在一起以形成本发明的其他实施例。
附图说明
附图用于较好地理解本发明并且构成该说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例并且与说明书书一起有助于解释本发明的原理。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的轴流式叶轮的轴测图；
图2是图1的叶轮的侧视图；
图3是从上方看到的图1的叶轮的平面图；
图4是根据本发明的一个实施例的轴流式叶轮的叶片的平面图；
图5是图4的叶片的侧视图V-V；
图6示出具有根据本发明的定标法则涉及的叶片的轴流式叶轮的第二实施例；
图7示出具有根据本发明的定标法则涉及的叶片的轴流式叶轮的第三实施例；
图8示出具有本发明的轴流式叶轮的反应器中的流动模式。
具体实施方式
现在详细参照本发明的实施例，其示例示于附图中。
图1至3示出轴流式叶轮1，其具有三个等间隔的叶片4，所述叶片永久地或可释放地连接至中心毂2或可转动的轴3。虽然所示的实施例具有三个叶片，但根据本发明可以使用两个、三个、四个或更多个叶片4。
图4和5更详细地示出叶片4的轮廓。叶片4由基本板式的材料形成，这使其制造容易且经济。叶片4包括前边缘5、后边缘6、尖端7和可附装至叶轮的中心毂2的根部8。
笔直的第一弯曲部9沿着第一方向沿叶片4延伸并且将叶片分成与前边缘5相邻的第一轮廓部分10和第二轮廓部分11。第一和第二轮廓部分10、11在第一弯曲部9处交汇，以便使第一轮廓部分10从第二轮廓部分11向下成第一角度α1，还参见图5。
笔直的第二弯曲部12沿着与第一弯曲部9的所述第一方向不同的第二方向沿叶片4延伸，并且与第一弯曲部9间隔开，并且将叶片4进一步分为与后边缘6相邻的第三轮廓部分13。
在弯曲部9和12处，角度不必是如图5所示的钝角。在弯曲部9和12处，“角度”也可以具有曲率半径。当叶片通过铸造而铸造制造时可以是这样的。
第二和第三轮廓部分11、13在所述第二弯曲部12处交汇，以便使第三轮廓部分13从第二轮廓部分11向下成第二角度α2，第二轮廓部分11相对于水平面成第三角度α3，参见图5。
在平面图中，如图4所示，叶片4具有包络矩形R×Wb的总体形式，在矩形的每个角处具有渐缩切除部。所述矩形具有长度R和宽度Wb，所述长度是从叶轮的旋转轴线x到叶片4的尖端7的长度尺寸，所述宽度是与长度方向垂直的叶片的宽度尺寸。所述包络矩形具有与根部8相邻的内角14、15和与尖端7相邻的外角16、17。
叶片4的轮廓由从包络矩形的渐缩切除部18、22、26、31的成比例尺寸限定。所述切除部包括与根部8和在前边缘5的一侧处的矩形的第一内角14相邻的第一切除部18。第一切除部18具有直角三角形的形式，其长度方向直角边19的尺寸A＝0.2R，宽度方向直角边20的尺寸B＝0.2Wb，并且斜边形成从根部8到前边缘5延伸的叶片的第一切除部边缘21。
第二切除部22与根部8和在后边缘6的一侧处矩形的第二内角15相邻。第二切除部22具有直角三角形的形式，其长度方向直角边23的尺寸C＝0.2R，宽度方向直角边24的尺寸D＝0.2Wb，并且斜边形成从根部8到后边缘6延伸的叶片的第二切除部边缘25。
第三切除部26与尖端7和在前边缘5的一侧处矩形的第一外角16相邻。第三切除部26具有直角三角形的形式，其长度方向直角边27的尺寸E＝0.5R，宽度方向直角边28的尺寸F＝(0.1至0.2)R，并且斜边形成从前边缘5到尖端7延伸的叶片的第三切除部边缘29。第三切除部边缘29以曲率半径G＝0.2Wb的圆角30连接至尖端7。
第四切除部31与尖端7和在后边缘6的一侧处矩形的第二外角17相邻。第四切除部31具有直角三角形的形式，其长度方向直角边32的尺寸H＝0.25R，宽度方向直角边33的尺寸I＝0.1R，并且斜边形成从后边缘6到尖端7延伸的叶片的第四切除部边缘34。第四切除部边缘34以曲率半径G＝0.2Wb的圆角35连接至尖端7。
第一弯曲部9在与第一内角14相距距离A＝0.2R处在第一切除部边缘21与前边缘5的交点处与包络矩形的长边相交。第一弯曲部9在与第三角部17相距距离J＝0.4R处与包络矩形的与尖端7相邻的宽边相交。
第二弯曲部12在与第一角部14相距宽度距离K＝0.1Wb处与包络矩形的与根部8相邻的宽边相交。第二弯曲部12在与第四角部17相距宽度距离I＝0.1R处与包络矩形的与尖端7相邻的边相交。
参照图5，第一角度α1是6°±1°，第二角度α2是8°±1°，并且第三角度α3是19°至25°。因而根据实际应用的要求，叶片的在连接至毂的根部处的桨距角(α2+α3)可以在27°至33°的范围内变化。较大的桨距角提供较高的泵送能力，但导致较高的能耗。下文说明本发明的叶轮可以借助非常低的能耗提供优秀的混合性能并且借助上述叶片构型规则提供较高的泵送能力和效果。
三个轮廓部10、11、13是平段。叶片没有特定曲率并且由沿着笔直折线连接的平段构成，并且沿着前后边缘的切除部是笔直向前的。因此，叶片4容易制造。因而，仅通过遵循上述规则，就使得叶片设计的按比例缩放变得简单和简化。
优选地，前边缘5和后边缘可以通过相应段的平面以浅角倒角，或者它们可以相对于叶片厚度减薄和变平滑。倒角或减薄的前后边缘还可以降低拖拽并且提高效率。
图6和7示出两个轴流式叶轮1，其具有根据本发明的上述规则设计尺寸的叶片4。在图6中，叶片4具有宽的“胖”轮廓，并且在图7中，叶片4具有窄的“瘦”轮廓。
虽然在此仅示出叶片形状的几个实例，但应理解，本发明允许在权利要求范围内的许多叶片形状。
示例
CFD建模(CFD：计算流体动力学)用于模拟工业规模反应器中的流体动力学，所述工业规模反应器设有轴流式叶轮，该轴流式叶轮具有如上所述本发明尺寸的优化叶片形状。借助表I中列出的规格进行模拟。圆柱形反应器的直径是8m并且高度是8m。底部间隙是3.2m，其等于叶轮叶片的直径。考虑的是三叶片叶轮。
表I：反应器的规格
罐高度，H m 8
罐直径，T m 8
叶轮直径，D m 3.2
叶轮宽度，Wb m 1
叶轮数量 3
桨距角α2+α3(图5) ° 27-33
叶轮速度，N rpm 30
叶轮底部间隙 m 3.2
轴直径 m 0.6
罐容积 m3 402.1
挡板数量 6
挡板宽度 m 1.0
挡板高度 m 7.75
挡板位置 m×m 0.25×0.464
对于目标叶轮改变两个叶片宽度(Wb/T＝0.125(“瘦叶片”)和0.0625(“胖叶片”))和三个桨距角27°、30°和33°，以测试其性能并且检验用于性能新叶轮的规则对于不同条件是通用的。
表II中示出对于新叶轮而言叶片宽度对性能的影响。
表II：叶片宽度对性能的影响
情况 Wb/T D/T α P Np Nq ηe λp mp
° kW kg/s(kW)
瘦叶片 0.125 0.4 30 13.89 0.332 0.616 1.856 0.889 725.0
胖叶片 0.0625 0.4 30 11.33 0.271 0.557 2.059 0.861 804.2
其中
Wb是叶片的宽度
T是罐尺寸
D是叶片直径
α＝α2+α3是桨距角(参见图5)
P是功率
Np是功率数
Nq是泵送数
ηe是泵送效果
λp是泵送效率
mp是每单元功耗的泵送质量流量
表II示出根据本发明的叶轮具有优秀的性能特征。
表III中示出对于瘦和胖叶片叶轮而言在不同湍流粘度(kg/ms)下反应器容积上的容积率。
表III
情况 Wb/T D/T α μt<10(kg/ms) 10>＝μt<20 20>＝μt<30 μt>＝30
瘦叶片 0.0625 0.4 30 0.632 0.249 0.090 0.029
胖叶片 0.125 0.4 30 0.567 0.276 0.107 0.051
表III：对于瘦和胖叶片叶轮在不同湍流粘度(kg/ms)下反应器容积上的容积率变化
表III示出对于瘦和胖叶片叶轮在不同湍流粘度(kg/ms)下反应器容积上的容积率变化。可见，根据本发明的叶轮在反应器的大部分容积中提供非常低的湍流粘度。例如，对于瘦叶片叶轮，在反应器的63％容积中湍流粘度低于10kg/ms，而对于胖叶片叶轮，大约57％反应器容积具有低于10kg/ms的湍流粘度。仅有非常小的容积具有在20与30kg/ms之间的湍流粘度。这表明新叶轮产生非常低的剪力并且提供合理的涡流特性，这在许多冶金应用中是要求的。
图8中示出对于新叶轮的速度矢量图。可见，新叶轮具有提高的混合性能，这是因为相对于径向和切向速度分量而言，轴向流动明显增强。再循环区变得显著较大，这表明新叶轮是高效的。
这表明本发明的叶轮提供了较强的轴向流动。详细研究表明，与其他应用的轴流式叶轮相比，本发明的叶轮可以借助较小的能耗和较低的剪力实现较高的泵送效率和较强的轴向流动。
在性能研究中，显示本发明的叶轮具有以下优点：
1)容易制造；
2)根据本发明的规则容易按比例增大和按比例缩小；
3)消耗较少的动力，并且因而降低运行成本；
4)提供非常高的泵送能力和泵送效率；
5)其性能不易受到叶片宽度影响；
6)其叶片表面上的压力均匀分布；
7)借助叶轮表面上的较低剪力和高效泵送提供用于混合的良好流动模式，并且与径向和切向流动相比，产生非常强的轴向流动。
虽然已经结合多个示例性实施例和实施方式说明了本发明，但本发明并不因此而受到限制，而是覆盖落在预期权利要求的范围内的各种修改和等同布置。

Claims (6)

1.一种轴流式叶轮(1)的叶片(4)，所述叶片能连接至叶轮的中心毂(2)，所述叶片由基本板式的材料形成并且具有：
前边缘(5)，
后边缘(6)，
尖端(7)，
能连接至叶轮的中心毂(2)的根部(8)，
笔直的第一弯曲部(9)，其沿着第一方向沿叶片延伸并且将叶片分成与前边缘(5)相邻的第一轮廓部分(10)和第二轮廓部分(11)，第一和第二轮廓部分在所述第一弯曲部处交汇，以便使第一轮廓部分从第二轮廓部分向下成第一角度(α1)，
笔直的第二弯曲部(12)，其沿着与所述第一方向不同的第二方向沿叶片延伸，并且与第一弯曲部间隔开，并且将叶片进一步分为与后边缘(6)相邻的第三轮廓部分(13)，所述第二轮廓部分和所述第三轮廓部分在所述第二弯曲部处交汇，以便使第三轮廓部分从第二轮廓部分向下成第二角度(α2)，第二轮廓部分(11)相对于水平面成第三角度(α3)，
并且，在平面图中，叶片具有包络矩形(R×Wb)的总体形式，至少在矩形的根部侧的角处具有渐缩切除部，
所述矩形具有长度R和宽度Wb，所述长度是从叶轮的旋转轴线(x)到叶片(4)的尖端(7)的长度尺寸，所述宽度是与长度方向垂直的叶片的宽度尺寸，所述包络矩形具有与根部(8)相邻的内角(14，15)和与尖端(7)相邻的外角(16，17)，其特征在于，所述叶片(4)的轮廓由从所述包络矩形的渐缩切除部的成比例尺寸限定，所述切除部包括：
-第一切除部(18)，其与根部(8)和在前边缘(5)的一侧处的所述矩形的第一内角(14)相邻，所述第一切除部(18)具有直角三角形的形式，其长度方向直角边(19)的尺寸A＝0.2R，宽度方向直角边(20)的尺寸B＝0.2Wb，并且斜边形成从根部(8)到前边缘(5)延伸的叶片的第一切除部边缘(21)，
-第二切除部(22)，其与根部(8)和在后边缘(6)的一侧处所述矩形的第二内角(15)相邻，所述第二切除部(22)具有直角三角形的形式，其长度方向直角边(23)的尺寸C＝0.2R，宽度方向直角边(24)的尺寸D＝0.2Wb，并且斜边形成从根部(8)到后边缘(6)延伸的叶片的第二切除部边缘(25)，
-第三切除部(26)，其与尖端(7)和在前边缘(5)的一侧处所述矩形的第一外角(16)相邻，所述第三切除部(26)具有直角三角形的形式，其长度方向直角边(27)的尺寸E＝0.5R，宽度方向直角边(28)的尺寸F＝(0.1至0.2)R，并且斜边形成从前边缘(5)到尖端(7)延伸的叶片的第三切除部边缘(29)，所述第三切除部边缘(29)以曲率半径G＝0.2Wb的圆角(30)连接至尖端(7)，和
-第四切除部(31)，其与尖端(7)和在后边缘(6)的一侧处所述矩形的第二外角(17)相邻，所述第四切除部(31)具有直角三角形的形式，其长度方向直角边(32)的尺寸H＝0.25R，宽度方向直角边(33)的尺寸I＝0.1R，并且斜边形成从后边缘(6)到尖端(7)延伸的叶片的第四切除部边缘(34)，所述第四切除部边缘(34)以曲率半径G＝0.2Wb的圆角(35)连接至尖端(7)；
所述第一弯曲部(9)在与第一内角(14)相距距离A＝0.2R处在第一切除部边缘(21)与前边缘(5)的交点处与所述包络矩形的长边相交，并且所述第一弯曲部(9)在与第三角部(17)相距距离J＝0.4R处与所述包络矩形的与尖端(7)相邻的宽边相交；
所述第二弯曲部(12)在与第一角部(14)相距宽度距离K＝0.1Wb处与所述包络矩形的与根部(8)相邻的宽边相交，并且所述第二弯曲部(12)在与第四角部(17)相距宽度距离I＝0.1R处与所述包络矩形的与尖端(7)相邻的边相交；
所述第一角度α1是6°±1°，所述第二角度α2是8°±1°，并且所述第三角度α3是19°至25°。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述前边缘(5)被倒角或减薄。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述后边缘(5)被倒角或减薄。
4.一种轴流式叶轮，其包括能连接至具有中心旋转轴线(x)的转轴(3)的中心毂(2)和至少两个根据权利要求1所述的叶片(4)，所述叶片附装至所述中心毂并且从所述中心毂径向向外延伸。
5.根据权利要求4所述的轴流式叶轮，其特征在于，所述叶轮(1)包括至少三个等间隔的叶片(4)。
6.根据权利要求4所述的轴流式叶轮，其特征在于，所述叶轮(1)包括四个或更多个等间隔的叶片(4)。
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