一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法

本发明涉及泵类技术设计领域，具体涉及一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法。

背景技术：

1、圆盘泵是一种用于特殊介质输送的离心式泵类。在运行过程中，主要通过两侧圆盘高速旋转产生的边界层以及流体内部分子间的粘性来牵引输送流体。如图1所示，叶轮主要由前盖板、后盖板、叶片和连接柱组合而成。叶片安装于两侧盖板之上，主要用于增强圆盘泵对流体做功的能力。连接柱结构主要用于连接两侧盖板，可以是螺栓形式连接，也可以采用焊接，使叶轮成为一个整体并通过轴孔与电机轴连接，利用电机驱动叶轮作为刚体旋转。

2、传统离心泵由于叶片将叶轮内部流道切割为数个小流道，因此在介质含气（气液两相流）的工况下运行时，一旦介质含气率达到临界值，气泡就会在叶片进口边附近形成大体积的气团，堵塞流道引起输送失效。与传统离心泵相比，圆盘泵由于叶片不隔断流道，具有流道宽阔、不宜被气团堵塞的特点，能够承受的含气率临界值远远高于传统离心泵，因此特别适用于输送气液两相流介质，具有显著的优势应用领域。

3、但尽管圆盘泵适用于输送气液两相流介质，但是在高含气率下依旧会发生气泡聚集、气液分离、气团堵塞等现象。

4、因此，如何在高含气率下进一步优化其内部气液两相分布，使气液混合更加均匀，提高其能输送的气液两相流最高含气率，具有进一步提升圆盘泵优势功能，巩固圆盘泵在气液两相流输送领域应用的重大意义。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法，采用本方案，在流道内气相聚集位置对叶片进行分段处理，当分段位置缺口高速扫掠过气团时，可以有效切割破坏气团聚集，减小气团体积，从而解决局部大体积气团对流道的堵塞，使气液两相介质能够更均匀地被输送出叶轮。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种分段式叶片圆盘泵叶轮，包括：

4、前盖板和后盖板，所述前盖板和后盖板的相对面上均环向均布有若干叶片；

5、每根所述叶片中部位置均留有缺口。

6、相对于现有技术中，尽管圆盘泵适用于输送气液两相流介质，但是在高含气率下依旧会发生气泡聚集、气液分离、气团堵塞等现象的问题，本发明提供了一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法，采用本方案，在流道内气相聚集位置对叶片进行分段处理，当分段位置缺口高速扫掠过气团时，可以有效切割破坏气团聚集，减小气团体积，从而解决局部大体积气团对流道的堵塞，使气液两相介质能够更均匀地被输送出叶轮。

7、具体方案中，包括常规的前盖板和后盖板，在前盖板和后盖板上均环向布置若干叶片；而从圆盘泵叶轮内流体流动情况分析，含气流体在进入叶轮后，所携带的气泡受到流体的正向拽曳力和压力梯度的负向压力（以叶轮进口到出口方向为正方向）。在高含气率条件下，液体流量减小导致流体的拽曳力减小，此时压力梯度产生的负向压力大于拽曳力，因此气泡容易在叶轮内部聚集，形成流道堵塞。通过仿真计算，发现圆盘泵内气泡聚集并形成气团堵塞主要发生在叶片吸力面中间位置。为改善这种现象，需要采取技术手段破坏该区域的气相聚集现象，解决高含气率工况下，该区域气相聚集导致的局部流动堵塞，提高圆盘泵的气液两相流输送能力，强化其优势能力。故本发明在叶片的中部位置开设缺口，形成一种分段式的叶片，从而在流道内气相聚集位置对叶片进行分段处理，当分段位置缺口高速扫掠过气团时，可以有效切割破坏气团聚集，减小气团体积，从而解决局部大体积气团对流道的堵塞，使气液两相介质能够更均匀地被输送出叶轮。

8、为实现动态调整功能，还包括驱动件；所述叶片包括位于同一线性上的内杆和外杆，所述缺口位于内杆和外杆之间；

9、所述驱动件用于分别或同时带动所述外杆与内杆位于所述缺口的端部移动，所述移动方向为自身的线性方向，以改变所述缺口的位置和大小。本方案中，叶片的分段位置可以通过驱动件进行自动化调节，其中叶片为分段式，包括位于内侧位置的内杆和位于外侧位置的外杆，内杆和外杆之间的间隙则为缺口，其中，内杆和外杆可以和盖板通过滑动连接的方式，从而改变分段缺口位置和大小，也可以将内杆和外杆设置成伸缩杆的形式，通过自身长度的伸缩改变，从而改变分段缺口位置和大小；故驱动件的作用可以是带动内杆和外杆滑动，或带动内杆和外杆伸缩。

10、作为一种改变分段缺口位置和大小的更优的实现方式，所述内杆和所述外杆均为伸缩杆；所述伸缩杆的伸缩端朝向所述缺口。

11、作为一种伸缩杆的具体结构，所述伸缩杆包括固定叶片和活动叶片，所述固定叶片将所述活动叶片一端活动套设在内，且所述活动叶片能沿所述固定叶片长度方向移动；所述驱动件设置于所述固定叶片内部，且所述驱动件的输出端用于带动所述活动叶片沿所述固定叶片长度方向移动。其中，驱动件可以采用伸缩驱动实现，也可以通过旋转驱动实现。

12、作为一种高精度调节的具体驱动方式，所述驱动件包括伺服电机、丝杆、螺母座和连杆，所述伺服电机固定于所述固定叶片内部，所述伺服电机的输出端上连接有丝杆，并用于带动所述丝杆旋转，所述丝杆沿所述固定叶片长度方向设置；所述螺母座螺纹套设于所述丝杆上；所述螺母座通过连杆和所述活动叶片一端连接；

13、所述固定叶片和活动叶片均为相适配的多边形。本方案中，伸缩驱动通过伺服电机旋转驱动实现，具体结构中，包括伺服电机，丝杆一端通过联轴器和伺服电机的输出端连接，而丝杆的另一端连接有支撑端，支撑端固定在固定叶片内部，且丝杆另一端为光滑杆段，并和支撑端转动连接，从而提高丝杆稳定性；在丝杆上螺纹套设有螺母座，螺母座再通过连杆和活动叶片一端连接，由于活动叶片和固定叶片均为多边形，故在多边形的限制下，丝杆旋转过程中螺母座和活动叶片只能做线性运动，从而控制活动叶片的伸出长度，达成动态调整活动叶片伸缩量的功能，使叶片分段位置与气团中心位置保持一致，提高对气团的破坏效果。

14、为形成动态调节的智能化控制，还包括气泡监测传感器和信号接收单元，所述气泡监测传感器设置于叶轮流道内，并用于将监测数据传输于所述信号接收单元，所述信号接收单元用于根据所述监测数据，控制所述驱动件的运行。其中，气泡监测传感器可以采用光学传感器或超声波传感器等，并可安装压力传感器，从而实时监测气团的聚集位置和体积变化；气泡监测传感器应优选设置于叶片吸力面的中间位置，如设置在活动叶片的吸力面上。

15、为提高对气团的破坏效果，所述前盖板上的若干叶片和所述后盖板上的若干叶片，在所述前盖板和后盖板相对面上的投影相互错开。本方案中，由于圆盘泵内气相聚集位置一般出现在叶片吸力面中间位置附近，圆盘泵前、后盖板上的叶片对齐安装，叶轮旋转一个周期时，前盖板、后盖板上的一组叶片同时对气团产生破坏效果。故本方案对圆盘泵前盖板、后盖板的固定连接进行改变，根据实际情况需求，可对叶轮前、后盖板进行一定角度的错位连接，使两侧盖板上的分段叶片交错，增加一个叶轮旋转周期内叶片对气团作用的次数，进一步提高对气团的破坏作用；这样，在叶轮旋转一个周期内，前、后盖板上的叶片分开对聚集的气团产生破坏，对气团的破坏效果大幅上升。当然，多个实施方式中也可以不错开。

16、为实现前盖板和后盖板之间的连接，还包括固定柱，所述固定柱两端均分别可拆卸连接于所述前盖板与所述后盖板的相对面上。其中可拆卸连接柱与前、后盖板间之间可采用但不限于螺栓等方式连接。

17、为适应上下叶片之间多个角度的调节，在所述前盖板相邻叶片之间设置有固定孔，在所述后盖板相邻叶片之间设置有若干活动孔，若干所述活动孔均和所述固定孔位于同一径向的圆周方向上；

18、所述固定柱一端和所述固定孔可拆卸连接，所述固定柱另一端和其中一个所述活动孔可拆卸连接。本方案中，通过在前盖板的相邻叶片之间设置固定孔，在后盖板的相邻叶片之间设置若干活动孔，固定柱两端均通过螺栓和固定孔以及活动孔连接进行安装，这样，在实施前、后盖板交错功能时，只需拆下后盖板上活动孔中的连接件，随后旋转前盖板，使前盖板上的固定孔与后盖板上不同的活动孔连接以此来达到前、后盖板叶片交错布置。

19、更进一步的方案，本发明还提供了一种分段式叶片圆盘泵叶轮的自动化调节方法，包括以下步骤：

20、通过设置于叶轮流道内的气泡监测传感器实时监测流道内气团的聚集位置和体积变化，并将监测数据传输至中央控制单元；

21、所述中央控制单元基于压力梯度变化分析气团的中心位置与体积；

22、当气团的体积超出阈值时，在对应该气团位置处，控制所述驱动件分别或同时带动所述外杆与内杆位于所述缺口的端部移动，使所述缺口正对该气团中心，且所述外杆和内杆朝向所述缺口的端部均位于该气团两端之间。

23、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

24、1.本发明提供的一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法，采用本方案，将原本径向长直叶片改进设计为一种分段式叶片，在流道内气相聚集位置对叶片进行分段处理，当分段位置缺口高速扫掠过气团时，可以有效切割破坏气团聚集，减小气团体积，从而解决局部大体积气团对流道的堵塞，使气液两相介质能够更均匀地被输送出叶轮。

25、2.本发明提供的一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法，采用本方案，叶片的分段位置可以通过自动化调节结构进行调节，在叶轮流道的关键位置（如叶片吸力面中间位置）安装压力传感器、气泡监测传感器（如光学传感器、超声波传感器）。实时监测气团的聚集位置和体积变化，并将数据传输至中央控制单元，通过设置的电控伸缩组件，在电机接受到中央控制器的指令后，实现叶片的动态调整。以此应对工况变化时气团径向位置改变的问题，使叶片的分段位置始终保持正对气团，达到最优的气团破碎效果。

26、3.本发明提供的一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法，采用本方案，前、后盖板的对应位置可调节。当需要进一步提高叶片分段结构对气团的破坏能力时，前、后盖板上所安装的叶片由对称安装位置变为交错布置，增加一个周期内叶片扫掠过气团的次数，进一步提高气团破坏效果。

27、4.本发明提供的一种分段式叶片圆盘泵叶轮及其自动化调节方法，采用本方案，通过上述设计，新型叶轮结构对圆盘泵流道内的气液两相分布情况具有很好的改善，不仅提高了圆盘泵高含气率工况下的扬程和效率，同时提高了对高含气率气液两相流输送能力。