一种控制涡流改善性能的轴流泵

本发明涉及机械领域，具体是一种控制涡流改善性能的轴流泵。

背景技术：

轴流泵靠旋转叶轮的叶片对液体产生的作用力使液体沿轴线方向输送的泵，有立式、卧式、斜式及贯流式数种，广泛应用于农业灌溉、排涝、城市排水以及水力输送等环境中。

在中心转轴高速转动的工况下，流体被叶片从下方入口运输至上方出口。叶片的水力特性很大程度上决定了轴流泵的工作效率。传统的轴流泵叶片在流体通过时，叶片表面会出现大量涡区、边界层的分离、云空化等复杂不稳定流动，从而导致叶片升阻特性较差，工作效率不够高，无法满足当前工业的需求。且轴流泵实际工况下中心转轴在高速转动，而通过轴流泵的流体均匀性往往较差，分布不够均匀，因此长时间在这种状态下运行时，易形成空蚀，破坏轴流泵叶片壁面，诱发振动噪音，严重影响其性能，因此亟待解决。

技术实现要素：

为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种控制涡流改善性能的轴流泵，降低了叶片表面的涡区面积，使分离点更靠近叶片尾缘，提高了叶片的升力系数，提高了轴流泵的工作效率，同时使通过轴流泵的流体分布更加均匀，防止轴流泵内空蚀现象的产生，降低了其工作噪声，提高了轴流泵性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种控制涡流改善性能的轴流泵，包括泵体以及布置在泵体内的驱动轴，驱动轴上沿流体流动方向依次布置有叶片，其特征在于，所述叶片为翼型叶片，叶片内沿展长方向开设有由吸力面凹入叶片内的主动射流腔，主动射流腔位于吸力面上的开口即为射流出口，所述主动射流腔沿展长方向布置有贯穿叶片其中一侧翼端的射流入口，射流入口与主动射流源相连通；所述主动射流腔内凸设有位于射流入口以及射流出口之间的用于延长流体流动路径的整流梢，沿流体流向，主动射流腔内的过流面积逐渐减小。

作为本发明进一步的方案：所述泵体的进水口沿流体来流方向呈外扩式构造，进水口处设置有与驱动轴同轴的环状分流板，分流板的内腔为内进水流道，分流板与泵体壳壁围合形成的环形腔为呈喇叭口状的外进水流道；所述外进水流道内沿径向布置有将外进水流道分流的整流翼；沿流体流向，内进水流道和外进水流道过流面积逐渐减小。

作为本发明再进一步的方案：所述射流入口开设在叶片与驱动轴相连的翼端上，所述主动射流源为开设在驱动轴内的主动射流通道，主动射流通道一端延伸至泵体外并引入流体源，另一端与射流入口相连。

作为本发明再进一步的方案：所述主动射流腔内沿叶片展长方向设置有位于流体流动路径上并隔断路径的整流段，整流段上开设有供流体通过的整流孔，沿远离射流入口方向，各相邻整流孔的间距逐渐变大。

作为本发明再进一步的方案：所述整流段为整流管，整流管与射流入口形状吻合，沿射流入口插入预压缩腔中并固定。

作为本发明再进一步的方案：以叶片的弦长为l，整流管与叶片前沿的距离为0.3l，射流出口高度为0.002l～0.008l，射流出口与叶片前沿的距离为0.2l～0.4l。

作为本发明再进一步的方案：所述主动射流腔为曲面腔体，截面呈勾玉状；所述整流孔的孔总面积小于射流入口面积。

作为本发明再进一步的方案：所述整流梢自叶片的吸力面沿叶片来流方向延伸至主动射流腔中；所述整流梢将主动射流腔分隔成沿流体流动方向依次布置的预压缩腔、过渡压缩腔以及射流压缩腔，整流梢端部与主动射流腔之间的间隙即为过渡压缩腔，所述预压缩腔与射流入口相连通，射流压缩腔的射流出口朝向与吸力面表面的流体流向相同。

作为本发明再进一步的方案：所述射流压缩腔内设置有流道分隔板，将射流压缩腔沿展长方向分隔成至少两条流道。

作为本发明再进一步的方案：所述主动射流腔由依次相连的第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面以及第七曲面构成，其中第一曲面以及第七曲面之间的间隙即为射流出口；

所述第一曲面的截面曲线为三次曲线，

其中：-7≤a≤-6；6≤b≤7；-2≤c≤-1；0≤d≤1；

所述第二曲面的截面曲线为三次曲线，

其中：-920≤e≤-900；1200≤f≤1220；-530≤g≤-520；75≤h≤80；

所述第三曲面的截面曲线为三次曲线，

其中：-45≤i≤-40；-45≤j≤-40；-15≤k≤-20；-2≤l≤-1；

所述第四曲面的截面曲线为三次曲线，

其中：-155≤m≤-145；140≤n≤145；-50≤o≤-40；4≤p≤5；

所述第五曲面的截面曲线为三次曲线，

其中：20≤q≤25；-25≤r≤-20；8≤s≤10；-2≤t≤-1；

其中边界条件：

x1＝3.10y1＝0.75

x5＝2.65y5＝0.29

x1＝x2＝2.36y1＝y2＝0.53

x2＝x3＝2.17y2＝y3＝0.19

x3＝x4＝2.99y3＝y4＝-0.45

x4＝x5＝3.58y4＝y5＝0

所述第六曲面的截面曲线为圆弧曲线，以叶片的弦长为l，第六曲面的圆弧曲线半径为0.007l；

所述第七曲面的截面曲线为三次曲线，沿流体流向，第七曲面与第一曲面之间射流出口的过流面积以1.2倍线性减小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明创造性的在轴流泵的翼型叶片表面开设主动射流腔对叶片表面进行能量补偿以提高叶片的升力系数；同时主动射流腔内凸设整流梢使其横亘在射流入口和射流出口之间，使流体从射流入口到射流出口的直线流动轨迹，变为绕整流梢而行的弧线型流动轨迹，在有限的主动射流腔空间内人为了延长了流体的流动距离，同时经整流梢的分隔，沿流体流向主动射流腔的过流面积逐渐减小，在主动射流源向主动射流腔中射入一定速度的流体后，流体在腔体内受持续的压缩，提高了流体射出后速度的均匀性；由于在有限空间内流体的流距得到延长，故而流动时间亦得到延长，在主动射流腔内得到了充分的压缩扩散时间，使流体离开射流出口后在轴流泵泵体内分布更加均匀，减小了射流出口上游的涡区面积，且使得射流出口下游的涡区下移，抑制了叶片吸力面流动分离的能力，使得分离点更靠近叶片的尾缘，相较于于普通主动射流结构具有更大的负压区域，防止空蚀现象的产生，显著提高了叶片的升力系数，提高了轴流泵的性能，提高了轴流泵的工作效率，降低了轴流泵的工作噪音，延长了轴流泵叶片的使用寿命。

2、本发明的整流段以及其表面整流孔的设置，均匀补偿了叶片吸力面的流线，使其分布均匀，进一步提高了叶片的升力系数，对吸力面进行了能量补偿。

3、本发明通过分流板的设置，将进水口分隔成内进水流道和外进水流道，且沿流体流向，在进水口的外扩式设计以及外进水流道喇叭口状设计的配合下，沿流体流向，内进水流道和外进水流道的过流面积均逐渐减小，对进入轴流泵的流体进行了预压缩，使其流速更快；且由于外进水流道沿轴向位置与叶片对应，在整流翼将外进水流道分隔成多条流道后，通过外进水流道的流体可均匀流向叶片，提高了叶片来流的均匀性。

4、本发明的整流梢自叶片吸力面延伸至主动射流腔中，将主动射流腔人为的分隔成用于进流的预压缩腔，用于出流的射流压缩腔以及在其中间起过渡作用的过渡压缩腔；由于整流梢的分隔以及整流梢和腔壁的配合，使得沿流体流向，流体经过每个腔体都被持续不断的压缩，最后均匀扩散射出。

5、本发明将与射流入口尺寸吻合的整流管插入主动射流腔中，在流体进入主动射流腔前就对流体进行了排布与压缩，使得流体进入主动射流腔中后分布均匀，防止后续绕流现象的产生；且通过将整流孔的总面积设计为小于射流入口面积，在流体进入主动射流腔前就能被预先压缩，使其流动均匀。

6、本发明通过在射流压缩腔处内设置流道分隔板，将射流出口分隔成多条流道，提高了流体射出的均匀性，且由于流道分隔板本身就具有厚度，起到了压缩流道过流面积的作用，在流体射出的过程中对其持续压缩。

7、本发明通过对主动射流腔进行具体化的参数化设置，使参数达到最优化，更加便于加工。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明叶片沿弦长方向的剖视图。

图3为本发明叶片的三维示意图。

图4为本发明剖去叶片一侧翼端后的三维示意图。

图5为主动射流腔的剖视图。

图6为插入整流管后的主动射流腔的剖视图。

图7为整流管的结构示意图。

图8为整流管的剖视图。

图9为本发明叶片的俯视图。

图10为无主动射流结构的叶片吸力面涡流分布图。

图11为具有普通主动射流结构的叶片吸力面涡流分布图。

图12为具有本发明主动射流结构的叶片吸力面涡流分布图。

图13为具有本发明主动射流结构且主动射流结构中插有整流管的叶片吸力面涡流分布图。

图14为具有普通主动射流结构的叶片流线仿真图。

图15为具有本发明主动射流结构的叶片流线仿真示意图。

图16为具有本发明主动射流结构且主动射流结构中插有整流管的叶片流线仿真示意图。

图中：1、泵体；2、驱动轴；3、导叶；4、导叶轮毂；5、主动射流通道；6、进水口；7、整流翼；8、分流板；9、叶片轮毂；10、叶片；101、吸力面；20、主动射流腔；201、流道分隔板；202、整流梢；203、整流管；2031、射流孔；2041、第一曲面；2042、第二曲面；2043、第三曲面；2044、第四曲面；2045、第五曲面；2046、第六曲面；2047、第七曲面；u、预压缩腔；v、过渡压缩腔；w、射流压缩腔。

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。

请参阅图1～16，本发明实施例中，一种控制涡流改善性能的轴流泵，包括泵体1以及布置在泵体1内的驱动轴，本发明的泵体1为立式轴流泵，驱动轴2上沿流体流动方向依次布置有叶片10以及导叶3。驱动轴2上设置有导叶轮毂4以及叶片轮毂9从而将叶片10以及导叶3固定。

泵体1底部为进水口6，进水口6沿泵体1内来流方向呈外扩式构造，进水口6处固定有环状的分流板8，分流板8与驱动轴2同轴，从而将进水口6分隔为内进水流道和外进水流道。其中内进水流道即为分流板8的内腔，外进水流道即为分流板8板体和泵体1壳壁之间围合形成的环形腔体，外进水流道与叶片10位于同一轴线上。

整流板8通过整流翼7固定在进水口6处，整流翼7沿径向均匀布置，其一端固定在泵体1的内壳壁上，另一端固定在整流板上。整流翼7为翼型结构，其弦长方向与泵体1轴向同向，整流翼7将外进水流道分隔成多条流道。

本发明的叶片10为翼型叶片，例如为naca0015翼型。

以叶片10的弦长为l，叶片10展长为0.8l，叶片10内沿展长方向开设有由吸力面101凹入叶片10内的主动射流腔20。主动射流腔20沿叶片展长方向的长度亦为0.8l，叶片两侧的翼端存在薄壁将主动射流腔20两端封闭，薄壁的厚度忽略不计。

本发明中的流体分为两部分，一部分为主动射流源注入主动射流腔中的主动射流，另一部分为经叶片表面流过的流体；本发明中所述的流体，除明确表明流体为叶片表面来流外，本发明中的流体均代指主动射流源射入主动射流腔中的主动射流。

主动射流腔20为圆滑曲面；吸力面101沿叶片来流方向延伸至主动射流腔20中形成弧状的整流梢202，整流梢202延伸至主动射流腔20中后使主动射流腔20呈勾玉状。

由于整流梢202的分隔，流体在主动射流腔20中的流动路径由直线型变为弧线型，流动路径得以延长，且整流梢202的存在，使得主动射流腔20的过流面积沿流体流向逐渐减小。

主动射流腔20位于叶片10吸力面101上的开口即为射流出口。

整流梢202伸入主动射流腔20中后，将主动射流腔20分隔成沿流体流动方向依次布置的预压缩腔u、过渡压缩腔v以及射流压缩腔w，整流梢202与主动射流腔20之间的间隙即为过渡压缩腔v，射流压缩腔w为主动射流腔20的末段，与吸力面101相连，流体最后从射流压缩腔w的射流出口射出。

叶片10其中一侧翼端在封闭主动射流腔20的薄壁上设置有开口，且开口与预压缩腔u连通，该开口即为射流入口，射流入口与主动射流源相连通，主动射流源从射流入口处向主动射流腔20内提供一定射速的主动射流，以叶片吸力面的来流速度为v1，主动射流源的射流速度为v2，0.3v2≤v1≤1.5v2。

射流入口优选为开设在叶片10与驱动轴2相连的翼端上；本发明中的主动射流源为开设在驱动轴2内的主动射流通道5，主动射流通道5一端与射流入口相连，另一端延伸至泵体外，与流体源相连，以引入一定流速的主动射流。

射流入口形状不限，优选为圆形射流入口；射流入口中插入与其形状吻合的整流管203，使整流管203远离射流入口的端部与主动射流腔20的腔壁抵接后，以任意方式将整流管203固定即可，例如焊接或铆接等。整流管203的管身上开设有射流孔2031，射流孔2031沿整流管203长度方向间隔布置，沿远离射流入口方向，各相邻射流孔2031的间距逐渐变大。由于整流管203位于流体的流动路径上，流体进入射流入口后必须通过整流管203上的射流孔2031才能进入预压缩腔u中。

为使结构最优化，以叶片10弦长l为参照，整流管203的轴线与叶片前沿的距离保持在0.3l，射流出口高度保持在0.002l～0.008l，射流出口与叶片前沿的距离保持在0.2l～0.4l。

但整流管203并非唯一的选择，通过从射流入口中插入一块整流板并将其固定，使其横亘与预压缩腔u和过渡压缩腔v之间，并在其板身上间隔开设整流孔，保持沿远离射流入口方向，各相邻整流孔间的间距逐渐变大，可起到与整流管203相同的功能。

为保证对流体的压缩功能，整流管203或是整流板上的孔总面积均小于射流入口面积；整流管203或是整流板厚度为0.01l，其表面孔径为0.0125l。

为进一步提高射流压缩腔w的压缩和整流性能，射流压缩腔w中设置有流道分隔板201将射流压缩腔w分隔成多条流道。以叶片10的弦长为l，射流出口沿叶片10展长的宽度则为0.8l，此时流道分隔板201优选为设置两块，每块宽度为0.1l，从而将射流压缩腔w的射流出口均匀分隔呈三条0.2l的流道。

主动射流腔20具体由依次相连的第一曲面2041、第二曲面2042、第三曲面2043、第四曲面2044、第五曲面2045、第六曲面2046以及第七曲面2047构成，第一曲面2041与第七曲面2047之间的间隙即为射流压缩腔w的射流出口，以下对各曲面具体说明。

沿叶片10的弦长方向剖开主动射流腔20，第一曲面2041的截面曲线为三次曲线，

-7≤a≤-6；6≤b≤7；-2≤c≤-1；0≤d≤1；

所述第二曲面2042的截面曲线为三次曲线，

-920≤e≤-900；1200≤f≤1220；-530≤g≤-520；75≤h≤80；

所述第三曲面2043的截面曲线为三次曲线，

-45≤i≤-40；-45≤j≤-40；-15≤k≤-20；-2≤l≤-1；

所述第四曲面2044的截面曲线为三次曲线，

-155≤m≤-145；140≤n≤145；-50≤o≤-40；4≤p≤5；

所述第五曲面2045的截面曲线为三次曲线，

20≤q≤25；-25≤r≤-20；8≤s≤10；-2≤t≤-1；

其中边界条件：

x1＝3.10y1＝0.75

x5＝2.65y5＝0.29

x1＝x2＝2.36y1＝y2＝0.53

x2＝x3＝2.17y2＝y3＝0.19

x3＝x4＝2.99y3＝y4＝-0.45

x4＝x5＝3.58y4＝y5＝0

所述第六曲面2046的截面曲线为圆弧曲线，以叶片10的弦长为l，第六曲面的圆弧曲线半径为0.007l，这里的圆弧为半圆弧。

所述第七曲面2047的截面曲线为三次曲线，沿流体流向，第七曲面2047与第一曲面2041之间射流出口的过流面积以1.2倍线性减小。沿流体流向，射流出口单个流道末端的过流面积s1为0.04mm²-0.16mm²，单个流道初始端的流通面积为s2为2.5s1-4s1。

由于过流面积按线性关系得以确定，且第一曲面2041也已知，故而第七曲面2047的截面曲线可根据第一曲面2041的截面曲线求得。

图10-13为叶片吸力面的涡流分布图；

如图10所示，普通叶片的吸力面存在大量涡区。

如图11所示，具有普通主动射流结构的叶片，叶片吸力面的涡区减小，但叶片吸力面的射流出口处还是存在大量涡区。

再如图12所示，具有本发明主动射流结构的叶片，相较于普通射流结构，叶片吸力面射流出口上游处的涡区被打散，面积明显减小，且射流出口处的涡区面积亦明显减小，且射流出口下游的涡区整体下移，也就代表分离点下移，射流明显抑制了叶片吸力面流动分离的能力，使得分离点更靠近叶片的尾缘，相较于于普通主动射流结构具有更大的负压区域，显著提高了叶片的升力系数。

再如图13所示，具有本发明主动射流结构的叶片中，在主动射流腔中还插入了整流管，在整流管的帮助下，使得射流出口下游的涡区下移幅度更大，且射流出口上游处涡区面积减小的幅度更大，整体升力系数提高更大。

图14-16则为叶片表面的流线仿真图；

如图14所示，普通主动射流结构叶片的吸力面，射流堆积在远离射流入口处，从远离射流入口处绕流，靠近射流入口处的吸力面仅有少量流体对叶片吸力面进行能量补偿，这是由于流体无法在主动射流结构中充分扩散导致的。

如图15所示，具有本发明的主动射流结构的叶片，吸力面的流线沿叶片展长方向分布均匀，且涡流得到了有效的抑制，射流明显抑制了叶片吸力面流动分离的能力，使得分离点更靠近叶片吸力面下游的尾缘，提高了升力系数。

如图16所示，在具有本发明的主动射流结构的叶片中，插入整流管后，进一步消除了射流出口下游处的部分涡区，使叶片的升力系数进一步提高。

分别对普通叶片、包含普通射流结构的叶片及包含本发明射流结构的叶片、本发明射流结构中插有整流管的叶片，按8°攻角、10m/s来流速度、5m/s主动射流源射流速度进行数值仿真试验，四种方案的升阻系数结果如下表所示：

可以发现普通主动射流结构在大幅降低了阻力系数的同时，略微提高了升力系数，而将原有普通的主动射流结构替换为本发明的主动射流结构后，阻力系数基本维持不变的同时，叶片的升力系数大幅度提高，有效的补偿叶片吸力面的能量损失。再在本发明的主动射流结构中插入整流管后，升力系数再次得到了提高，且阻力系数维持稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。