HK1019781B - 泵叶轮 - Google Patents

Description

泵叶轮

本发明涉及一种泵叶轮，更确切地说，本发明涉及一种离心式或半轴流式泵叶轮，该泵用于泵送流体，主要是泵送污水。

文献中有众多类型用于这一目的的泵和泵叶轮的叙述，但均有某些不足。最重要的是均涉及堵塞和低效率问题。

污水中包含多种类型的污物，其数量和构成取决于排放污物的地区类别和排放季节。在城区，塑料、卫生用品、纺织品等等最普遍；而在工业区则可能排放耐磨颗粒。经验表明，最坏的问题是破布和类似物品，贴附在叶片前缘并进而缠绕在叶轮的轮毂上。这类事件导致频繁地维护和降低使用效率。

在农业和纸浆工业中，使用各种类型的特殊泵，这些泵应能处理禾秆、草、叶和其它各种有机材料。为此目的，叶片前缘均为后掠，以便使污物向外输送至叶片外周边，而不致贴在前缘上。各种类型的切碎方法用以将这些材料切断，从而使其更畅通地流动。在专利文献SE-435952，SE-375 831和US-4 347 035中列有实例。

由于污水中的污物含有其它类型更难处理的污物，并由于污水泵的运行时间一般要长得多，上述那些特殊泵用于泵送污水时并不能满足要求，无论从可靠性的观点还是从效率的观点看均是如此。

一台污水泵每天经常运行12小时，这就意味着，能耗在很大程度上取决于泵的总功率。

试验证明，本发明的污水泵比原有污水泵的效率提高达50％。由于电气驱动泵的寿命成本一般是受总能耗成本控制(c∶a 80％)，显然上述引人注目的效率提高是极为重要的。

文献中对泵叶轮设计的叙述极为一般化，特别是关于叶片前缘后掠问题是如此。没有对所述后掠的明确定义。

试验表明：为获得泵叶轮的自清洁能力，后掠角在前缘上分布的设计是非常重要的。各种污物的特点也需要不同的后掠角，以保证泵有良好的工作性能。

文献中并未给出任何信息告诉人们，如何使污物沿叶片前缘，在径向向外滑行、传送。所指出的是一般性叙述诸如前缘应为钝角、向后掠等。可参阅专利文献SE-435 952。

当泵送较小污物如草和其它有机物时，采用较小的前缘后掠角，可能足以形成污物的径向传送，并在泵叶轮和泵体之间的槽中被切碎。实际上，这种切碎过程是当叶轮以10～25m/s的圆周速度旋转时，被切污物与叶轮和泵体接触而实现的。这一切碎过程可借助于设置切割装置如槽或类似装置而得以改善。与专利文献SE-435 952比较，这类泵用于传送纸浆、粪肥等等。

当设计一种泵叶轮，使该叶轮具有前缘后掠的叶片，为获得自清洁能力，在考虑后掠角分配、泵的性能及其它设计参数之间关系时，存在一种矛盾。一般说来，增大后掠角意味着减小堵塞的风险，但同时效率降低。

本发明导致这样一种可能性，使得叶片前缘的设计可以一种最佳方式进行，设计时能就可靠地和经济地泵送含有破布、纤维等物质的污水获得不同的功能和质量。

本发明基本上包括三部分，这三部分在权利要求书中做了介绍。

第一部分，如图5所示，确定了后掠角分布的一组数据，该数据可使泵具有良好的性能和效率。数据的范围与尺寸、圆周速度和材料摩擦有关。用于描述的独立变量，这里称为名义半径，定义如下：

名义半径＝(r-r₁)/(r₂-r₁)                        公式1

式中，r₁为轮毂连接点处(叶片前缘与轮毂连接点处)的半径，r₂为前缘外周边的半径，而半径r，在原点位于叶轮轴心线上的圆柱坐标系中，定义为某实际点与叶轮轴延长线上一点的最短距离。

本发明第一部分的基础在于，前缘后掠角向外显著增大，从与轮毂连接点的最小值40度，增至外周边处的最大值55度。上限60到75度，确定了图中较粗的一条线，超过这一界限，对效率和可靠性均有负面影响。

本发明的第二部分涉及一特殊的实施例，该实施例具有极有利的能力，其中，后掠角将几乎不受工作点制约，即不受不同的流量和扬程制约，该实施例还对应于不同的速度三角形( C， U， W)。

后掠角的定义将参照附图在下文给予说明。

图1为根据本发明的泵叶轮的三维图。图2为根据本发明所绘泵的径向剖面原理图。图3为叶轮吸入端的轴向示意图。图4为一个叶轮叶片前缘的局部放大图。图5为一曲线图，该曲线图表示根据本发明，前缘后掠与名义半径之间的关系。

各图中，1表示叶轮轮毂，2表示叶片，该叶片上有前缘3；4表示前缘与轮毂的连接点；5表示前缘的外周边；6表示前缘上某一点的法线；7表示泵体的内壁；8表示轮毂的端面；9表示旋转方向，α表示后掠角，W_R表示投影相对速度(projected relative velocity)，即流体在运行坐标系中的速度；Z表示叶轮轴的方向。

为了以一种优化方式设计所希望的泵叶轮几何形状，正确地定义所述的后掠角是先决措施。确切的后掠角α一般是前缘在子午面视图(r-z)和轴向视图(r-θ)中几何学参数的函数，参看图2和图3。

确切的定义将是描述前缘3形状的曲线和该曲线上局部相对速度W的函数。这可以用数学方法表述如下：

用传统的速度三角形符号( C， U， W)，相对速度 W( r)是运行圆柱坐标系中位置矢量 r的函数。在正常情况下，相对速度 W(r，θ，z)也可以用它的分量(W_r，W_θ，W_z)表述。

沿前缘3的三维曲线，可以在相应的运行坐标系中描述为一个函数R，该函数 R取决于位置矢量 r，即 R＝ R(r，θ，z)。

前缘上各点处平行于前缘的无穷小矢量可定义为d R。由标量积的定义，可获得确切的后掠角α表达式，α为d R的法线与 W_R间的夹角，其中，投影相对速度 W_R定义为 W_R在 W方向上的入射角为零的正投影。这就意味着， W_R和 W在名义工作点处或接近于名义工作点处是相等的，有时名义工作点指最有效点。

α＝π/2-arc cos[(d R· W_R)/(|d R|·| W_R|)]            公式2

假定绝对入口速度不包含任何圆周分量，即沿法线方向，则W_θ等于叶轮的圆周速度。

借助于这些定义和假设，下面将会看到，α与流量无关。这些情况是：前缘位于这样一个平面内，该平面本质上垂直于叶轮轴Z方向，而且前缘位于绝对入口速度本质上为轴向处。这意味着，径向分量 W_R接近于零。基于同样的理由， W_R的圆周分量，即在θ方向，等于叶轮的圆周速度而与流量无关。如上所述，当dRz为零时， W_R的轴向分量对α的影响可以略去不计。这是根据标量积定义得来的。因此，在公式2中，与流量相关变量 W_R不影响α，这是因为分子和分母成比例变化的缘故。

根据本发明的一个推荐实施例，叶片前缘位于本质上垂直于叶轮轴的平面内。根据常识，一个泵经常是在流量与扬程变化均较宽的范围内工作，推荐实施例容许保持其自清洁能力而不受不同运行条件的影响。

本发明的第三部分涉及一个推荐实施例，其中前缘与轮毂的连接处邻近轮毂1的端面8，即轮毂没有中央的突出凸台。这样就减少了污物缠绕叶轮中央部分的风险。

Claims (4)

1.一种离心式或半轴流式泵叶轮，该叶轮用于泵送污水的泵，其特征在于：

该叶轮设有一个或几个叶片(2)，叶片的前缘(3)向周边后掠，精确的后掠角(α)定义为：在前缘上的每一个点处，前缘的法线(6)与被泵送介质在该点的投影相对速度( W_R)的夹角，该后掠角的取值，在前缘与轮毂(1)连接点(4)处限制在40～55度范围内，在前缘外周边(5)处限制在60～75度范围内，其余各点之后掠角在二者之间大致平滑变化。

2.如权利要求1所述的泵叶轮，其特征在于：

前缘(3)上一点的法线(b)与被泵送介质在该点的投影相对速度( W_R)的夹角(α)的取值，在前缘与轮毂(1)连接点(4)处限制在45～55度范围内，在前缘外周边(5)处限制在62～72度范围内，其余各点的α取值在二者之间大致平滑变化。

3.如权利要求1所述的泵叶轮，其特征在于：

叶片(2)的前缘(3)位于本质上垂直于叶轮轴(Z)的平面内，其中被泵送介质的绝对速度主要沿轴线方向。

4.如权利要求1所述的泵叶轮，其特征在于：

前缘(3)与轮毂(1)的连接点(4)位于邻近所述轮毂的端面(8)处。