泵葉輪和裝有葉輪的離心式粘合液泵的製作方法

2023-09-09 18:20:30

專利名稱：泵葉輪和裝有葉輪的離心式粘合液泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種離心式粘合液泵的葉輪及蝸殼，和包括有葉輪和蝸殼的離心式粘合液泵。
本文中出現的術語「離心泵粘合液」是指任何用來泵送粘合液或其它含有固體磨料懸浮液體的離心泵。
離心泵通常包括一個安裝在可旋轉軸上並由一蝸殼包圍著的葉輪。葉輪包括一個與旋轉軸同軸而形成的進口和一沿葉輪周邊延伸的出口。通常，一組葉片在進口和出口之間徑向地延伸，而相鄰葉片之間的區域形成了相應的葉片通道，要泵送的液體可經過這些通道流動。液體排出口設置在殼體中，通常沿垂直於旋轉軸的軸線延伸。隨著葉輪的旋轉，將動能傳遞給葉輪內的液體，使液體沿旋轉方向並徑向向外移動。隨後將液體攜帶到排出口。蝸殼的面積朝出口方向增加，這樣，將液體的動能轉換成壓力能。在給定的旋轉速度條件下，離心泵可在最大效率工況運行，而這一點，僅能在流量、壓力及軸的轉速由設計而確定之後的一定條件下，特別是在葉輪和殼體的綜合幾何形狀確定了的條件下才能實現。
在設計離心式粘合液泵時，蝸殼和葉輪的幾何形狀是確定泵效率和磨損性能的關鍵。設計幾何形狀的選擇通常受所期望的經過葉輪和蝸殼的葉片通道的較低流速的影響。然而，增加蝸殼的寬度可以降低流速，而泵的效率卻會因邊界層的分離、紊流和逆流所引起的水力損失而減少。所以在設計粘合液泵的過程中，需要特別謹慎地權衡工作效率和磨損效率的要求。因此，為了獲得效率和磨損兩者之間對抗要求的滿意的平衡，粘合液泵的結構通常做成使其水力效率低於由比速度/效率曲線所確定的理論獲得值的5%～15%。當粘合液泵的比速度為22～30及流量大於100公升/秒時，理論上可獲得的效率值通常為50%～85%。
本發明的目的是提供一種離心式粘合液泵葉輪和蝸殼的組合，使用時有助於提高離心式粘合液泵的效率和耐磨性。
根據本發明，提供一種可旋轉地安裝在離心式粘合液泵蝸殼之內的葉輪，該葉輪包括一個進口，與旋轉軸同軸地加工而成;
一個沿葉輪周邊延伸的出口;
一組通常在進口和出口之間徑向延伸的葉片，相鄰葉片之間的區域形成了相應的葉片通道，隨著所述葉輪的旋轉，經過這些葉片通道而引起粘合液的流動，每個葉片流道的寬度沿朝葉輪周邊方向逐漸變窄的粘合液的子午線流線的垂線測量，所述葉輪由相對所述蝸殼來確定，這樣，葉片通道入口處所測得的葉片流道寬度(b1)與葉輪圓周邊處該通道的寬度(b2)之比其值為1.5～1.7;
葉輪直徑(D2)與葉片通道寬度(b2)之比為9.3～10.2;
葉輪直徑D2與蝸殼寬度(b3)之經為3.8～4.2，由此，在使用中，所述粘合液泵可在22～30的速度的範圍內運行。
最好，每個葉片有一條由曲線尺(Q)任意之一所確定的曲線，其中
R(Θ)＝[R1+Rs·F(X)]·exp[Θ·Tan(b1+F(X)·(B2-B1)]其中R1＝D1/2，D1是進口直徑Rs＝[R2/exp(Tanβ2·Θs)]-R1R2＝D2/2，D2是葉輪的直徑F(X)＝[Atan(X·K)-Atan(Xmin·K)]/[Atan(Xmax·K)-Atan(Xmix·K)]＝形狀函數。
Xmin＝形狀常數-1＜Xmin＜1Xmax＝Xmin+2K＝曲線類型常數(正常情況下2＜K＜5)X＝[Xmin+(2Θ/Θs)·Xmax]·Kβ1＝進口角，其範圍為17°～29°β2＝出口角，其範圍為27°～35°Θs＝掠角，其範圍為100°～140°最好，所述蝸殼有一個基本是螺旋形的圓周壁，其輪廓由形狀曲線Rspiral之一來確定，其中，Rspiral＝R2exp([Q/Kb3]XΘ/2π其中Q＝設計流量，單位m3/S子午線速度X2πR2b2K＝角動量＝VuRspiral＝Vu2′R2Vu2′＝Vu2X YslipYslip＝標準泵設計理論所定義的滑動泵數Vu2＝U2-Vm2/Tanβ2
＝葉輪周邊處的流體圓周速度U2＝葉輪周邊的圓周速度＝尖端速度Vm2＝半徑為R2的子午線速度β2＝葉片出口角，其值範圍是27°～35°b3＝蝸殼寬度Θ＝產生與螺旋曲線相匹配角動量的角座林R2＝葉輪半徑另一方面，根據本發明，提供一種離心式粘合液泵，包括一蝸殼，一個可旋轉地安裝在所述蝸殼之內的葉輪;
所述的葉輪包括一進口，該進口與葉輪旋轉軸線同軸;
一個沿所述葉輪周邊延伸的出口;
一組在進口和出口之間基本徑向延伸的葉片，相鄰葉片之間的區域形成相應的葉片通道，隨著所述葉輪的旋轉，引起粘合液該這些通道流動，每個葉片通道的寬度朝葉輪周邊方向逐漸變窄的沿粘合液子午線流線的垂線測量，所述葉輪由相對所述蝸殼來確定，這樣，葉片通道入口處所測得的葉片寬度(b1)與葉輪圓周邊處葉片通道的寬度(b2)之比其範圍為1.5～1.7;
葉輪直徑(D2)與葉片通道(b2)之比其範圍為9.3～10.2;以及葉輪直徑(D2)與蝸殼寬度(b3)之比的其範圍是3.8～4.2，由此，在使用中，所述粘合液泵可在比速度為22～30的範圍內運行。
最好，每個葉片有一條由曲線R(Q)的任何之一來決定的曲線，其中R(Θ)＝R1+Rs·F(X)]·exp[Θ·Tan(b1+F(X)·(β2-β1)]其中R1＝D1/2，D1是進口直徑Rs＝[R2/exp(Tanβ2·Θs)]-R1R2＝D2/2，D2是葉輪直徑F(X)＝[Atan(X·K-Atan(Xmin·K)][Atan(Xmax·K)-Atan(Xmin·K)]＝形狀函數Xmin＝形狀常數-1＜Xmin＜1Xmax＝Xmin-2K＝曲線類型常數(正常地2＜K＜5)β1＝進口角，其範圍是17°～29°β2＝出口角，其範圍是27°～35°Θs＝掠角，其範圍是100°～140°最好，所述蝸殼有一基本是螺旋形的圓周壁，其輪廓基本由形狀曲線Rspiral任意之一來確定，其中，
Rspiral＝R2exp([Q/Kb3]XΘ/2π)其中Q＝設計流量，單位m3/S子午線速度X2πR2b2K＝角動量＝VuRspiral＝Vu2′R2Vu2′＝Vu2XYslipYslip＝標準泵設計理論所定義的滑動泵數Vu2＝U2-Vm2/Tanβ2＝葉輪周邊處的流體圓周速度U2＝葉輪周邊的圓周速度＝尖端速度Vm2＝半徑為R2的子午線速度β2＝葉片出口角，其範圍是27°～35°b3＝蝸殼寬度Θ＝產生與螺旋曲線相匹配角動量的角座林R2＝葉輪半徑下文參照附圖，僅以舉例的方式對本發明的實施例進行描述。其中

圖1是裝在粘合液泵內部的葉輪的橫截面圖;
圖2是圖1葉輪的正視圖;
圖3是圖1所示泵的A截面圖;
圖4是泵的側視圖。
參見附圖可以看出，葉輪10以旋轉方式安裝在離心式粘合液泵14的蝸殼12之內，它包括有一個與葉輪10的旋轉軸線18同軸而形成的進口16，一個沿葉輪10周邊延伸的出口20，以及一組葉片，為了清楚，在圖2中僅示出了兩個葉片，這些葉片通常在進口和出口之間徑向延伸。從圖2中可更清楚地看出，相鄰葉片22之間的區域形成了相應的葉片通道24，隨著葉片10的旋轉，使粘合液從旋轉軸線18向外流出。葉輪10還包括前蓋板26和同軸的底層後蓋板28，進口16在前蓋板26中形成。輪轂30從後蓋板28上與前蓋板26相對的後蓋板28表面延伸，與旋轉軸線18同軸並遠離前蓋板26，輪轂30用來安裝軸(未示出)，該軸由電動機驅動，從而將扭矩傳遞給葉輪10。葉片22在前蓋板26和後蓋板28之間軸向延伸並連接該兩個蓋板。
泵出口葉片32從與後蓋板28相反的前蓋板26上的表面軸向延伸，並從進口16附近到葉輪10的周邊以螺旋方式排列。泵出口葉片32有助於防止粘合液從出口20向進口16的回流。
葉輪10由頸管34包圍在泵14之內，頸管34與鄰接於前蓋板26和後襯套36的蝸殼12的一個側面密封地配合，後襯套36與蝸殼12的另一側密封配合。頸管34形成了一進口38，進口38與葉輪10的進口16相通。
葉輪葉片通道24寬度的選擇應有助於使經過葉輪的流動成為光滑線型流動。為了獲得這一目的，葉片通道24做成從該通道入口處最寬點(寬度b1)到葉輪周邊最窄點(寬度b2)逐漸變窄的形狀。
入口處的通道寬度b1通常定義為沿著子午流線垂線方向的寬度，參照圖1，寬度b1可認為是最接近葉片22進口邊的直線寬度，葉片22的圓柱坐標(rE)被投射到葉片通道一個截面上。已經發現，通過在相對部分選擇通道進、出口寬度的值，以致於進口寬度b1與出口寬度b2之比為1.5～1.7時，葉片通道24在葉輪吸入孔位置處具有光滑的稍彎曲的入口形狀。這有助於減少紊流，這樣便可減少葉輪的磨損並提高了泵14的效率。儘管在泵送不含任何懸浮研磨顆粒的「淨水」高性能泵中，這種比值不是非正常的，但粘合液泵通常設計成葉片通道進口寬度b1與出口寬度b2之比大約為1。
葉輪10周邊處葉輪直徑D2與通道寬度b2之比直接與比速度Ns有關，比速度Ns是與揚程、流量以及泵能在最高效率工況下運的軸轉速有關的性能指標。
Ns＝ (軸速度(轉速／秒)流量(米3／秒))/(［揚程(米)］3／4) ……(1)通常，當比速度減少時，耐磨性增加，而效率減少。這樣，低比速度泵具有大的窄葉輪，這種葉輪以比較低的軸速度產生揚程。在葉輪10中，直徑D2與寬度b2的幾何結構是這樣安排的，使比值D2/b2的範圍為9.3～10.2，這樣的離心泵14可以在如上述方程(1)所定義的比速度為22～30的工況下運行。
葉片22的型面形狀是葉輪性能及葉輪10和蝸殼12中磨損形成的重要因素。設計中的主要問題是確定橫越葉片通道24整個寬度的葉片22進口角和出口角。此外，必須確定掠角，它表示葉片將圍繞著一個圓，從直徑為D1的通道入口處葉片的始點到葉輪直徑為D2的周邊處葉片出口間所掠過的程度。
一旦設計者確定了一條中線的進口角β1、出口角β2和掠角Θs，剩下的問題便是如何產生光滑曲線使其滿足那些指標。儘管許多標準技術可以從教科書中找到，但本申請人以實驗為依據列出了確定中線的方程。這種方程便於程序化，根據下列定義的形狀參數Xmin和K的變化，允許迅速產生較寬範圍的合適曲線。
用於產生葉片截面的β1、β2和Θs的取值範圍及中線方程如下中線參數 範圍β117°～29°β227°～35°Θs100°～140°其次，利用γ、Θ坐標所產生的中線是R(Θ)＝[R1+Rs·F(x)]·exp[Θ·Tan(b1+F(x)·(β2-β1)]其中R1＝D1/2Rs＝[R2/exp(Aanβ2·Θs)]-R1R2＝D2/2F(X)＝[Atan(X·K)-Atan(Xmin·K)]/[Atan(Xmax·K)-Atan(Xmin·K)]＝形狀函數Xmin＝形狀常數-1＜Xmin＜1Xmax＝Xmin+2K＝曲線類型常數(正常情況下2＜K＜5)X＝[Xmin+(2Θ/Θs)·Xmax]·K下面參見圖3和4，蝸殼12設有排出口40，排出口40基本沿垂直於旋轉軸數18的方向延伸。蝸殼12做成具有排出口40沿葉輪旋轉方向半徑增加的螺旋形輪廓。但蝸殼基圓42由定長半徑形成，並面對著葉輪10的周邊。
為了在低比速度範圍之內提高效率，蝸殼輪廓由蝸殼寬度b3產生，寬度b3比較窄，正常情況下，傳統粘合液泵不使用這種寬度。本申請人已經發現，通過選擇下文表1所列舉的關鍵幾何參數，可以獲得低比速度下的高效率及工業上可接受的耐磨性。這些比值如根據所建議的D2/B2約為3.8～4.2取值範圍形成了比傳統粘合液泵所採用的要更窄的殼體。這種情況與蝸殼的橫截面形狀是簡單的如矩形或不規則四邊形還是更複雜形狀的如半圓形無關。但是在較複雜的橫截面形狀情況下，寬度比可採用公知方法將複雜形狀的截面變換成面積相等的等效矩形來計算。在這種情況下，等效矩形的寬度b3通過假設葉輪周邊和蝸殼12基圓42之間間隙(參見圖1)對於複雜形狀和等效矩形形狀來說都是相同來計算。
最後，確定了參數b1、b2、b3和D2之後，剩下的任務就是做出蝸殼12的螺旋形輪廓。蝸殼的螺旋形狀與葉輪10的工作性能相匹配對於獲得最大效率是很重要的。螺旋形輪廓Rspiral可採用公知的角動量守恆定律而制定出來，下面是矩形截面蝸殼的一個例子
Rspiral＝R2exp([Θ/Kb3]XΘ/2π)其中Q＝設計流量(m3/S)∝子午線速度X2πR2b2K＝角動量＝VuRspiral＝Vu2/R2Vu2′＝Vu2X YslipYslip＝標準泵設計理論所定義的滑動係數Vu2＝U2-Vm2/Tanβ2＝葉輪圓周邊處流體的圓周速度U2＝葉輪周邊的圓周速度＝尖端速度Vm2＝半徑為R2的子午線速度β2＝葉片出口角，其值範圍是27°～35°b3＝蝸殼寬度Θ＝產生與螺旋形曲線相匹配動量的角坐標R2＝葉輪半徑表1給出了本發明一個實施例設計參數與另一個商業上可行的離心式粘合液泵設計參數的比較。
表1
從上述表可以明顯地看出，本發明的這個實施例具有超過商業上可行離心式粘合液泵的一些優點。特別是根據表1所示的特徵，該實施例的效率大約為81.5%，這與效率大約為70%的上述商業上可行泵相比較，接近於理論可獲得的最大值。進一步，葉輪的幾何形狀減少了紊流，也減少了粘合液對蝸殼的衝擊角。這更有利於減少葉輪、蝸殼和泵其它組件的磨損。
權利要求
1.一種旋轉地安裝在離心式粘合液泵蝸殼之內的葉輪，包括一個與旋轉軸同軸的進口；一個沿葉輪周邊延伸的出口；一組通常在進口和出口之間徑向延伸的葉片，相鄰葉片之間的區域形成了相應的葉片通道，隨著所述葉輪的旋轉，經過這些葉片通道而引起粘合液的流動，每個葉片通道的寬度沿著朝葉輪周邊方向逐漸變窄的粘合液子午線的垂線測量，所述葉輪的尺寸相對所述蝸殼來確定，這樣，葉片通道入口處所測得的葉片通道寬度(b1)與葉輪圓周邊處葉片通道的寬度(b2)之比其值範圍是1.5～1.7；葉輪直徑(D2)與葉片流道寬度(b2)之比其值範圍是9.3～10.2；葉輪直徑(D2)與蝸殼寬度(b3)之比其值範圍是3.8～4.2，由此，在使用中，所述粘合液泵可在比速度為20～30的範圍內運行。
2.根據權利要求1所述的葉輪，其特徵是，每個葉片有一條由下列任意一條曲線R(Θ)來確定的中線，其中R(Θ)＝[R1+Rs·F(X)]·exp[Θ·Tan(b1+F(X)·(β2-β1)]其中R1＝D1/2，D1是進口直徑Rs＝[R2/exp(Tanβ2·Θs)]-R1R2＝D2/2，D2是葉輪直徑F(X)＝[Atan(X·K)-Atan(Xmin·K)][Atan(Xmax·K)-Atan(Xmin·K)]＝形狀函數Xmin＝形狀常數-1＜Xmin＜1Xmax＝Xmin+2K＝曲線類型常數(正常情況下2＜K＜5)X＝[Xmin+(2Θ/Θs)·Xmax]·Kβ1＝進口角，其值範圍是17°～29°β2＝出口角，其值範圍是27°～35°Θs＝掠角，其值範圍是100°～140°
3.根據權利要求1或2所述的葉輪，其特徵是，所述蝸殼有一形狀基本是螺旋形的圓周壁，其任何一個輪廓基本由形狀曲線Rspiral來確定，其中Rspiral＝R2exp([Q/Kb3]XΘ/2π其中Q＝設計流量(m3/S)子午線速度X2πR2b2K＝角動量＝VuRspiral＝Vu2′·R2Vu2′＝Vu2X YslipYslip＝標準泵設計理論所定義的滑動係數Vu2＝U2-Vm2/Tanβ2＝葉輪圓周邊處流體的圓周速度U2＝葉輪周邊的圓周速度＝尖端速度Vm2＝半徑為R2的子午線速度β2＝葉片出口角，其值範圍是27°～35°b3＝蝸殼寬度Θ＝產生與螺旋形曲線相匹配角動量的角坐標R2＝葉輪半徑
4.一種離心式粘合液泵，包括一蝸殼，一可旋轉的安裝在所述蝸殼中的葉輪;所述的葉輪包括與葉輪旋轉軸線同軸而形成的進口;一個沿葉輪周邊延伸的出口;一組在進口和出口之間基本徑向延伸的葉片，相鄰葉片之間的區域形成相應的葉片通道，隨著所述葉輪的旋轉，使粘合液沿這些通道流動，每個葉片通道的寬度沿著朝葉輪周邊方向逐漸變窄的粘合液子午線流線的垂線測量，所述葉輪的尺寸相對所述蝸殼來確定，這樣，葉片通道入口處所測得的葉片寬度(b1)與葉輪圓周邊處葉片通道的寬度(b2)之比其值範圍是1.5～1.7;葉輪直徑(D2)與葉片通道(b2)之比其值範圍是3.8～4.2;由此，使用中，所述粘合液泵可在比速度為22～30的範圍內運行。
5.根據權利要求4所述的離心式粘合液泵，其特徵是，每個葉片有一條由任意一R(Θ)來確定的中線，其中R(Θ)＝[R1+Rs·F(X)·exp(Θ·Tan(b1+F(X)·(β2-β1)]其中R1＝D1/2，D1是進口直徑Rs＝[R2/exp(Tanβ2·Θs)]-R1R2＝D2/2，D2是葉輪直徑F(X)＝[Atan(X·K)-Atan(Xmin·K)]/[Atan(Xmax·K-Atan(Xmin·K)]＝形狀函數Xmin＝形狀常數-1＜Xmin＜1K＝曲線類型常數(通常2＜K＜5)X＝[Xmin+(2Θ/Θs)·Xmax]·Kβ1＝進口角，其值範圍是17°～29°β2＝出口角，其值範圍是27°～35°Θs＝掠角，其值範圍是100°～140°
6.根據權利要求4或5所述的離心式粘合液泵，其特徵是，所述蝸殼有一形狀基本是螺旋形的圓周壁，其輪廓的任何範圍基本由形狀曲線Rspiral來確定，其中Rspiral＝R2exp([Q/Kb3]XΘ/2π)其中Q＝設計流量，單位m3/S子午線速度X2πR2b2K＝角動量＝VuRspiral＝Vu2′R2Vu2′＝Vu2X YslipYslip＝標準設計理論所定義的滑動係數Vu2＝U2-Vm2/Tanβ2＝葉輪周邊處的流體圓周速度U2＝葉輪周邊的圓周速度＝尖端速度Vm2＝半徑為R2的子午線速度β2＝葉片出口角，其值範圍是27°～35°b3＝蝸殼寬度Θ＝產生與螺旋曲線相匹配角動量的角坐標R2＝葉輪半徑
全文摘要
一種可旋轉地安裝在離心式粘合液泵14蝸殼12之內的聚葉輪10，包括與葉輪10旋轉軸線18同軸而形成的進口16。葉輪10還包括沿葉輪10周邊延伸的出口20和一組在進口16和出口20之間基本徑向延伸的葉片22。相鄰葉片22之間形成相應的葉片通道24，隨葉輪10的旋轉帶動，粘合液經這些通道24流動。葉輪10的尺寸相對蝸殼12確定，這樣，葉片通道24入口處通道b
文檔編號F04D29/24GK1096859SQ9312172
公開日1994年12月28日 申請日期1993年12月29日 優先權日1992年12月29日
發明者J·布雷默, 劉文杰 申請人:沃爾特克斯澳大利亞有限公司