吸入通道的製作方法

2023-05-18 18:17:21 2

專利名稱：吸入通道的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種離心泵，在其殼體內布置了一個或多個軸流或半軸流、封閉式結構或敞開式結構的葉輪，在第一葉輪前面布置了吸入通道，在吸入通道的壁表面內布置了多個在圓周上分布的槽。
在特種高速泵情況下，通常當供給量範圍為設計體積流量的65-80％時，所屬的NPSH-曲線具有明顯的、局部受限的上升。根據泵的結構，所屬的Q-H特性曲線有時還會另外產生不穩定性，這種不穩定性通常稱為特性曲線拐點或者鞍點。
這種特性曲線形式是由所謂的部分負荷渦流的形成決定的，所述部分負荷渦流是在體積流量減少情況下在葉輪入口外部產生的。部分負荷渦流對葉輪入流有決定性影響，在部分負荷渦流影響下，葉輪入流會閉塞子午通流橫截面並在葉輪轉動方向上(等速旋轉)具有高的速度分量。
從DE 25 58 840 C2可以獲知避免部分負荷渦流缺點的解決方案，其中在葉輪入口前面布置了一個擴壓器。通過這種解決方案，在部分負荷渦流到達在葉輪入口前面布置的構件並對其造成破壞之前，使部分負荷渦流的作用方向反轉。
在EP 1 069 315 A2中，特別是在評價現有技術時，描述了影響部分負荷渦流的其它措施。措施「機匣處理，分離器或主動控制」或者需要機器外圍設備中的額外機組(主動控制)，或者甚至在機器的最佳點也降低效率(機匣處理)，或者與結構費用的提高有關(分離器)。文獻本身建議使用大量「凹槽」，根據引文「AnImprovement of Performance-Curve Instability in a Mixed-FlowPump by J-Grooves」，May29-Junel，2001，New Orleans，Louisana，FEDSM 2001-18077，Proceedings of 2001 ASME Fluids EngineeringDivision Summer Meeting(FEDSM』01)，所述凹槽由於其彎折的J形變化通常被稱為J-凹槽。
在J-凹槽情況下，涉及平坦的、在另外的結構中還空間彎曲延伸的槽，其在泵殼體中在流動方向上布置在葉輪入口處敞開式設計的葉輪裝置之前或之上。對於槽的功能能力，關鍵的是槽要部分覆蓋葉輪的外徑。在葉輪覆蓋區域，葉輪必須是敞開式設計，以保持敞開式葉輪裝置區域壓力較高的流體區域和在其上方布置的J-凹槽開始部分之間的連接。通過這種結構措施，在J-凹槽上獲得了與其前面的入流區域的導流連接。通過在主流動方向布置的J-凹槽，敞開式葉輪裝置將一部分已經輸送的流體送回到葉輪前面並送回到葉輪入流區域。該J-凹槽的缺點是，其返回輸送始終能夠越過流體機械的整個最大行程。由此備有這種凹槽的流體機械的峰值效率降低。
另一個缺點是自由的葉輪葉片尖端和相對的、在殼體上固定的J-凹槽的槽之間的相互作用，這會導致噪音升高和振動現象。在上述引文第2頁中，關於圖3及其解釋描述了減少發生上述現象的方法。為此，在自由的葉片尖端上方布置的J-凹槽端部通過環形的環槽連接。通過在殼體中附加安裝的該環槽，在單個J-凹槽的端面上實現了端面間的壓力平衡。並且這種空間彎曲的J-凹槽結構是從直徑不變的入流區域以彎折方式向圓錐形殼體壁表面延伸的，需要高的製造技術生產成本。這種部分負荷渦流影響方式具有很大的缺點。
本發明的任務在於，在帶有半軸流或者軸流、敞開式或者封閉式結構的葉輪的特種高速離心泵情況下，實現改善NPSH-特性和改善部分負荷特性的簡單方案。同時要解決這樣的問題，即在已經使用的離心泵情況下，可以簡單的方式進行事後改善，而不會對離心泵正常運行範圍的工作特性產生負面影響。
該問題是這樣解決的，即在吸入通道的殼體壁內安裝槽，並且在第一葉輪的葉輪入口和距離最近的槽端部之間構造出封閉的環形壁表面，其中槽只與吸入通道有效連接。第一葉輪是吸入葉輪。在吸入通道的殼體壁中構造的封閉環形壁表面位於槽端部和第一葉輪的葉輪入口之間，其中所述槽端部在入流方向上位於葉輪入口之前。這種吸入葉輪可具有nq≥70min-1的特殊高速性能。
通過該解決方案，離心泵的最佳工作點保持不變並且和其它的工作點一樣不會受到負面影響。在部分負荷運行時產生的部分負荷渦流也稱為大預旋渦流，可藉助縱向溝槽削弱。縱向槽實現了藉助摩擦使能量從部分負荷渦流的壁附近區域轉移到在槽內產生的許多小渦流。通過只在部分負荷工作時產生的能量轉移，大大降低了所產生的部分負荷渦流的圓周分量以及其強度，並由此改善了部分負荷特性。因為只有與從葉輪出來的部分負荷渦流共同作用，槽才能發揮其能量分散作用，所以其餘工作點的葉輪入流不受影響。不會對正常葉輪入流產生負面作用，從而也不會對效率變化過程產生負面影響。與前面已知的J-凹槽形式的解決方案不同，在本發明情況下，從葉輪越過槽回流的流體不會與流向葉輪的主流體混合。
通過有意避免向槽內輸送高能介質，在正常工作時防止了對葉輪入流的幹擾。直到葉輪引起產生的部分負荷渦流形式的幹擾時，才在一定程度上開始槽和部分負荷渦流之間的相互作用。這種相互作用導致自動調整。在此部分負荷渦流的能量在槽內通過形成大量小槽渦流被分散，這會大大削弱部分負荷渦流。只有當在吸入通道內位於葉輪前方的槽端部通過環形封閉的壁表面可靠地與已經輸送的液體的供應隔絕時，才能實現該作用。
本發明的一個設計方案是，槽布置在吸入通道殼體壁的隔板形結構之間。在吸入通道無法加工或者其加工非常困難的應用情況下，也可向存在的泵吸入通道內推入包含槽或隔板的環形插入物。
這種插入物使得可能簡化槽的機械製造，並可易於安裝到新的待製造的或已經出售的泵的吸入通道內。由於槽深度小，只有幾個毫米，並且槽只構造在壁附近的邊界層區域中，所以這樣構造的插入物在已經出售或者在工廠中安裝的離心泵情況下也能改善部分負特性。為此只需最終稍稍擴大接收插入物的吸入通道的內徑，以能夠接收帶槽插入物的相應直徑尺寸。這裡使用標準構件，以藉助適當的直徑分級在多數泵類型情況下能夠使用這種插入物。
根據本發明的另一個設計方案，封閉的環形壁表面的軸向距離取決於部分負荷渦流的強度。軸向表面的長度至少要這樣大，即能夠可靠地抑制葉輪入口處的葉輪葉片和在其前方設置的槽端部之間的幹涉。由此以簡單的方式阻止了幹擾噪聲和振動的發生。另一方面，軸向環表面的長度不能選擇成大於與緩慢形成的、還無害的部分負荷渦流的長度相應的長度。直到形成的部分負荷渦流具有較大的強度時，其所謂的分離線才可能與葉輪分離並且越過封閉的環形壁表面。從而部分負荷渦流完全離開葉輪。在此部分負荷渦流的方向與入流相反並且圍繞機器軸在葉輪旋轉方向上旋轉。由於溝槽的切向溢流和在溝槽內產生許多小湍流，在部分負荷渦流中存在的大部分能量被分散並且部分負荷渦流的作用被大大削弱。
根據本發明另外的設計方案，封閉環形壁表面的軸向長度取決於部分負荷渦流強度，其數量級為葉輪入口直徑的0.005-0.02倍。槽或隔板的長度數量級為葉輪入口直徑的0.03-0.5倍。在此槽的深度或隔板高度數量級為葉輪入口直徑的0.005-0.02倍。
根據本發明的另一個設計方案，槽寬度b與槽數量n的乘積對應下面的比例關係n*b＝0.45-0.65*π*D下面詳細描述附圖中所示的本發明實施例。其中

圖1為裝備和未裝備槽的這種離心泵的NPSH-曲線，圖2為在正常運轉情況下帶有敞開式葉輪的軸流泵的回流區域的流動圖，圖3為在正常運轉情況下帶有封閉式葉輪的半軸流泵和軸流泵的流動圖，圖4為在部分負荷運轉情況下軸流泵的部分負荷渦流的流動圖，圖5為在部分負荷渦流離開葉輪情況下，在軸流機械的圓柱斷面中的不同速度三角形，圖6為根據圓柱斷面的槽內部分負荷渦流的流動分布，圖7為槽內的流動圖，圖8+9為特性改善的Q-H-曲線和NPSH-曲線。
圖1在圖中舉例並用點劃線示出了帶有軸流或半軸流結構的高速葉輪的離心泵的典型NPSH-曲線。橫軸上是供給量Q的值，縱軸上是NPSH的值。可以看出，在工作點QOpt，即供給量的最佳點，NPSH的值小。與此相反，在部分負荷運轉情況下，NPSH-曲線上標出了一個局部升高，即所謂的NPSH-尖峰，在所屬裝置的預先確定的、用虛線表示的最大允許NPSHA-值情況下，該尖峰限制了Qmin處的工作範圍。低於該工作點的運行是不允許的，因為否則在泵內會產生由氣蝕決定的狀態，這種狀態不允許連續運行。
在圖中用連續的線繪出了另一個NPSH-曲線，其對應具有相同工作點的離心泵，但在泵的吸入通道內額外安裝了根據本發明布置的槽。對於這樣構成的離心泵查明的曲線令人信服地表明了有利得多的NPSH特性。雖然對於部分負荷運轉始終存在典型的局部升高，但與無槽的泵相比，該升高位於明顯低得多的水平。這樣改善的泵具有寬得多的工作範圍。
圖2以敞開式軸流葉輪為例，在離心泵的最佳點示出了存在的流動情況。葉輪2在殼體3內轉動。在葉輪2的轉動過程中，在殼體3和葉輪2的自由葉片尖端4之間產生了與葉輪一起轉動的弱渦流形式的回流區R。該回流R是由流動區域附近的葉片間流道之間的壓力交換和在自由的葉片尖端4區域出現的葉片5吸入側和壓力側之間的壓力平衡決定的。這種與葉輪2一起轉動的回流區R需要大約一個區域，該區域對應葉片寬度B。
該回流區R沿殼體壁6具有通過箭頭示出的流動方向，該流動方向與葉輪流入方向LA相反。在回流區域R的流動方向反轉的位置，繪出了所謂的分離線SL。在此其在一定程度上涉及在殼體壁6的圓周上的邊界線。在該線SL區域，葉輪入流LA能量比回流區R的能量大並由此造成該流動反轉。在帶有敞開式半軸流或軸流葉輪的泵的情況下，這種回流區R存在於整個工作區並且還存在於最佳效率點區域。
根據圖3，在兩個不同結構的封閉式葉輪情況下，存在類似的回流區。圖3中上面的圖示出了半軸流泵構造的情況，而下面的圖示出了軸流泵的情況。在這些葉輪情況下，所謂的蓋片7避免了越過葉片尖端4和葉輪葉片5吸入側和壓力側之間的能量交換。為此，在這種葉輪2情況下，殼體壁6和蓋片7之間的間隙流LF小，其原因是葉輪之前和之後的壓力差。通過蓋片7和殼體壁6之間相應的小間隙可大大減少這種漏洩損失。
圖4以敞開式葉輪2為例示出了在部分負荷運轉時部分負荷渦流PLV的形成。該說明以及下面的說明同樣適合封閉結構的葉輪。這種與葉輪一起旋轉的部分負荷渦流PLV在葉輪入口邊8旁邊的葉輪外徑D區域並且方向與葉輪入流LA相反地從葉輪2出來，向吸入通道9回流。在產生旋轉的部分負荷渦流PLV情況下，在葉輪入流和葉片環流之間會導致強的、不穩定的相互作用，其特別通過NPSH-值的突然升高表現出來。該升高的強烈強度取決於產生的部分負荷渦流的強度。圖4中圈出的位置X和Y是個別部分並且用於展示圖5的速度三角形。大量槽10在圓周上分布並且在葉輪2前方布置在吸入通道9的壁表面6內。
圖5示出了在位置X和Y的產生的部分負荷渦流PLV的速度比。位置X示出了從葉輪2出來的部分負荷渦流PLV在壁附近區域的速度比，位置Y示出了在遠離壁的區域、又進入葉輪2的部分負荷渦流PLV的速度比。為了展示，示出了在位置X和Y的速度三角形，這些三角形由絕對速度c、相對速度w和圓周速度u的方向-和大小箭頭組成。
在位置X，絕對速度cx由葉片5的壁附近圓周速度ux和部分負荷渦流PLV的從葉輪出來的、回流的相對速度wx產生，其特徵是圓周分量cux高。與此相反，帶有速度參數c∞的箭頭表示在吸入通道9內未受幹擾的葉輪入流，該葉輪帶有在這裡以斷面示出的並帶有箭頭的葉片5。
與此類似，在Y附近示出了速度三角形，該三角形是在部分負荷渦流PLV進入葉輪2的位置區域的位置Y產生的。因為進入位置Y位於較小的直徑上，所以圓周速度uy相應地較小。由於部分負荷渦流PLV的能量減弱，其絕對速度cy也相應較小，由此產生了相對速度wy，在該實例中該相對速度幾乎與出來的部分負荷渦流流線的相對速度wx成90°。
如示出了展開的殼體壁6的俯視圖的4和6中所示，部分負荷渦流減弱的原因特別是圓周分量cux，其導致與軸平行的槽10的切向溢流。外葉片端部4始終在殼體壁6的該壁表面旁邊經過。在殼體壁6內安裝了多個在圓周上分布的槽10，這些槽在葉輪入流c∞的方向上延伸。在入流方向上延伸並且布置在吸入通道9壁表面6內的槽10的槽端部11布置在葉輪2外徑D處的葉片入口邊8之前的一定距離處。這裡未示出在流入方向上延伸的或者與軸平行的槽10的開端，因為槽10的長度是根據供給量和葉輪構造形式選擇的。槽10的長度的數量級為葉輪入口直徑的0.03-0.5倍。在正常工作時，入流流體穿過槽10流入，不會對離心泵的工作特性產生負面影響。
此外，在圖6中用虛線示出了不同的分離線SL1，SL2，SL3。分離線SL1和SL2示出了在不同工作狀態時產生的回流區域R的吸入側邊界。在最佳點Qopt區域，分離線SL1位於葉輪葉片5的寬度內，並且隨著部分負荷工作的增加向葉輪入口邊或者葉片入口邊8前方移動一直到達分離線SL2。在正常工作情況下，分離線SL2的位置始終在葉輪2前方，位於封閉的環形壁表面12區域內。通過該壁表面12保證從區域R回流的流體材料不會進入槽10。對著葉輪旅遊方向LA觀察到的在葉輪入口之前並且一直延伸到槽端部11的壁表面12的長度L的數量級與葉輪入口直徑的0.005-0.02倍的比例對應。在這種使用的軸流泵實例中，葉輪入流直徑與葉輪外徑D相對應。在半軸流泵情況下，葉輪入流直徑相應地小些。在封閉式葉輪情況下，葉輪入流直徑對應直到蓋片7內徑的直徑。
直到在形成部分負荷渦流PLV的情況下，分離線SL2才越過封閉的環形壁表面12併到達具有槽10的壁表面6。此時產生的部分負荷渦流PLV的軸向範圍的邊界由分離線SL3示出。
如果部分負荷渦流PLV獲得相應大的能量，則部分負荷渦流越過位於葉輪前方的環形封閉壁表面12並向吸入通道9回流。由於佔優勢的圓周方向上的絕對速度分量cux，在吸入通道9中產生的部分負荷渦流PLV主要切向越過槽10。由此其旋轉能量分散成在槽內產生的許多小渦流。這在部分負荷渦流PLV情況下導致動能的排出，使得部分負荷渦流PLV整體上減弱，並且其軸向和徑向範圍明顯減少。因此它只延伸到分離線SL3，在該分離線處部分負荷渦流PLV的流動反轉。通過同時產生的部分負荷渦流旋轉分量的減少，除了降低NPSH-升高以外，還在部分負荷情況下明顯改善了離心泵的特性曲線穩定性。由此槽10的工作方式的基礎是藉助摩擦將能量從部分負荷渦流PLV形式的大預旋渦流轉移到位於槽10內的許多小渦流。
圖7為根據圖6的線A-A的剖面，其中示出了在槽10內分散能量的許多小渦流系統13是如何產生的。許多小渦流系統13產生的原因是與槽方向相切的部分負荷渦流的圓周分量cux。
在圖8和9的相互補充圖中示出了一個對比。在圖8情況下，用點劃線示出的Q-H-特性曲線的曲線變化對應在吸入通道中無槽的離心泵。從標誌性工作點OPLV開始，Q-H-曲線在特性曲線中具有明顯的拐點。在此揚程減小到較小的量。其原因是受到產生的部分負荷渦流PLV的影響。與此相反，連續的Q-H-特性曲線具有無曲線拐點的上升路線。這是其吸入通道備有在葉輪之前一定距離處結束的通道或槽10的離心泵的特性曲線。用點劃線示出的帶特性曲線拐點的曲線變化是由部分負荷渦流的形成並由此產生的對葉輪入流的妨礙決定的。
與其相比，在相同泵情況下，當在吸入葉輪之前在吸入通道9的壁表面6中相應地安裝了槽10時，產生了連續的特性曲線。在QPLV右側的正常工作區域中的相應曲線令人信服地證明了在正常工作情況下槽的作用方式。
在圖8下方的圖9中示出了所屬的NPSH-曲線。用點劃線示出的NPSH-曲線對應其吸入通道9內未布置槽的泵。與此相對，連續的特性曲線示出了其吸入通道9內布置了多個槽10的泵。通過用槽10大大減少部分負荷渦流PLV的作用，明顯改善了這種泵的NPSH-特性。該NPSH-曲線不再越過預先給定的設備值Qmin，並因而這裡不再有NPSH-決定的工作邊界Qmin。通過這種部分負荷渦流PLV的能量減少和由此減少的不穩定的相互作用，特別在PLV周圍的工作區域改善了流動比率，從而使NPSH-特性得到改善並且泵的特性曲線也穩定了。
因此可以看出，本發明人的貢獻在於，在吸入開口/入流開口的殼體壁內、在葉輪前面一定距離的位置處布置的槽形造型只對在部分負荷工作時從葉輪出來的部分負荷渦流產生抑制作用。附加的意外效果是離心泵的噪聲特性不變。由此可容易地改裝已經出售和在工廠中安裝的泵，因為其噪聲保持在其以前的水平。
權利要求
1.一種離心泵，在其殼體內布置了一個或多個軸流或半軸流、敞開式或封閉式結構的葉輪並且吸入通道位於第一葉輪前面，在其壁表面內布置了多個在圓周上分布的並且在流動方向上延伸的槽，其特徵在於，在吸入通道(9)的殼體壁(3)中，在第一葉輪(2)的葉輪入口和距離最近的槽(10)端部(11)之間設計了封閉的環形壁表面(12)，其中槽(10)只與吸入通道中的空間有效連接。
2.根據權利要求1的離心泵，其特徵在於，槽(10)布置在殼體壁(3)的隔板形構造之間。
3.根據權利要求1或2的離心泵，其特徵在於，使用了特別薄壁的、環形、帶有槽(10)或隔板的元件。
4.根據權利要求1，2或3的離心泵，其特徵在於，封閉的環形臂表面(12)的軸向長度取決於部分負荷渦流(PLV)的強度，其數量級為葉輪入口直徑的0.005-0.02倍。
5.根據權利要求1至4之一的離心泵，其特徵在於，槽(10)或隔板的長度的數量級為葉輪入口直徑的0.03-0.5倍。
6.根據權利要求1至5之一的離心泵，其特徵在於，槽(10)的深度(t)或隔板的高度(h)的數量級為葉輪入口直徑的0.005-0.02倍。
7.根據權利要求1至4之一的離心泵，其特徵在於，槽寬度b與槽數量n的乘積對應下面的比例關係n*b＝0.45-0.65*π*D。
全文摘要
本發明涉及離心泵，在其殼體內布置了一個或多個軸流或半軸流、敞開式或封閉式結構的葉輪。吸入通道位於第一葉輪前面，在其壁表面內布置了多個在圓周上分布的並且在流動方向上延伸的槽。在吸入通道的殼體壁中，在第一葉輪的葉輪入口和距離最近的槽端部之間設計了封閉的環形壁表面，其中槽只與吸入通道中的空間有效連接。
文檔編號F04D29/40GK1726347SQ200380106357
公開日2006年1月25日 申請日期2003年10月23日 優先權日2002年12月17日
發明者S·布羅斯, I·戈爾茨, P·阿曼 申請人:Ksb股份公司