專利名稱:泵葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種泵葉輪,更確切地說,本發(fā)明涉及一種離心式或半軸流式泵葉輪,該泵用于泵送流體,主要是泵送污水。
文獻中有眾多類型用于這一目的的泵和泵葉輪的敘述,但均有某些不足。最重要的是均涉及堵塞和低效率問題。
污水中包含多種類型的污物,其數(shù)量和構(gòu)成取決于排放污物的地區(qū)類別和排放季節(jié)。在城區(qū),塑料、衛(wèi)生用品、紡織品等等最普遍;而在工業(yè)區(qū)則可能排放耐磨顆粒。經(jīng)驗表明,最壞的問題是破布和類似物品,貼附在葉片前緣并進而纏繞在葉輪的輪轂上。這類事件導(dǎo)致頻繁地維護和降低使用效率。
在農(nóng)業(yè)和紙漿工業(yè)中,使用各種類型的特殊泵,這些泵應(yīng)能處理禾稈、草、葉和其它各種有機材料。為此目的,葉片前緣均為后掠,以便使污物向外輸送至葉片外周邊,而不致貼在前緣上。各種類型的切碎方法用以將這些材料切斷,從而使其更暢通地流動。在專利文獻SE-435952,SE-375831和US-4347035中列有實例。
由于污水中的污物含有其它類型更難處理的污物,并由于污水泵的運行時間一般要長得多,上述那些特殊泵用于泵送污水時并不能滿足要求,無論從可靠性的觀點還是從效率的觀點看均是如此。
一臺污水泵每天經(jīng)常運行12小時,這就意味著,能耗在很大程度上取決于泵的總功率。
試驗證明,本發(fā)明的污水泵比原有污水泵的效率提高達50%。由于電氣驅(qū)動泵的壽命成本一般是受總能耗成本控制(c:a80%),顯然上述引人注目的效率提高是極為重要的。
文獻中對泵葉輪設(shè)計的敘述極為一般化,特別是關(guān)于葉片前緣后掠問題是如此。沒有對所述后掠的明確定義。
試驗表明為獲得泵葉輪的自清潔能力,后掠角在前緣上分布的設(shè)計是非常重要的。各種污物的特點也需要不同的后掠角,以保證泵有良好的工作性能。
文獻中并未給出任何信息告訴人們,如何使污物沿葉片前緣,在徑向向外滑行、傳送。所指出的是一般性敘述諸如前緣應(yīng)為鈍角、向后掠等??蓞㈤唽@墨ISE-435952。
當泵送較小污物如草和其它有機物時,采用較小的前緣后掠角,可能足以形成污物的徑向傳送,并在泵葉輪和泵體之間的槽中被切碎。實際上,這種切碎過程是當葉輪以10~25m/s的圓周速度旋轉(zhuǎn)時,被切污物與葉輪和泵體接觸而實現(xiàn)的。這一切碎過程可借助于設(shè)置切割裝置如槽或類似裝置而得以改善。與專利文獻SE-435952比較,這類泵用于傳送紙漿、糞肥等等。
當設(shè)計一種泵葉輪,使該葉輪具有前緣后掠的葉片,為獲得自清潔能力,在考慮后掠角分配、泵的性能及其它設(shè)計參數(shù)之間關(guān)系時,存在一種矛盾。一般說來,增大后掠角意味著減小堵塞的風險,但同時效率降低。
本發(fā)明導(dǎo)致這樣一種可能性,使得葉片前緣的設(shè)計可以一種最佳方式進行,設(shè)計時能就可靠地和經(jīng)濟地泵送含有破布、纖維等物質(zhì)的污水獲得不同的功能和質(zhì)量。
本發(fā)明基本上包括三部分,這三部分在權(quán)利要求書中做了介紹。
第一部分,如圖5所示,確定了后掠角分布的一組數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)可使泵具有良好的性能和效率。數(shù)據(jù)的范圍與尺寸、圓周速度和材料摩擦有關(guān)。用于描述的獨立變量,這里稱為名義半徑,定義如下名義半徑=(r-r1)/(r2-r1)公式1式中,r1為輪轂連接點處(葉片前緣與輪轂連接點處)的半徑,r2為前緣外周邊的半徑,而半徑r,在原點位于葉輪軸心線上的圓柱坐標系中,定義為某實際點與葉輪軸延長線上一點的最短距離。
本發(fā)明第一部分的基礎(chǔ)在于,前緣后掠角向外顯著增大,從與輪轂連接點的最小值40度,增至外周邊處的最大值55度。上限60到75度,確定了圖中較粗的一條線,超過這一界限,對效率和可靠性均有負面影響。
本發(fā)明的第二部分涉及一特殊的實施例,該實施例具有極有利的能力,其中,后掠角將幾乎不受工作點制約,即不受不同的流量和揚程制約,該實施例還對應(yīng)于不同的速度三角形(C,U,W)。
后掠角的定義將參照附圖在下文給予說明。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的泵葉輪的三維圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明所繪泵的徑向剖面原理圖。圖3為葉輪吸入端的軸向示意圖。圖4為一個葉輪葉片前緣的局部放大圖。圖5為一曲線圖,該曲線圖表示根據(jù)本發(fā)明,前緣后掠與名義半徑之間的關(guān)系。
各圖中,1表示葉輪輪轂,2表示葉片,該葉片上有前緣3;4表示前緣與輪轂的連接點;5表示前緣的外周邊;6表示前緣上某一點的法線;7表示泵體的內(nèi)壁;8表示輪轂的端面;9表示旋轉(zhuǎn)方向,α表示后掠角,WR表示投影相對速度(projected relative velocity),即流體在運行坐標系中的速度;Z表示葉輪軸的方向。
為了以一種優(yōu)化方式設(shè)計所希望的泵葉輪幾何形狀,正確地定義所述的后掠角是先決措施。確切的后掠角α一般是前緣在子午面視圖(r-z)和軸向視圖(r-θ)中幾何學參數(shù)的函數(shù),參看圖2和圖3。
確切的定義將是描述前緣3形狀的曲線和該曲線上局部相對速度W的函數(shù)。這可以用數(shù)學方法表述如下用傳統(tǒng)的速度三角形符號(C,U,W),相對速度W(r)是運行圓柱坐標系中位置矢量r的函數(shù)。在正常情況下,相對速度W(r,θ,z)也可以用它的分量(Wr,Wθ,Wz)表述。
沿前緣3的三維曲線,可以在相應(yīng)的運行坐標系中描述為一個函數(shù)R,該函數(shù)R取決于位置矢量r,即R=R(r,θ,z)。
前緣上各點處平行于前緣的無窮小矢量可定義為dR。由標量積的定義,可獲得確切的后掠角α表達式,α為dR的法線與WR間的夾角,其中,投影相對速度WR定義為WR在W方向上的入射角為零的正投影。這就意味著,WR和W在名義工作點處或接近于名義工作點處是相等的,有時名義工作點指最有效點。
α=π/2-arc cos[(dR·WR)/(|dR|·|WR|)]公式2假定絕對入口速度不包含任何圓周分量,即沿法線方向,則Wθ等于葉輪的圓周速度。
借助于這些定義和假設(shè),下面將會看到,α與流量無關(guān)。這些情況是前緣位于這樣一個平面內(nèi),該平面本質(zhì)上垂直于葉輪軸Z方向,而且前緣位于絕對入口速度本質(zhì)上為軸向處。這意味著,徑向分量WR接近于零?;谕瑯拥睦碛桑琖R的圓周分量,即在θ方向,等于葉輪的圓周速度而與流量無關(guān)。如上所述,當dRz為零時,WR的軸向分量對α的影響可以略去不計。這是根據(jù)標量積定義得來的。因此,在公式2中,與流量相關(guān)變量WR不影響α,這是因為分子和分母成比例變化的緣故。
根據(jù)本發(fā)明的一個推薦實施例,葉片前緣位于本質(zhì)上垂直于葉輪軸的平面內(nèi)。根據(jù)常識,一個泵經(jīng)常是在流量與揚程變化均較寬的范圍內(nèi)工作,推薦實施例容許保持其自清潔能力而不受不同運行條件的影響。
本發(fā)明的第三部分涉及一個推薦實施例,其中前緣與輪轂的連接處鄰近輪轂1的端面8,即輪轂沒有中央的突出凸臺。這樣就減少了污物纏繞葉輪中央部分的風險。
權(quán)利要求
1.一種離心式或半軸流式泵葉輪,該葉輪用于泵送污水的泵,其特征在于該葉輪設(shè)有一個或幾個葉片(2),葉片的前緣(3)向周邊后掠,精確的后掠角(α)定義為在前緣上的每一個點處,前緣的法線(6)與被泵送介質(zhì)在該點的投影相對速度(WR)的夾角,該后掠角的取值,在前緣與輪轂(1)連接點(4)處限制在40~55度范圍內(nèi),在前緣外周邊(5)處限制在60~75度范圍內(nèi),其余各點之后掠角在二者之間大致平滑變化。
2.如權(quán)利要求1所述的泵葉輪,其特征在于前緣(3)上一點的法線(b)與被泵送介質(zhì)在該點的投影相對速度(WR)的夾角(α)的取值,在前緣與輪轂(1)連接點(4)處限制在45~55度范圍內(nèi),在前緣外周邊(5)處限制在62~72度范圍內(nèi),其余各點的α取值在二者之間大致平滑變化。
3.如權(quán)利要求1所述的泵葉輪,其特征在于葉片(2)的前緣(3)位于本質(zhì)上垂直于葉輪軸(Z)的平面內(nèi),其中被泵送介質(zhì)的絕對速度主要沿軸線方向。
4.如權(quán)利要求1所述的泵葉輪,其特征在于前緣(3)與輪轂(1)的連接點(4)位于鄰近所述輪轂的端面(8)處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種離心式或半軸流式泵葉輪,該泵用于泵送流體,主要是泵送污水,本發(fā)明的泵葉輪包括輪轂(1),該輪轂(1)具有一個或幾個葉片(2),該葉片(2)的前緣(3)急劇后掠。葉片前緣后掠角(α)的值,在與輪轂(1)連接點處在35度至65度之間變化;在外周邊(5)處,在55度至85度之間變化。
文檔編號E03F5/22GK1218148SQ98120840
公開日1999年6月2日 申請日期1998年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月18日
發(fā)明者烏爾夫·阿爾貝烏斯 申請人:Itt制造企業(yè)公司