一種提高離心泵噪聲音質的葉輪及其設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高離心泵噪聲音質的葉輪優化設計方法，屬于泵【技術領域】。通常泵的葉輪葉片為等間距分布，且葉片出口邊處于同一軸面上，其導致葉片與隔舌間強烈動靜干涉，從而產生較大的噪聲能量，且噪聲能量在單一葉片通過頻率下聚集，使得噪聲頻譜變化急劇，形成音質較差的噪聲。本發明的特征在于通過轉子自動平衡理論優化設計葉輪葉片間距，從而產生多個通過頻率，使得單一葉片通過頻率上集聚的噪聲能量減少，相應聲壓峰值也減小，減少的噪聲能量則分散到其余通過頻率上，這樣可改善噪聲頻譜的平穩性，進一步修改葉片出口方式，使葉片出口邊不在同一軸面上，從而一定程度上減弱了葉片與隔舌間的干涉作用，即削弱了噪聲能量，使整體噪聲幅值減小。本發明的葉輪設計方法在一定程度上提高了離心泵噪聲的音質，具有一定的推廣價值。
【專利說明】一種提高離心泵噪聲音質的葉輪及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于離心泵設計方法領域，具體涉及一種提高離心泵噪聲音質的葉輪優化設計方法。
【背景技術】
[0002]作為一種被廣泛應用的通用機械，離心泵在國民經濟的各個部門都起著非常重要的作用。但是離心泵的運行往往會產生較大的振動噪聲，其不僅影響生產的安全性和離心泵的使用壽命，還會對周圍工作人員的身心健康產生很大影響。離心泵的噪聲主要分為機械振動產生的噪聲和流體激勵產生的噪聲，其中流體噪聲產生機理較為復雜，且對離心泵整體噪聲貢獻量很大。流體噪聲的主要影響因素是葉片與隔舌間的動靜干涉，這使得離心泵噪聲能量主要聚集在轉子葉頻及其諧頻上，從而形成急劇變化的噪聲頻譜。噪聲音質的好壞可以通過頻譜表現出來，噪聲頻譜越平穩，幅值越小，音質相對越好，而對于噪聲受葉片單一通過頻率影響很大的離心泵而言，有必要對其提出一種提高噪聲音質的優化設計方法。
[0003]經檢索，目前尚無與本發明相關的專利公布，僅有部分文獻單純的提出了減小離心泵噪聲值大小的方法。《船用離心泵減振降噪分析》(流體機械，2011年第9期)提出了將泵體蝸殼改成雙蝸殼來達到減少噪聲的效果，但其沒有考慮噪聲頻譜平穩分布問題，且由于雙蝸殼是雙層流道，鑄造困難，對于小流量小尺寸的離心泵則不宜采用雙蝸殼。《離心泵內部流動誘導噪聲數值研究及聲優化》(江蘇大學碩士論文，2011年)提出了通過切割葉輪外徑來降低流體噪聲的效果，但其往往是以犧牲泵的水力性能為代價，且簡單的切割葉輪并沒有改變葉片分布情況，更不會影響通過頻率，不能起到改善噪聲音質的作用。
【發明內容】
[0004]為解決上述技術問題，本發明提供一種提高離心泵噪聲音質的葉輪機器設計方法:包括至少z個葉片，所述葉片之間的角度滿足以下公式:
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i I icos?, ι
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[0008]式中，ζ為葉輪的個數，且ζ彡4 ;
[0009]cim為第m個葉片與第一個葉片之間的順時針方向的角間距，且I彡m彡z-3。
[0010]進一步的,所述葉片包括邊緣點A和下邊緣點B,所述上邊緣點A位于出口邊軸面上，所述下邊緣點B點所在的軸面與進口邊軸面的夾角為所皮P滿足:
[0011]
_n , 2π
(p，= (D ?《ZJX^ o
遍Z
[0012]進一步的，所述葉輪的個數為6個。
[0013]進一步的，所述《選用115°。
[0014]一種提高離心泵噪聲音質的葉輪的設計方法，其特征在于:
[0015](I)對于一個葉片數為z的葉輪，以其中一個葉片位置作為參考，使可優化調制間距的葉片數減少為z-Ι。
[0016](2)采用自動平衡理論對轉子葉片間距布置進行約束，約束方程為:
[0017]^cosaw = Oj ^sinaa =0
?j—lI
[0018]式中Ctni為第m個葉片與第一個葉片之間的順時針方向的角間距，其中第一個葉片為參考葉片，Ci1 = 0°，由于兩個方程可以確定兩個未知數，通過平衡約束，將間距可調制葉片數減少為z-3。
[0019](3)分配α2...αζ_2角度。由于葉片間距越小，對葉片強度要求越高，且鑄造難度更大，所以在確定葉片角間距時采用以下條件進行約束:
[0020]\am￥l-αΜ|>0,7χ—
ζ
[0021](4)利用最后兩個葉片角間距α ζ1和α ζ來保證轉子的平衡，即將平衡約束方程中含有α ζ1和α ζ的項單獨提到等號的另一邊:
-......*5-1
[0022]cos 炫“ + cos a2 = cos am ; sin + sin a: = sin am
m=im~i
[0023]釆用三角形法則可將上式變換為:
[0024]2 C0S( -^rl) cos( —^li) = —^cosa爾；Γ1-1..ta:1 + Gf7、 ΜΨ — Ci χ, yrp.2^sjn αι}；
[0026]兩式相除即可得到:
? 2
n Σ_?,:.
[0027]tan( ^-) = fj-
Zcose*
m~\
[0028]經過運算得到:
廣r 2 \
?Zsin f/?
r ι Z?\, I
Γ ΛΛ Λ Λ HΛ IΛ| *>* ~~t
L UU I￡l*l I^hLJLJL I
1- ~
Lcosa-
V郵IJ
[0030]通過確定的α 2...α ζ_2,代入上式即可求得一1■，再反代到上面三角形法則變換式中即可求出:
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-...?
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(χ — (χ^aaai
[0031]——— = arccos -?~......?!￡Ξ*-—
2f f =-2 \\
-Σ?ηα?
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Zcos
VVV 勝1JJJ
(J[ -f- (J[ff 一 ff
[0032]由^Γ^和兩個值即可進一步確定α ^和α z:
Γ πα?t+az OL--OL1
[0033]! = —[ — -=-:-L ；
// +fj ^/y
r-,…W "丨 rt4V ,t4V-1
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I 丨‘ I I
\ ―、、?:? / J
[0038]進一步的,還包括對葉片本身的改進:葉片包括上邊緣點A和下邊緣點B,過A點的軸面為軸面Α，過B點的軸面為軸面B，軸面A與進口邊軸面間夾角為爭ι，軸面B與進口邊軸面夾角為朽,和Ψι可通過測量得到，保持%不變，通過改變於來控制葉片出口方式，從而形成一個不在同一軸面上的葉片出口邊，其中於過大會增大葉片摩擦面積，奶過小會
I ψτ
降低葉片做功能力及流體穩定性，ω合理范圍為(1.5?2)χ
[0039]本發明的有益效果是:(1)通過轉子自動平衡理論優化設計葉輪葉片間距，使葉片轉過蝸殼隔舌處并相互干涉作用從而產生多個通過頻率，使得單一葉片通過頻率上集聚的噪聲能量減少，相應聲壓峰值也減小，減少的噪聲能量則分散到其余通過頻率上，這樣可改善噪聲頻譜的平穩性
[0040](2)進一步修改葉片出口方式，使葉片出口邊不在同一軸面上，從而在一定程度上減弱了葉片與隔舌間的干涉作用，即削弱了噪聲能量，使整體噪聲幅值減小。本發明的葉輪優化設計方法在一定程度上提高了離心泵噪聲的音質。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1為原葉輪示意圖
[0042]圖2為本發明葉片示意圖
[0043]圖3為本發明實施例優化葉片間距及葉片出口后的6葉片離心泵葉輪
[0044]圖4為本發明葉輪與原葉輪噪聲對比試驗頻譜圖具體實施例
[0045]下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。
[0046]圖1為原葉輪示意圖，實施例采用此葉輪進行詳述。
[0047](I)測量原葉輪獲得葉片數為6，將其中的一個葉片I位置作為參考，即I葉片位置固定不變，使可優化調制間距的葉片數減少為5片。
[0048](2)采用自動平衡理論對轉子葉片間距布置進行約束，約束方程為:
6 6
[0049]^cosaw = O, ^sin am = O
rn—lm—\
[0050]式中Ctni為第m個葉片與第一個葉片之間的順時針方向角間距，其中第一個葉片為參考葉片，CI1 = 0°，由于兩個方程可以確定兩個未知數，通過平衡方程約束，將間距可調制葉片數減少為3。
[0051](3)分配α 2、α 3、α 4角度，由于葉片間距越小，對葉片強度要求越高，且鑄造難度更大，所以在確定葉片角間距時采用以下條件進行約束:
r ι ,, ， 2π
[0052]\amH-am\>{).lx——
Z
[0053]即本實施例中要求I a m+1- a m I彡42°。利用此約束條件分配α 2、α 3、α 4角度，本例取α2 = 45°，Ct3= 120° ,Q4= 165° ,并利用最后兩個葉片角間距α 5和α 6來保證轉子的平衡，即將平衡約束方程中含有和Ci6的項單獨提到等號的另一邊:
44
[0054]COSOf5 + COSO6 =-工COSOm ；SlIlOf5 + SlllOf6 = - Vslll
?1=1Λ?—I
[0055]采用三角形法則可將上式變換為:
[0056]2cos(^-1^)cos() =-^cosaw ；
[0057]2 sin(^^)cos(^^) = ^siii ^
■2A*
[0058]兩式相除即可得到:
4
[0059]tanfe 每 ％ = ψ-
jL4V
Lcosa*
m-?
[0060]通過確定的α ρ α 2、α 3、α 4,代入上式求得:
[0061]
? ^sinaill j
^.......1.gi=arotanl ^- =262.5°
2亡
Lcm
\ w—IJ
Qf + CL
[0062]將再反代到上面三角形法則變換式中即可求出:
[0063]
/ \
4
~~? cosam
/y — ff
^............5..= arccos..........................7.....................,-=22,5°
2(.X]
Lsma^
2 cos ai'ctan..................................1 Zcosa-
\ \ 、m=t ///
[0064]由^和兩個值即可進一步確定α 5和α 6:
￡Z
[0065]
a, +a, a, - a, _
a.=」——U——-=240° ；
' 2 2
[0066]
a......“5+0% ,.......Λο5ο
6 — 2 2
[0067]最終所有葉片角間距都已確定，也即獲得了一個改善離心泵噪聲頻譜平穩性的葉片布置方式。
[0068](4)如圖1所示，原葉片出口邊在同一軸面上，通過測量得到出口邊軸面與葉片進口邊軸面夾角爐=100°。本實施例中，保證葉輪基本參數不變,設葉片出口邊與前蓋板交點為點A,葉片出口邊與后蓋板交點為點B,過A點的軸面為軸面A,過B點的軸面為軸面B，軸面A與進口邊軸面間夾角為Λ，軸面B與進口邊軸面夾角為9?，Ψ\和Ψ!可通過測量得到，Ψχ =100°保持不變，通過改變ft來控制葉片出口方式，其中Λ過大會增大葉片摩擦面積，m過小會降低葉片做功能力及流體穩定性，灼合理范圍為(?.5~2)χ&，即(90。?
Ψ2Z
120° )，本例中選用朽= 115%修改后的葉片如圖2所示。基于此葉片出口邊，并采用優化調制的葉片布置方式，即可獲得一個提高離心泵噪聲音質的葉輪形式，新的葉輪如圖3所
/Jn ο
[0069](5)對原葉輪和利用本發明方法生成的葉輪進行噪聲對比試驗。試驗時監測噪聲的麥克風布置在距葉輪中心1.5m位置處，兩種葉輪試驗監測的噪聲頻譜如圖4所示，通過對比發現，本發明優化的葉輪產生的噪聲幅值整體低于原葉輪產生的噪聲值，原葉頻及諧頻處聲壓級值降幅明顯，最小降幅也達9dB左右；原葉輪噪聲頻譜變化急劇，而優化葉輪在原葉片通過頻率及其諧頻附近又產生了新的葉片通過頻率及諧頻，這在一定程度上改善了噪聲頻譜的平穩性。本發明從噪聲幅值及噪聲頻譜平穩性兩方面改善了離心泵噪聲音質，具有工程實用價值。
[0070]所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種提高離心泵噪聲音質的葉輪，其特征在于，包括Z個葉片，所述葉片之間的角間距滿足以下公式:
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' m !'*! 2cos| arctan I| | |
*?I V、i f t
； [ j 2-cos,/? j |) 式中，Z為葉片的個數，z ^ 4 ； a m為第m個葉片與第一個葉片之間的順時針方向的角間距，且I彡m彡z_3。
2.根據權利要求1所述的一種提高離心泵噪聲音質的葉輪，其特征在于，所述葉片包括邊緣點A和下邊緣點B,所述上邊緣點A位于出口邊軸面上,所述下邊緣點B點所在的軸面與進口邊軸面的夾角為％?所述滿足:
灼=(1,5?2)χ￥,-Z
3.根據權利要求1所述的一種提高離心泵噪聲音質的葉輪，其特征在于，所述葉輪的個數為6個。
4.根據權利要求3所述的一種提高離心泵噪聲音質的葉輪，其特征在于，所述9?選用115。。
5.一種提高離心泵噪聲音質的葉輪的設計方法，其特征在于: (1)對于一個葉片數為z的葉輪，以其中一個葉片位置作為參考，使可優化調制間距的葉片數減少為z-1。 (2)采用自動平衡理論對轉子葉片間距布置進行約束，約束方程為:
^cosam = O， ^sinarn = O W-Lm=l 式中Ct m為第m個葉片與第一個葉片之間的順時針方向的角間距，其中第一個葉片為參考葉片，Ci1 = 0°，由于兩個方程可以確定兩個未知數，通過平衡約束，將間距可調制葉片數減少為z-3。 (3)分配α2...αζ_2角度。由于葉片間距越小，對葉片強度要求越高，且鑄造難度更大，所以在確定葉片角間距時采用以下條件進行約束:
Kn1-?.1 ^ 0-7 X —
Z (4)利用最后兩個葉片角間距ay和Ciz來保證轉子的平衡，即將平衡約束方程中含有a η和a z的項單獨提到等號的另一邊:
-? - 2 COSflU +Cose2 = —Xcosam ; Sina2^ +Sina2 = —^sina81
w—I?1—1 采用三角形法則可將上式變換為:
2 cos(g^-—— ) cos(^——^±) = S cos am % 2 2.?
2Sin(—^-^)cos(—^...................￡-L) = - 2^sm am
2i 兩式相除即可得到:
二 2
α +α Σ?ηα?
2
Lcosa-
m=i 經過運算得到: 2￥
I Lcosar-1
ζχ + 通過確定的α2...αζ_2，代入上式即可求得再反代到上面三角形法則變換式中即可求出: ?:1 ? —α-Σ麵* 、 A-1 —____ *-***.- — — ai 1 - p^ ~r^~ Of(:...2 AuIIiC~~* ,
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2 cos 丨 arctan ?=?..................................V\ V w=i JJJ
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6.根據權利要求5所述的一種提高離心泵噪聲音質的葉輪的設計方法，其特征在于:還包括對葉片本身的改進:葉片包括上邊緣點A和下邊緣點B,過A點的軸面為軸面A,過B點的軸面為軸面B，軸面A與進口邊軸面間夾角為Λ，軸面B與進口邊軸面夾角為.,的和Λ可通過測量得到，保持,不變，通過改變ft來控制葉片出口方式，從而形成一個不在同一軸面上的葉片出口邊，$合理范圍為(1.5? 2)χ^, ‘Z
【文檔編號】F04D29/22GK104154047SQ201410367327
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】劉厚林, 黃浩欽, 王勇, 蔣玲林 申請人:江蘇大學