一种叶片泵及用于叶片泵的叶轮叶片

摘要

本发明公开了一种用于叶片泵的叶轮叶片，叶轮叶片上设有折线孔，折线孔由叶轮叶片的叶片背面的压力最低点设起贯穿叶轮叶片至叶轮叶片的叶片工作面，折线孔上设有朝向叶片背面侧的阶梯面，折线孔中靠近叶片背面处的孔径不小于靠近叶片工作面处的孔径。此种叶轮叶片能够阻止或者减少叶片背面空化的形成；同时，通过计算和设计突扩管道与折角这一水力损失环境，可以减少或者避免叶片工作面和叶片背面之间压差过高而在叶片背面产生射流的情况发生，防止射流扰乱叶片背面流场，有利于保证叶片泵的运行过程中空化强度达到最低，达到降低叶片泵的必须气蚀余量、提高叶片泵的抗空化性能的目的。本发明还公开了一种包括上述叶轮叶片的叶片泵。

说明书

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别涉及一种用于叶片泵的叶轮叶片。本发明还涉及一种包括上述叶轮叶片的叶片泵。

背景技术

叶轮叶片是叶片泵等设备中的重要部件，在叶片泵运行时，当流体压力低于工作温度下的汽化压力时，叶片泵内，水流从叶片进口边进入装置中，流经叶片区，水流对叶片工作面做功，使叶片工作面的水流压力较高，由于翼型的影响，叶片进口边附近背面的压力较低，在叶片背面局部还会形成压力最低区，一旦低于水在当时温度下的汽化压力，就产生空化现象。通常，叶片工作面指的是叶轮叶片上与叶片背面相对的叶片正面。

然而，目前的叶片泵中，叶轮叶片的设置方式可能均会造成叶片泵运行时产生较为严重的空化现象。此种叶片泵应用于流体机械、高速涵洞、水翼、舵、水中兵器等领域时，空化现象的出现可能会致使材料剥蚀，使叶片泵的性能下降、机械效率降低，影响叶片泵内流体的正常流动，产生振动和噪声，进而影响整个系统的正常运行。

因此，如何在减少空化现象发生的同时防止射流的发生，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于叶片泵的叶轮叶片，能够减少空化现象的发生。本发明的另一目的是提供一种包括上述叶轮叶片的叶片泵，能够减少空化现象的发生。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于叶片泵的叶轮叶片，所述叶轮叶片上设有折线孔，所述折线孔由所述叶轮叶片的叶片背面的压力最低点设起贯穿所述叶轮叶片至所述叶轮叶片的叶片工作面，所述折线孔上设有朝向所述叶片背面侧的阶梯面，所述折线孔中靠近所述叶片背面处的孔径不小于靠近所述叶片工作面处的孔径。

优选地，所述折线孔的弯折处为一个，且一个所述阶梯面设于所述弯折处。

优选地，所述折线孔的径向截面为圆形。

优选地，所述折线孔中所述弯折处两侧为两段直孔，且每段所述直孔沿着中心轴各处的径向截面相同。

优选地，两段所述直孔的中心轴的交点位于所述弯折处。

优选地，所述弯折处与所述压力最低点之间的垂直距离是所述压力最低点与所述叶片工作面之间的垂直距离的一半。

优选地，所述折线孔位于所述弯折处与所述叶片工作面之间的孔径d₁和位于所述弯折处与所述叶片背面之间的孔径d₂的关系为：

$P_1-P_2=\alpha \frac{\rho [{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^4-1+\xi ]}{2}{V}^2$

其中：P₁为叶片工作面进口水流的压力，P₂为叶片背面出口水流压力，ξ为局部阻力系数，根据θ的不同，ξ可从局部水头损失表中查得，θ为两段所述直孔的中心轴的夹角，α为动能修正系数，V为流体的平均速度。

一种叶片泵，包括叶轮叶片，所述叶轮叶片为如上述任意一项所述的用于叶片泵的叶轮叶片。

本发明提供的用于叶片泵的叶轮叶片上设有折线孔，折线孔贯穿叶轮叶片且设置在叶片背面的压力最低点处，连通叶片背面与叶片工作面，折线孔上设有朝向叶片背面侧的阶梯面，折线孔中靠近叶片背面处的孔径不小于靠近叶片工作面处的孔径。

此种叶轮叶片上的折线孔连通叶片工作面与叶片背面，合理利用了叶片工作面与叶片背面之间的压力差，叶片工作面的高压水流会补充到叶片背面的低压中心，使叶片背面的压力达不到环境汽化压力，能够阻止或者减少空化的形成；同时，通过突扩管道与折角这一水力损失环境，可以有效和准确地调整叶片工作面与叶片背面的压差，削弱叶片工作面水流的部分过剩压力，减少或者避免叶片工作面和叶片背面之间压差过高而在叶片背面产生的射流的情况发生，防止扰乱叶片背面流场，有利于保证应用该叶轮叶片的叶片泵在运行过程中空化强度达到最低，降低叶片泵的必须气蚀余量，提高叶片泵的抗空化性能。

本发明提供的包括上述叶轮叶片的叶片泵，能够减少空化现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供叶轮叶片的具体实施例的正面示意图；

图2为图1的剖视图。

图1至图2中，1为叶片工作面，2为叶片背面，3为叶片泵叶片头部，4为折线孔，5为阶梯面，6为弯折处，7为进口边，8为叶片背面折线孔开口，9为叶片工作面折线孔开口，10为叶片泵前端盖线，11为出口边，12为叶片泵轮毂线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种用于叶片泵的叶轮叶片，能够减少空化现象的发生。本发明的另一核心是提供一种包括上述叶轮叶片的叶片泵，能够减少空化现象的发生。

请参考图1和图2，图1为本发明所提供叶轮叶片的具体实施例的正面示意图；图2为图1的剖视图。

本发明所提供用于叶片泵的叶轮叶片的一种具体实施例中，叶轮叶片上设有折线孔4，折线孔4由叶片背面2的压力最低点设起并贯穿叶轮叶片至叶片工作面1，通过折线孔4连通叶片工作面1与叶片背面2，叶片工作面1与叶片背面2为叶轮叶片上的两个相对的壁面。折线孔4上设有朝向叶片背面2侧的阶梯面5，折线孔4可以看做突扩管道，流体由叶片背面2经折线孔4流向叶片工作面1的过程中，折线孔4中的流道截面会在阶梯面5处发生突变。折线孔4中靠近叶片背面2处的孔径大于靠近叶片工作面1处的孔径，即在折线孔4中的任意两个与叶片背面2距离不同的两处的孔径相比，靠近叶片背面2处的孔径不小于靠近叶片工作面1处的孔径。其中，孔径指的是折线孔4中各处垂直于折线孔4的中心轴的各个方向上的尺寸。

本实施例中的叶轮叶片上的折线孔4连通叶片工作面1与叶片背面2，合理利用了叶片工作面1与叶片背面2之间的压力差，叶片工作面1的高压水流会补充到叶片背面2的低压中心，使叶片背面2的压力达不到环境汽化压力，能够阻止或者减少空化的形成；同时，通过突扩管道与折角这一水力损失环境，可以有效调整叶片工作面1与叶片背面2的压差，削弱叶片工作面1水流的部分过剩压力，减少或者避免叶片工作面1与叶片背面2之间压差过高而在叶片背面2产生的射流的情况发生，防止扰乱叶片背面2流场，有利于保证应用该叶轮叶片的叶片泵在运行过程中空化强度达到最低，达到降低叶片泵的必须气蚀余量、提高叶片泵的抗空化性能的目的。

通常，叶片泵中的叶轮叶片包括进口边7、出口边11、叶片泵轮毂线12以及叶片泵前端盖线10，叶片泵的最低压力区域发生在进口边7附近的叶片背面2区域。

上述实施例中，折线孔4的弯折处6具体可以为一个，且一个阶梯面5设置在该弯折处6。通常，叶片泵中的叶轮叶片的厚度较薄，只弯折一次且将一个阶梯面5设置在弯折处6，有利于降低加工难度，便于批量生产。当然，也可以根据工艺条件设置两个或者其他数量的弯折处6或阶梯面5。

上述各个实施例中，折线孔4具体可以为径向截面为圆形的孔，此处的径向截面指的是折线孔4中各处垂直于折线孔4的中心轴的截面，以便于进一步简化加工。当然，折线孔4的径向截面也可以为椭圆形或者其他形状。

上述各个实施例中，折线孔4中弯折处6两侧为两段直孔，且每段直孔沿着中心轴各处的径向截面相同，也就是说，折线孔4只包含一个阶梯面5，且每段直孔在自身中心轴的延伸方向上的没有孔径渐变段，以便于折线孔4的加工。

上述实施例中，两段直孔的中心轴的交点可以设置在弯折处6，此时，该交点为阶梯面5的中心点，且阶梯面5为同心环形面，有利于保证流体经过阶梯面5时的减速增压效果。当然，两端直孔的中心轴的交点也可以为设置于阶梯面5与叶片工作面1之间或者其他位置处。

上述各个实施例中，弯折处6与压力最低点之间的垂直距离具体可以是压力最低点与叶片工作面1之间的垂直距离的一半，通过弯折处6与压力最低点之间的垂直距离值以及两段直孔的中心轴的夹角θ的值可以准确定位折线孔4的叶片工作面折线孔开口9的位置，便于实现对折线孔4的结构及位置的精确控制。当然，弯折处6的位置也可以根据加工工艺进行其他设定。

上述实施例中，折线孔4位于弯折处6与叶片工作面1之间的孔径d₁和位于弯折处6与叶片背面2之间的孔径d₂的关系具体可以为：

$P_1-P_2=\alpha \frac{\rho [{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^4-1+\xi ]}{2}{V}^2$

其中：P₁为叶片工作面进口水流的压力，P₂为叶片背面出口水流压力，ξ为局部阻力系数，根据θ的不同，ξ可从局部水头损失表中查得，θ为两段直孔的中心轴的夹角，α为动能修正系数，V为流体的平均速度。

根据该公式，流体经过折线孔4后削弱的叶片工作面1流体的部分压力为ΔP＝P₁-P₂。在进行d₁与d₂的尺寸设计的过程中，可以通过不断改变d₁、d₂及两直孔段的中心轴之间夹角θ的大小，并通过该公式验证P₂的大小，可以确保在压力最低点P₂略高于该温度下的流体的汽化压力，从而精确降低必须气蚀余量，并精确控制P₂的大小，减轻空蚀破坏。以20℃的水为例，其汽化压力为2400Pa，该方法可精确控制出口压力达到P₂≥2400Pa的效果。当然，d₁与d₂之间的大小关系不限于此。

上述各个实施例中，叶片背面2最低压力点的位置具体可以通过软件建模进行确定。下面以一种优选的实施方法为例对叶片泵中叶轮叶片的折线孔4的定位以及建模过程进行说明。

在此实施方法中，首先运用商业计算流动力学CFD软件，采用有限体积法对叶片泵相应工况进行模拟计算，计算流程如下：

1、运用商业三维造型软件对叶片泵的活动导叶和转轮建立全模拟数学模型；

2、使用商业网格划分软件对建立的活动导叶和转轮数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；

3、使用商业计算流体动力学CFD软件的前处理部分导入划分好的活动导叶和转轮的网格，设置计算域的计算方程、边界条件等各种计算参数，计算软件采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性。

4、控制方程：

1)连续性方程：

混合流体相：

$\frac{\partial \rho }{\partial t}+▿·\left(\rho v\right)=0$

式中：ρ为空泡相和水流相形成的混合流体质量密度；ν为混合流体的速度矢量。

空泡相：

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho f\right)+▿·\left(\rho fv\right)=R_e-R_c$

式中:f为空泡相的质量组分；Re为水蒸气的生成率；Rc为水蒸气的凝结率。

2)动量方程

$\frac{\partial \left(\rho v\right)}{\partial t}+▿·\left({\mathrm{\rho v}}^2\right)=-▿p+\frac{1}{3}▿[(\mu +{\mu }_t)▿·v]+▿·[(\mu +{\mu }_t)▿v]+\rho g$

式中：p为静压力；μ为分子黏性系数；μ^t为湍流黏性系数。

混合密度ρ和气体质量分数f的关系如下：

$\frac{1}{\rho }=\frac{f}{{\rho }_v}+\frac{1-f}{{\rho }_1}$

5、边界条件

1)进口边界条件

给定进口处的绝对速度，具体数值由泵的设计工况求出，压力在进口截面上设为均匀分布。

2)出口边界条件

出口处的速度由上游网格点的速度推导得出，根据质量守恒定律按比例修正，其它物理量取为上游一层网格点的值。

3)固壁边界条件

固壁上速度满足无滑移条件，压力取为第二类边界条件，湍流壁面采用壁面函数边界条件。

4)气泡相边界条件

空泡相进口速度取第一类边界条件，出口速度取第二类边界条件，在壁面上空泡速度沿法向梯度为零，空蚀计算初始流场的空泡体积组分赋为零。

6、计算求解及收敛，使用计算流体动力学软件的求解器对计算域进行求解，计算步长0.005，收敛残值0.00005。

7、计算结果分析，使用计算流体动力学软件的后处理部分导入计算结果，对计算结果进行压力分布分析：在软件的命令窗口下使用语句minp可求得叶片背面2的最低压力点位置。

之后，确定折线孔4的结构。请参见图1，结合CFD分析结果，通过叶片泵叶片头部3位于进口边7的端点与叶片背面折线孔开口8的最小距离L及计算得到的叶片背面2侧的孔径d₂，可以确定叶片背面2具体设置折线孔4的位置，然后，初步设定折线孔4的整体尺寸，进行相关计算，例如，可以利用上述实施例中的如下公式：

$P_1-P_2=\alpha \frac{\rho [{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^4-1+\xi ]}{2}{V}^2$

进行验证，并利用计算流体动力学软件对确定的折线孔4结构进行模拟，例如CFD数值模拟，看是否达到预期效果，如果不能，则进行对尺寸修改，直到达到预期效果为止；最后，按照最终确定的折线孔4的位置及尺寸，在叶片背面2计算所得压力最低点位置钻取折线孔4。

除了上述叶轮叶片，本发明还提供了一种包括上述实施例公开的叶轮叶片的叶片泵，该叶片泵由于采用了上述用于叶片泵的叶轮叶片，能够在减少空化现象发生的同时防止射流的发生。该叶片泵的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的叶片泵及用于叶片泵的叶轮叶片进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。