具有不對稱厚度的葉輪葉片的製作方法

2024-02-04 21:13:15 3

離心泵通常為特定流速和轉速而設計。在這種條件(稱為最佳效率點)下，葉輪葉片的前部分與進入流對準，如圖1a所示。

超過最佳效率點，各種不同類型的葉片被設計成用於在不同的泵送條件和狀態期間的更優性能的離心泵中使用。例如，多個專利和申請討論了嘗試改變葉片設計以減少正被泵送的固體附接到葉片邊緣中的一個。一個這種申請為美國專利申請公開第2014/0079558 A1號，其示出了特別適用於泵送纖維懸浮液(諸如，造紙原料)的葉輪。葉輪形成有輪葉(vane)，該輪葉具有的圓形或增厚部分的厚度大於輪葉中心區，以避免纖維粘附到輪葉的邊緣。類似地，GB1412488也通過增厚輪葉的前緣使得直徑大於輪葉其餘部分的厚度來解決纖維粘附到該前緣的問題。

美國專利第2,272,469號是公開了具有設計成消除在葉輪葉片的跟部上捕獲固體的可能性的特定葉輪的離心泵的另一專利。為此，葉片形成有倒圓的相對窄的前緣，該前緣相對於葉輪軸線以一角度傾斜。葉片進而擴展到較大厚度，並且然後在結合到與葉輪軸線平行的配置中之前變窄。

其它葉片設計用於減小葉片中的應力。在DE4000657中示出了該設計的一個這種實例，其公開了(特別是在部分負載狀態期間)有助於減小吸力面上的負壓的用於葉輪的葉片。這通過使吸力面增厚並在初始區中直到葉片長度的三分之一處給予其凹形輪廓來實現。

儘管這些葉片都被設計成避免在某些條件下的問題(固體附接到葉片或者固體經受可能損壞葉片的條件和壓力)，但都不具體地解決設計用於各種不同流動條件的最佳性能的葉片的問題。超過最優效率點，具體地說在較低流速時，葉片不再與進入流對準。當葉片與進入流之間的角度變得過大時，流動分離將發生，並且流動將不再沿著葉片輪廓，而是脫離葉片表面，如圖1b所示。流動分離在流動內導致高能量損失，這降低了泵的能量效率。

技術實現要素：

根據本發明的第一方面，用於葉輪的葉片包括具有前部分和後部分的葉片，前部分具有前緣，後部分具有後緣，前部分和後部分由隔開的壓力面和吸力面結合以形成外部葉片表面。葉片壓力面由在第一位置對準的第一葉片輪廓的外包絡形成；並且，通過將第一葉片輪廓圍繞前緣旋轉以在葉輪的較低流速條件下匹配進入流的角度，形成葉片吸力面的前部分的至少一部分。

這種具有不對稱厚度且在吸力面上更厚的葉片導致在較大工作範圍內更抵抗流動分離的輪廓。葉片周圍的流動分離的這種抵抗或消除導致更有效的葉輪。

根據一實施例，吸力面的前部分比壓力面的前部分更厚。

根據一實施例，葉片的後部分在吸力面和壓力面之間具有一致厚度。

根據一實施例，葉片吸力面的通過旋轉第一葉片輪廓鎖形成的部分為前緣與後緣之間葉片長度的約3％至12％。

根據一實施例，吸力面的後部分由在第一位置對準的第一葉片輪廓的外包絡形成。

根據一實施例，吸力面包括過渡部分，在該過渡部分中，葉片輪廓從在前部分處的葉片輪廓過渡到在後部分處的葉片輪廓。可選地，過渡部分為前緣與後緣之間的葉片長度的約30％至70％。

根據一實施例，葉片從前緣到後緣是彎曲的。

根據一實施例，其中，在第一位置對準的葉片輪廓與旋轉後的葉片輪廓之間的旋轉角為約10度至30度。

根據實施例，葉輪包括至少一個葉片。可選地，葉輪可包括多個葉片，優選地為3個至7個葉片。可選地，葉輪可以是離心泵的一部分。進一步可選地，離心泵可以是容器的一部分。

根據本發明的第二方面，形成用於葉輪的葉片的方法包括：通過第一葉片輪廓對於一設定的流動條件而對準來形成葉片的壓力面；通過第一葉片輪廓圍繞前緣旋轉以在葉輪的較低流速條件下與進入流對準而形成葉片的吸力面的前部分；通過第一葉片輪廓對於該設定的流動條件而對準來形成葉片的吸力面的後部分；以及在吸力面的前部分和後部分之間形成過渡部分。

根據一實施例，葉片的吸力面的前部分包括前緣與後緣之間的葉片寬度的約3％至12％。

根據實施例，葉片的吸力面的過渡部分包括前緣與後緣之間的葉片寬度的約30％至70％。

附圖說明

圖1a是與進入流對準的現有技術葉片的視圖。

圖1b是與進入流不對準的現有技術葉片的視圖。

圖2a是葉輪葉片的截面圖。

圖2b是形成圖2a的葉輪葉片的葉片輪廓的繪圖。

圖2c是圖2b的葉片輪廓的組合繪圖。

圖3是具有多個葉片的葉輪的截面圖。

具體實施方式

圖1a是與進入流對準的現有技術葉片10的視圖，並且圖1b是與進入流不對準的現有技術葉片10的視圖。圖1a至圖1b包括箭頭12，其表示葉片10周圍的流。用於葉輪的葉片通常被設計成在特定轉速下與一設定的進入流速對準，如圖1a所示。當由於不同流速、不同轉速或這兩者而發生葉片不對準的條件時，可能發生流動分離。該流動分離在葉片與進入流動之間的角度變得過大時發生，並導致流12不再沿著葉片10輪廓並脫離葉片10表面。如圖1b所示，該流動分離可導致流內的高能量損失，這顯著降低葉片和葉輪在其中旋轉的泵的能量效率。

圖2a是具有特定輪廓以促進流在泵的工作範圍內保持附接到葉片20表面的葉輪葉片20的截面圖。圖2b是形成葉片20的葉片輪廓36、37的繪圖，並且圖2c是圖2b的輪廓的組合繪圖。在使用中，葉片20通常具有彎曲輪廓。然而，為觀察方便，在圖2a至圖2c中葉片20被示出具有筆直輪廓。

葉片20包括具有前緣24的前部分22、具有後緣28的後部分26、過渡部分30、壓力面32和吸力面34。吸力面34和壓力面32形成葉片20的外表面。在所示的實施例中，葉片20是實心葉片，但其它實施例可具有一個或多個內部腔體或空間。

葉片20外包絡(envelope)的前部分22由葉片輪廓36和37形成，如圖2b所示。葉片輪廓36是對準流並確保該流在一設定的操作條件期間保持附接到葉片表面的葉片輪廓的設計(處於第一對準位置)。這可基於例如葉輪的預期平均流速和轉速。輪廓37的形狀與輪廓36相同並且以約20度的旋轉角AR圍繞前緣24旋轉。該旋轉將輪廓對準以抵抗在葉輪的不同流速條件(例如，較低流速條件)下的流動分離。這可簡單地為預期將要經歷的較低流速、葉輪的工作範圍或另一範圍的最低流速。然後，在壓力面32上由葉片包絡36並在吸力面34上由葉片包絡37形成葉片20的前部分22。前部分可為葉片在前緣24與後緣28之間的3％-12％。

過渡部分30在葉片20的前部分22與後部分26之間通過將從吸力面34從輪廓37過渡到輪廓36而形成。該過渡可以是逐漸的，並且可包括在吸力面34上的彎曲。過渡部分30可構成在前緣24與後緣28之間的葉片20的約20％-70％。

後部分26在壓力面32和吸力面34兩者上通過輪廓36(處於第一對準位置)形成。後部分26形成葉片20在前部分22和過渡部分30之後的剩餘部分。

在前部分22處輪廓36和37的組合導致在壓力面32與吸力面34之間具有不對稱厚度的葉片20，其中，對於前部分22和過渡部分30，吸力面34比壓力面32更厚。通過以這種方式形成葉片20，葉片20更好地能夠抵抗流動分離。如上所述，在較低流速下，分離通常發生在葉片的吸力面上(見圖1b)。通過形成具有旋轉輪廓37(為不同流動條件而對準)的葉片20的前部分22的吸力面34，葉片20抵抗流動分離並抵抗由流動分離引起的效率下降。在前部分處使用第一對準輪廓36形成壓力面32並使用旋轉輪廓37形成吸力面34使得葉片20在葉片20的較大工作範圍內更抵抗流動分離。

圖3是具有葉輪42的泵40的截面圖，該葉輪具有多個葉片20。葉輪42包括形狀彎曲的三個葉片20。葉片20均包括具有前緣24的前部分22、具有後緣28的後部分26、過渡部分30、壓力面32和吸力面34。葉片20中的每個均根據圖2a至圖2c所示的葉片20而形成，其中前部分22在壓力面32上由輪廓36形成並在吸力面34上由旋轉後的輪廓37形成，這導致吸力面34在前部分22中更厚的不對稱葉片20厚度。

通過在壓力面32上用輪廓36並在吸力面34上用旋轉後的輪廓37形成葉片20外包絡的前部分22，葉片20可在葉輪42和泵40的更大工作範圍上更好地抵抗流動分離。通過保持沿葉片20的輪廓的流，由流動分離引起的能量損失可被減小或消除，這導致更有效的泵40以及葉輪42的更大的有效工作範圍。葉片20更好地能夠在比為單個流速和轉速所設計和對準的現有葉片更大的範圍內抵抗流動分離。另外，當在前緣24處葉片20磨損顯著時，葉片20在前部分22中的額外厚度可抵抗這種磨損並由此增加葉片20、葉輪42和泵40的壽命。

雖然泵40被示出有具有三個葉片20的葉輪42，但葉輪42可具有更多或更少葉片，例如3-7個葉片。另外，圖2a至圖3中葉片20的尺寸、形狀和曲率僅為示例目的而示出，並可在不同系統中變化。例如，葉片可類似於在WO2012/074402A1中示出的那些葉片。葉片20的前部分22、過渡部分30和後部分26的尺寸也可根據系統需求而變化。雖然輪廓37的旋轉角在圖2b中被稱為20度，但這僅用於示例目的。在其它實施例中該角度可變化，並且可例如在10-30度的範圍內。

雖然已參考示例性實施例描述了本發明，但本領域技術人員應理解在不背離本發明的範圍的前提下可做出各種改變並且等同物的要素可被替代。另外，在不背離本發明實質範圍的前提下可做出許多修改以使特定狀態或材料適應本發明的教導。因此，本發明旨在不限於所公開的特定實施例，而且本發明將包括落入所附權利要求範圍內的所有實施例。