CN104047891A - 一种叶轮、水泵及其水泵的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶轮、水泵及其水泵的设计方法，叶轮包括前盖板、后盖板及设置在前盖板和后盖板之间的叶片；前盖板的半径大于后盖板的半径；叶片的边缘位于后盖板边缘外部；叶轮出水口处的液体出流方向为轴向。水泵包括上述的叶轮，叶轮设置在水泵的泵体内部；泵体内与叶轮相互配合工作的压水室的压水室空腔呈轴向布置；压水室内设置有隔舌，隔舌安放角ψ₀设置在15°-25°之间；压水室的1/6部分位于叶轮后盖板正下方，压水室的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板正下方。本发明提供的叶轮、水泵及其水泵的设计方法能够将叶轮出水口处的液体出流方向由径向改为轴向，从而缩减了水泵的体积。

Description

一种叶轮、水泵及其水泵的设计方法

技术领域

本发明涉及水泵技术领域，具体涉及一种叶轮、水泵及其水泵的设计方法。

背景技术

离心式叶轮也称径流式叶轮，其水流方向沿叶轮直径方向依靠离心力甩出，起收集液体并实现动能向势能转化的压水室就必须布置于叶轮的径向，如图1所示。用该方法设计的水泵最大的缺陷在于泵体径向尺寸过大，无论如何调整断面径向和轴向尺寸比和选择断面形状，泵体径向尺寸减小都十分有限。这种设计方法的缺陷在一般的工农业及城市给排水用泵的设计上影响还不明显，因为其安装的空间余地较大，但是，对发动机冷却水泵而言，用该方法设计的水泵就显得过于肥大，对于发动机总体设计影响很大，特别是最近几年，发动机设计力求精巧的趋势十分明显，对水泵外形尺寸要求越来越小，用现有的设计方法和理念不能同时满足水泵流量、扬程参数和外形尺寸的要求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的叶轮、水泵及其水泵的设计方法能够将叶轮出水口处的液体出流方向由径向改为轴向，从而缩减了水泵的体积。

本发明的第一发明目的为提供一种叶轮，其采用的技术方案为：包括前盖板、后盖板及设置在前盖板和后盖板之间的叶片；前盖板的半径大于所述后盖板的半径；叶片的边缘位于后盖板边缘外部；叶轮出水口处的液体出流方向为轴向。

本发明的第二发明目的为提供一种水泵，其采用的技术方案为：包括叶轮，叶轮设置在水泵的泵体内部；叶轮包括前盖板、后盖板及设置在前盖板和后盖板之间的叶片；前盖板的半径大于后盖板的半径；叶片的边缘位于后盖板边缘外部；叶轮出水口处的液体出流方向为轴向；泵体内与叶轮相互配合工作的压水室的压水室空腔呈轴向布置；压水室内设置有隔舌，隔舌安放角ψ₀设置在15°-25°之间；压水室的1/6部分位于叶轮后盖板正下方，压水室的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板正下方。

本发明的第三发明目的为提供一种水泵的设计方法，其采用的技术方案包括：

（1）首先进行叶轮的设计

a、确定水泵的转速N、效率η、流量Q和扬程H；

b、根据确定的水泵的流量Q、扬程H计算水泵的比转数n_s=3.65nQ^0.5/H^0.75；

c、由比转数n_s和相似计算法确定叶轮的前盖板半径、后盖板半径和叶轮出水口宽度，其中，叶轮前盖板半径=叶轮后盖板半径+宽度A，宽度A小于等于叶轮出水口宽度a，以使叶轮出水口处的液体出流方向由径向变为轴向；

d、使叶片的边缘位于后盖板边缘外部；

（2）根据已设计的叶轮进行压水室的设计

a、根据叶轮出水口处液体轴向流出的方式，将压水室空腔的开设方向与叶轮出水口处的液体出流方向一致，即压水室空腔呈轴向设置；

b、压水室内隔舌安放角的确定

过流道中心O作与水泵出水口中心线平行的直线AB，隔舌在直线AB以中心O为原点顺时针方向取15°-25°作为隔舌安放角ψ₀；

c、设前盖板上表面的凸起的内径为D1、压水室的基圆直径为D2，使基圆直径D2=（1.01~1.05）D1；

使压水室的1/6部分位于叶轮后盖板正下方，压水室的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板正下方。

本发明的有益效果为：采用本方法设计的叶轮，使叶轮出水口处的液体出流方向由径向改为轴向，压水室腔体由原来的径向布置设计成轴向布置，从而使水泵泵体的径向宽度至少减小20%；压水室采用多个断面进行计算设计，使流道更光滑，水泵效率更高。

附图说明

图1为现有技术水泵叶轮与部分压水室配合的结构示意图；

图2为本发明的水泵的结构示意图；

图3为本发明的叶轮的结构示意图；

图4为本发明的叶轮与部分压水室配合的结构示意图；

图5为本发明的水泵一个实施例的剖视图；

图6为比转数与速度系数的关系图。

其中，1、进水管；2、吸入室；3、叶轮；31、叶片；32、后盖板；33、前盖板；4、压水室；41、压水室空腔；5、泵体；6、轴承体；7、流道；8、水泵出水口；9、隔舌。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图3，图3示出了本发明的叶轮的结构示意图；本实施例的叶轮3采用的技术方案为：包括前盖板33、后盖板32及设置在前盖板33和后盖板32之间的叶片31；前盖板33的半径大于后盖板32的半径；叶片31的边缘位于后盖板边缘外部；叶轮出水口处的液体出流方向为轴向。

采用上述技术方案后液体介质在叶片工作面的做功保持不变，同样直径的叶轮在相同转速时的流量、扬程也保持不变。

在本发明的一个实施例中，设叶轮后盖板32的半径宽度为A，叶轮3的出水口宽度为a；宽度A小于等于出水口宽度a。

参考图2，图2示出了本发明的水泵的结构示意图，本实施例的水泵的技术方案为：

包括叶轮3，叶轮3设置在水泵的泵体5内部；叶轮3包括前盖板33、后盖板32及设置在前盖板33和后盖板32之间的叶片31；前盖板33的半径大于后盖板32的半径；叶片31的边缘位于后盖板边缘外部；叶轮出水口处的液体出流方向为轴向；泵体5内与叶轮3相互配合工作的压水室4的压水室空腔41呈轴向布置。参考图5，压水室内设置有隔舌9，隔舌安放角ψ₀设置在15°-25°之间；压水室4的1/6部分位于叶轮后盖板32正下方，（参考图5，其中标注1/6段示出了压水室位于叶轮后盖板32正下方的部分）压水室4的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板32正下方。

其中，水泵的进水管1、吸入室2、泵体5、轴承体6的结构及设计方法与现有技术的相同，只是其尺寸等比例的缩小了；参考图1，进水管1、吸入室2和压水室4通过螺栓依次装配在一起，轴承体6安装在压水室4远离压水室空腔4的一侧；叶轮3安装在压水室4的压水室空腔41与吸入室2之间，且叶轮3固定在穿过轴承体6和压水室4中心的轴承上。

在本发明的一个实施例中，设水泵的叶轮前盖板33上表面的凸起的内径为D1、压水室的基圆直径为D2，基圆直径D2=（1.01~1.05）D1，参考图4，在基圆的边缘处无径向流道。

在本发明的一个实施例中，优选压水室4从隔舌9的尖端起，压水室4的1/6部分位于叶轮后盖板32正下方，压水室4的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板32正下方。

在本发明的一个实施例中，泵体5的压水室4在整个圆周上可以等分成n个断面，最后一个断面面积F_Ψn=（360－ψ₀）Q/（360v），其余断面面积F_Ψx=Ψn/（360－ψ₀）* F_Ψn；每个截面处流道7径向B=（100F_Ψn×0.618/0.85）^0.5、每个截面处流道7轴向L=B/0.618、每个截面处流道圆角R=0.85B；

其中，Q为水泵设计流量，v为断面平均流速，x≤n-1。

下面以压水室4在整个圆周上等分成36个断面为例，第36个断面面积F_Ψ36=（360－ψ₀）Q/（360v），其余断面面积F_Ψn=Ψn/（360－ψ₀）* F_Ψ36；每个截面处流道径向B=（100F_Ψn×0.618/0.85）^0.5、每个截面处流道轴向L=B/0.618、每个截面处流道圆角R=0.85B；其中，n≤35。

在本发明的一个实施例中，断面平均流速v可以采用公式v=k (2gH)^0.5进行计算，其中，k为速度系数（k的选取可以参考图6中的表格中的参数进行选取），g为重力加速度，H为水泵设计扬程。

由于隔舌安放角的大小直接影响着隔舌的长度，随着隔舌安放角的增加隔舌9长度减小，隔舌处圆角半径增大，而影响隔舌9处的流场分布，为此，在本发明的一个实施例中，隔舌安放角ψ₀设置为20°。

在设计时，水泵采用以下的设计思路进行设计：

（1）首先进行叶轮的设计

a、确定水泵的转速N、效率η、流量Q和扬程H；

b、根据确定的水泵的流量Q、扬程H计算水泵的比转数n_s=3.65nQ^0.5/H^0.75；

c、由比转数n_s和相似计算法（参考现代泵技术手册）确定叶轮的前盖板半径、后盖板半径和叶轮出水口宽度，其中，叶轮前盖板半径=叶轮后盖板半径+宽度A，宽度A小于等于叶轮出水口宽度a，以使叶轮出水口处的液体出流方向由径向变为轴向； 

d、使叶片31的边缘位于后盖板边缘外部。

（2）根据以设计的叶轮3进行压水室4的设计：

a、根据叶轮出水口处液体轴向流出的方式，将压水室空腔41的开设方向与叶轮出水口处的液体出流方向一致，即压水室空腔41呈轴向设置；

b、压水室内隔舌安放角的确定

过流道中心O作与水泵出水口8中心线平行的直线AB，隔舌在直线AB以中心O为原点顺时针方向取15°-25°作为隔舌安放角ψ₀；

c、设前盖板上表面的凸起的内径为D1、压水室的基圆直径为D2，使基圆直径D2=（1.01~1.05）D1；

使压水室的1/6部分位于叶轮后盖板正下方，压水室的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板正下方。

d、泵体流道的确定：

将泵体的压水室4在整个圆周上等分成n个断面，用速度系数法确定各个断面面积F_Ψ，即最后一个断面面积F_Ψn=（360－ψ₀）Q/（360v），其余断面面积F_Ψx=Ψn/（360－ψ₀）* F_Ψn；每个截面处流道径向B=（100F_Ψn×0.618/0.85）^0.5，每个截面处流道轴向L=B/0.618，每个截面处流道圆角R=0.85B；

其中Q为水泵设计流量，v为断面平均流速，x≤n-1。

采用本发明的设计方法，水泵泵体的径向宽度至少可以减小20%，压水室设计采用多个断面进行计算，使流道更光滑，水泵效率更高。

Claims (10)

1.一种叶轮，包括前盖板、后盖板及设置在前盖板和后盖板之间的叶片；其特征在于：所述前盖板的半径大于所述后盖板的半径；所述叶片的边缘位于后盖板边缘外部；叶轮出水口处的液体出流方向为轴向。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：设所述后盖板的半径宽度为A，叶轮的出水口宽度为a；所述宽度A小于等于出水口宽度a。

3.一种包括权利要求1所述叶轮的水泵，其特征在于：所述叶轮设置在水泵的泵体内部；所述泵体内与叶轮相互配合工作的压水室的压水室空腔呈轴向布置；所述压水室内设置有隔舌，隔舌安放角ψ₀设置在15°-25°之间；压水室的1/6部分位于叶轮后盖板正下方，压水室的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板正下方。

4.根据权利要求3所述的水泵，其特征在于：设所述前盖板上表面的凸起的内径为D1、所述压水室的基圆直径为D2；所述基圆直径D2=（1.01~1.05）D1。

5.根据权利要求3或4所述的水泵，其特征在于：将压水室在整个圆周上等分成n个断面，最后一个断面面积F_Ψn=（360－ψ₀）Q/（360v），其余断面面积F_Ψx=Ψn/（360－ψ₀）* F_Ψn；每个截面处流道径向B=（100F_Ψn×0.618/0.85）^0.5、每个截面处流道轴向L=B/0.618、每个截面处流道圆角R=0.85B；

其中，其中Q为水泵设计流量，v为断面平均流速，x≤n-1。

6.根据权利要求5所述的水泵，其特征在于：将所述压水室在整个圆周上等分成36个断面，第36个断面面积F_Ψ36=（360－ψ₀）Q/（360v），其余断面面积F_Ψn=Ψn/（360－ψ₀）* F_Ψ36；每个截面处流道径向B=（100F_Ψn×0.618/0.85）^0.5，每个截面处流道轴向L=B/0.618，每个截面处流道圆角R=0.85B；其中，n≤35。

7.根据权利要求5所述的水泵，其特征在于：所述隔舌安放角ψ₀设置为20°。

8.一种水泵的设计方法，其特征在于，包括：

（1）进行叶轮的设计

a、确定水泵的转速N、效率η、流量Q和扬程H；

b、根据确定的水泵的流量Q、扬程H计算水泵的比转数n_s=3.65nQ^0.5/H^0.75；

c、由比转数n_s和相似计算法确定叶轮的前盖板半径、后盖板半径和叶轮出水口宽度，其中，叶轮前盖板半径=叶轮后盖板半径+宽度A，宽度A小于等于叶轮出水口宽度a，以使叶轮出水口处的液体出流方向由径向变为轴向；

d、使叶片的边缘位于后盖板边缘外部；

（2）根据已设计的叶轮进行压水室设计

a、根据叶轮出水口处液体轴向流出的方式，将压水室空腔的开设方向与叶轮出水口处的液体出流方向一致，即压水室空腔呈轴向设置；

b、压水室内隔舌安放角的确定

过流道中心O作与水泵出水口中心线平行的直线AB，隔舌在直线AB以中心O为原点顺时针方向取15°-25°作为隔舌安放角ψ₀；

c、设前盖板上表面的凸起的内径为D1、压水室的基圆直径为D2，使基圆直径D2=（1.01~1.05）D1；

使压水室的1/6部分位于叶轮后盖板正下方，压水室的其余部分按螺旋线逐步超出后盖板正下方。

9.根据权利要求8所述的水泵的设计方法，其特征在于，还包括泵体流道的确定：

将压水室在整个圆周上等分成n个断面，用速度系数法确定各个断面面积F_Ψ，最后一个断面面积F_Ψn=（360－ψ₀）Q/（360v），其余断面面积F_Ψx=Ψn/（360－ψ₀）* F_Ψn；每个截面处流道径向B=（100F_Ψn×0.618/0.85）^0.5，每个截面处流道轴向L=B/0.618，每个截面处流道圆角R=0.85B；

其中，Q为水泵设计流量，v为断面平均流速，x≤n-1。

10.根据权利要求8或9所述的水泵的设计方法，其特征在于，所述隔舌安放角ψ₀设置为20°。