CN112145409A - 一种泵入口翼板非均匀来流抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泵入口翼板非均匀来流抑制装置，属于流体系统领域，具体提供了双翼板抑制装置和单翼板抑制装置两个方案。其中双翼板抑制装置为椭球形结构，内部设有椭球形腔室，腔室设有入口端和出口端，腔室内设有呈镜像布置的翼板，翼板为弧形结构，且厚度由入口端向出口端递增，两块翼板的镜像轴距离中心轴有一定偏移量；单翼板抑制装置腔室内仅设有一块翼板，翼板偏至设置，其他与双翼板抑制装置相同。本发明抑制装置使用时设置在泵进水口前端，管道中流速不均的水流流经抑制装置后，高速区与低速区水流流速差将被缩小，使得水流流速平稳，有利于泵运行的效率及稳定性。

Description

一种泵入口翼板非均匀来流抑制装置

技术领域

本发明属于流体系统领域，具体为一种泵入口处非均匀来流抑制装置。

背景技术

泵是应用广泛的机械装置，凡输送液体，几乎都要用到泵，特别是在工业生产领域。由于泵所处的工作环境、回路结构等因素，泵入口来流会出现非均匀的情况，例如核电站设备中，因下腔室的特殊结构，使得核主泵的来流为流速分布不均的非均匀来流。非均匀来流对泵运行的效率以及运行的稳定性都有不利影响，因此需要研制出一种能够抑制非均匀来流，使得流速平稳的抑制装置。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种泵入口翼板非均匀来流抑制装置，削减泵入口非均匀来流，使流速平稳。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种泵入口翼板非均匀来流抑制装置，包括椭球形腔室，腔室设有入口端和出口端，腔室内固定有高速区翼板；

所述高速区翼板板厚由入口端向出口端递增，高速区翼板上下两板面均为弧面，且两弧面凹凸方向与高速区翼板所在腔室内壁凹凸方向一致；

腔室内还设有一根偏心轴，偏心轴是一条虚拟轴线，偏心轴与腔室的中心轴平行，且间距为δ。

进一步地，所述高速区翼板截面轮廓由入口端圆弧、出口端圆弧、外轮廓曲线和内轮廓曲线封闭而成，外轮廓曲线和内轮廓曲线分别与入口端圆弧和出口端圆弧相切。

进一步地，所述高速区翼板截面形状确定过程为：截面轮廓中间的骨线为半径是R、弧长是Ln的圆弧，骨线由入口端圆弧圆心P0至出口端圆弧圆心Pn连接而成；骨线上任一点Px距离外轮廓曲线和内轮廓曲线的法线长度均为Rx，Px距离P0的弧长为Lx，则Rx＝R0+a*Lx，a＝(Rn-R0)/Ln，且0.025D＜R0＜0.030D，0.130D＜Rn＜0.140D，D为管路内径。

进一步地，所述偏心轴与中心轴的间距δ满足0.07D＜δ＜0.08D。

进一步地，所述高速区翼板的安装位置确定过程为：

所述骨线中点Pm距离偏心轴长度为Hm，点Pm距离入口端和出口端长度相等；且骨线的弧长Ln及半径R满足，Ln＝πR(β0+βn)/180°，R＝(Hn-H0)/(cosβn-cosβ0)；其中β0为P0沿骨线切线与偏心轴所成的入射角，βn为Pn沿骨线切线与偏心轴所成的出射角，H0为P0距离偏心轴的长度，Hn为Pn距离偏心轴的长度，且15°＜β0＜25°、22°＜βn＜27°。

进一步地，所述Hm、H0、Hn的取值满足Hm＝0、-0.13D＜H0＜-0.09D、-0.18D＜Hn＜-0.12D。

上述方案中，所述Hm、H0、Hn的取值还可以是满足0.55D＜Hm＜0.65D、0.46D＜H0＜0.56D，0.4D＜Hn＜0.5D。

进一步地，还包括低速区翼板(14)，低速区翼板(14)上下两板面均为弧面，且两弧面凹凸方向与低速区翼板(14)所在腔室(10)内壁凹凸方向一致。

进一步地，所述低速区翼板(14)与高速区翼板(13)相对偏心轴(16)呈镜像设置，高速区翼板(13)位于更贴近腔室(10)内壁的一侧。

使用时，将本发明抑制装置安装于泵入口前端，且抑制装置腔室入口端朝向水流来向，出口端朝向泵。调整抑制装置的安装角度，使双翼板抑制装置腔室内高速区翼板处于管道内水流流速较高的一侧，低速区翼板处于管道内水流流速较低的一侧；或者使单翼板抑制装置腔室内高速区翼板偏至于管道内水流流速较高的一侧。

本发明的有益效果为：

(1)通过在泵入口前端安装本发明抑制装置，可有效缩小管道内较高流速的水流与较低流速的水流之间的流速差，从而达到抑制非均匀来流的目的，最终使得泵工作效率与工作平稳性提升。

(2)本发明抑制装置仅由腔体和双翼板或单翼板构成，以简单的结构达到抑制非均匀来流的效果，占用空间小，适用面广。

(3)翼板的形状及安装位置直接决定了非均匀来流的抑制效果，但是抑制效果与水流机械能损耗成反比关系，例如翼板越厚，抑制效果越强，但对于流体机械能的损耗也随之加剧，反而增大了泵工作负担。本发明提供了双翼板抑制装置和单翼板抑制装置两个方案，其中双翼板抑制装置，设定高速区翼板形状及安装位置的参数为：0.025D＜R0＜0.030D，0.130D＜Rn＜0.140D，0.46D＜H0＜0.56D，0.4D＜Hn＜0.5D，0.55D＜Hm＜0.65D，15°＜β0＜25°，22°＜βn＜27°；单翼板抑制装置，设定高速区翼板形状及安装位置的参数为：0.025D＜R0＜0.030D，0.130D＜Rn＜0.140D，-0.13D＜H0＜-0.09D，-0.18D＜Hn＜-0.12D，Hm＝0，15°＜β0＜25°，22°＜βn＜27°，给出了较为均衡的翼板形状及安装位置的取值，在保证取得较好的非均匀来流的抑制效果的同时，避免水流机械能损耗过大。

附图说明

图1为本发明双翼板抑制装置使用状态图；

图2为本发明双翼板抑制装置结构图；

图3为本发明高速区翼板截面轮廓图；

图4为本发明双翼板抑制装置轴截面图；

图5为本发明骨线弧长与偏心轴相对关系示图；

图6为本发明双翼板抑制装置的骨线半径与偏心轴相对关系示图；

图7为本发明单翼板抑制装置使用状态图；

图8为本发明单翼板抑制装置结构图；

图9为本发明单翼板抑制装置的骨线半径与偏心轴相对关系示图；

图10(a)为未设置抑制装置时泵入口管道内来流流速分布图，(b)为经双翼板抑制装置抑制后泵入口管道内来流流速分布图，(c)为经单翼板抑制装置抑制后泵入口管道内来流流速分布图；

附图标记：1.抑制装置、10.腔室、11.入口端、12.出口端、13.高速区翼板、14.低速区翼板、15.中心轴、16.偏心轴、130.骨线、131.入口端圆弧、132.出口端圆弧、133外轮廓曲线、134.内轮廓曲线、2.泵、3.下腔室。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图2所示，本实施例的双翼板抑制装置为椭球形结构，内部设有椭球形腔室10，腔室10设有入口端11和出口端12；所述腔室10内部设有高速区翼板13和低速区翼板14，高速区翼板13与低速区翼板14呈镜像设置，高速区翼板13相对于低速区翼板14更贴近腔室10内壁，高速区翼板13两侧和低速区翼板14两侧均通过焊接固定在腔室10内壁上，高速区翼板13外侧弧面和低速区翼板14外侧弧面与腔室10内壁弧面相同；

如图4所示的抑制装置轴线截面，偏心轴16与中心轴15平行，距离为δ；高速区翼板13截面与低速区翼板14截面以偏心轴16呈镜像关系；距离δ满足：0.07D＜δ＜0.08D，D为管路内径。

高速区翼板13截面形状由如下方式确定：

如图3所示，高速区翼板13截面轮廓由入口端圆弧131、出口端圆弧132、外轮廓曲线133、内轮廓曲线134封闭而成，外轮廓曲线133和内轮廓曲线134分别与入口端圆弧131和出口端圆弧132相切，轮廓中间的骨线130由入口端圆弧131圆心P0至出口端圆弧132圆心Pn连接而成，所述骨线130是半径为R，弧长为Ln的圆弧；入口端圆弧131半径为R0，出口端圆弧132半径为Rn，骨线130上任一点Px距离P0的弧长为Lx，则点Px距离外轮廓曲线133和内轮廓曲线134的法线长度均为Rx，且：

Rx＝R0+a*Lx (1)

上述R0满足0.025D＜R0＜0.030D，Rn满足0.130D＜Rn＜0.140D，a为常数；

且根据(1)得到：

Rn＝R0+a*Ln (2)

进而推导出：

a＝(Rn-R0)/Ln (3)

由此设定R0、Rn、R、Ln的取值，即可确定高速区翼板13截面形状。

高速区翼板13安装位置由如下参数确定：

如图4所示，高速区翼板13截面的骨线130中点Pm距离偏心轴16长度为Hm，Hm满足0.55D＜Hm＜0.65D；点Pm距离入口端11和出口端12长度相等；点P0位于入口端11一侧，且P0沿骨线130切线与偏心轴16所形成的入射角β0满足15°＜β0＜25°；点Pn位于出口端12一侧，且Pn沿骨线130切线与偏心轴16所成出射角βn满足22°＜βn＜27°。

如图5所示，过骨线130弧长Ln圆心作偏心轴16的平行线，则弧长Ln及其圆心角α、半径R与β0、βn存在如下关系：

αn＝90°-βn (4)

α0＝90°-β0 (5)

α＝180°-αn-α0 (6)

将(4)和(5)带入(6)得到：

α＝β0+βn (7)

根据弧长公式Ln＝R*π*α/180°得到：

Ln＝πR(β0+βn)/180° (8)

如图6所示，与图5一样，过骨线130圆弧的圆心作偏心轴16的平行线，设所述平行线与偏心轴的距离为x，且点Pn距偏心轴16的长度为Hn，Hn满足0.4D＜Hn＜0.5D，点P0距偏心轴16的长度为H0，H0满足0.46D＜H0＜0.56D；则Pn距所述平行线的长度为Hn+x，P0距所述平行线的长度为H0+x；骨线130圆弧的半径R与Hn、H0、βn、β0存在如下关系：

Hn+x＝R*sin(90°-βn) (9)

H0+x＝R*sin(90°-β0) (10)

通过(9)和(10)可求出：

R＝(Hn-H0)/(cosβn-cosβ0) (11)

综上，高速区翼板13形状及安装位置由参数R0、Rn、H0、Hn、Hm、β0、βn确定，其中0.025D＜R0＜0.030D，0.130D＜Rn＜0.140D，0.46D＜H0＜0.56D，0.4D＜Hn＜0.5D，0.55D＜Hm＜0.65D，15°＜β0＜25°，22°＜βn＜27°。

本发明抑制装置使用时安装于泵2进水口前端。

如图1所示示例，左侧为泵2，右侧为核电站下腔室3，下腔室3中的水通过水管由泵2抽出，因下腔室3的特殊结构，造成图示水管上层水流流速高于下层水流，即水管上层为水流高速区，下层为水流低速区；实施例1的双翼板抑制装置设置于泵2与下腔室3之间，抑制装置的入口端11与出口端12内径等于管路内经D，且入口端11通过管道与下腔室3出水口连通，出口端12通过管道与泵2进水口连通，高速区翼板13设置在水流高速区，低速区翼板14设置在水流低速区。

实施例2

在实施例1的基础上，取消低速区翼板14，即本实施例中的抑制装置为单翼板；高速区翼板13安装位置调整如下：

如图8所示，高速区翼板13截面的骨线130中点Pm与偏心轴16重合，即Hm＝0；其他参数不变。

如图9所示，与图5一样，过骨线130圆弧的圆心作偏心轴16的平行线，设所述平行线与偏心轴的距离为x，且点Pn距偏心轴16的长度为Hn，Hn满足0.12D＜Hn＜0.18D，点P0距偏心轴16的长度为H0，H0满足0.09D＜H0＜0.13D；则Pn距所述平行线的长度为x-Hn，P0距所述平行线的长度为x-H0；骨线130圆弧的半径R与Hn、H0、βn、β0存在如下关系：

x-Hn＝R*sin(90°-βn) (12)

x-H0＝R*sin(90°-β0) (13)

通过(12)和(13)可求出：

R＝(H0-Hn)/(cosβn-cosβ0) (14)

设H0和Hn可取负值，且图6所示H0和Hn位于偏心轴16上方时，取值为正；图9所示H0和Hn位于偏心轴16下方时，取值为负；则(14)可修改成(11)，即：

R＝(Hn-H0)/(cosβn-cosβ0) (11)

其中，-0.13D＜H0＜-0.09D、-0.18D＜Hn＜-0.12D；

实力例2高速区翼板13形状与实施例1相同，偏心轴16位置与实施例1相同。

综上，高速区翼板13形状及安装位置由参数R0、Rn、H0、Hn、Hm、β0、βn确定，其中0.025D＜R0＜0.030D，0.130D＜Rn＜0.140D，-0.13D＜H0＜-0.09D，-0.18D＜Hn＜-0.12D，Hm＝0，15°＜β0＜25°，22°＜βn＜27°。

实施例2抑制装置外壳及内部腔室与实施例1相同。

如图7所示示例，实施例2的抑制装置使用时安装位置与实施例1相同，即抑制装置设置在泵2与下腔室3之间，抑制装置入口端11通过管道与下腔室3出水口连通，抑制装置出口端12通过管道与泵2进水口连通；高速区翼板13偏至于水流高速区一侧。

通过ANSYS CFX仿真软件模拟实施例1与实施例2抑制装置的抑制效果，图10(a)所示为未设置抑制装置时泵进水口管道内来流流速分布情况，图10(b)所示为经实施例1双翼板抑制装置抑制后泵进水口管道内来流流速分布情况，图10(c)所示为经实施例2单翼板抑制装置抑制后泵进水口管道内来流流速分布情况。图中颜色越深表示流速越低，通过对比图10(a)、图10(b)和图10(c)，可得出：

(1)图10(a)上方淡色区颜色在图10(b)以及图10(c)中均加深，说明管道中水流经抑制装置抑制后，原本高速区水流流速放缓，缩小了管道上层区域与下层区域水流流速差，本发明起到了非均匀来流的抑制效果。

(2)图10(b)以及图10(c)中除上方原本高速区外，其他区域颜色没有明显加深，说明本发明未对管道中水流整体流速产生较大的削减，即本发明对于水流机械能损耗作用较小。

(3)图10(b)与图10(c)相比，上方区域，图10(b)颜色更深，渐变更明显，并且图10(b)深浅渐变轮廓更规整，图10(c)深浅渐变轮廓较为杂乱，说明实施例1双翼板抑制装置抑制效果好于实施例2单翼板抑制装置；但是图10(b)整体圆形区域的颜色比图10(c)更深，说明双翼板抑制装置对水流机械能损耗作用高于单翼板抑制装置。

综上，经仿真软件验证，本发明抑制装置可有效降低管道中高流速区与低流速区的水流流速差，从而达到抑制非均匀来流的效果，使流入泵的水流平稳，并且在起到抑制效果的同时，未对水流机械能造成明显损耗，提升了泵运行效率及稳定性；本发明同时提供了双翼板抑制装置和单翼板抑制装置两个技术方案，双翼板抑制装置抑制效果强于单翼板抑制装置，但对水流机械能的损耗也高于单翼板抑制装置。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：包括椭球形腔室(10)，腔室(10)设有入口端(11)和出口端(12)，腔室(10)内固定有高速区翼板(13)；

所述高速区翼板(13)板厚由入口端(11)向出口端(12)递增，高速区翼板(13)上下两板面均为弧面，且两弧面凹凸方向与高速区翼板(13)所在腔室(10)内壁凹凸方向一致；

腔室(10)内还设有一根偏心轴(16)，偏心轴(16)是一条虚拟轴线，偏心轴(16)与腔室(10)的中心轴(15)平行，且间距为δ。

2.根据权利要求1所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：所述高速区翼板(13)截面轮廓由入口端圆弧(131)、出口端圆弧(132)、外轮廓曲线(133)和内轮廓曲线(134)封闭而成，外轮廓曲线(133)和内轮廓曲线(134)分别与入口端圆弧(131)和出口端圆弧(132)相切。

3.根据权利要求2所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：所述高速区翼板(13)截面形状确定过程为：截面轮廓中间的骨线(130)为半径是R、弧长是Ln的圆弧，骨线(130)由入口端圆弧(131)圆心P0至出口端圆弧(132)圆心Pn连接而成；骨线(130)上任一点Px距离外轮廓曲线(133)和内轮廓曲线(134)的法线长度均为Rx，Px距离P0的弧长为Lx，则Rx＝R0+a*Lx，a＝(Rn-R0)/Ln，且0.025D＜R0＜0.030D，0.130D＜Rn＜0.140D，D为管路内径。

4.根据权利要求3所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：所述偏心轴(16)与中心轴(15)的间距δ满足0.07D＜δ＜0.08D。

5.根据权利要求4所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：所述高速区翼板(13)的安装位置确定过程为：

所述骨线(130)中点Pm距离偏心轴(16)长度为Hm，点Pm距离入口端(11)和出口端(12)长度相等；且骨线(130)的弧长Ln及半径R满足，Ln＝πR(β0+βn)/180°，R＝(Hn-H0)/(cosβn-cosβ0)；其中β0为P0沿骨线(130)切线与偏心轴(16)所成的入射角，βn为Pn沿骨线(130)切线与偏心轴(16)所成的出射角，H0为P0距离偏心轴(16)的长度，Hn为Pn距离偏心轴(16)的长度，且15°＜β0＜25°、22°＜βn＜27°。

6.根据权利要求5所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：所述Hm、H0、Hn的取值满足Hm＝0、-0.13D＜H0＜-0.09D、-0.18D＜Hn＜-0.12D。

7.根据权利要求5所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：所述Hm、H0、Hn的取值满足0.55D＜Hm＜0.65D、0.46D＜H0＜0.56D，0.4D＜Hn＜0.5D。

8.根据权利要求1-5或7任一项所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：还包括低速区翼板(14)，低速区翼板(14)上下两板面均为弧面，且两弧面凹凸方向与低速区翼板(14)所在腔室(10)内壁凹凸方向一致。

9.根据权利要求8所述的泵入口翼板非均匀来流抑制装置，其特征在于：所述低速区翼板(14)与高速区翼板(13)相对偏心轴(16)呈镜像设置，高速区翼板(13)位于更贴近腔室(10)内壁的一侧。

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