本發明涉及一種葉輪、切割方法及其應用。

背景技術：

泵在運轉時，轉子上作用著軸向力。如果不采取措施來平衡軸向力，此軸向力會拉動轉子軸向串動，使動靜部件發生碰撞、摩擦，造成軸承損壞及相應零部件損壞，甚至斷軸而不能工作，嚴重影響泵的正常運行，造成的損壞或斷軸，需及時維修更換，增加了維修成本。

傳統平衡軸向力采用的措施有平衡孔、雙吸式葉輪、葉輪對稱布置、背葉片、平衡鼓、平衡盤等。采用平衡孔的措施時，必須在葉輪后蓋板上設密封環，常用于單級泵；采用雙吸式葉輪或葉輪對稱布置的措施時，只能用在特定結構的泵上；采用背葉片、平衡鼓、平衡盤等措施時，都是另外增加的裝置，增加了成本，使泵結構復雜，且故障率高。

要平衡軸向力，軸向力的準確計算至關重要。傳統軸向力計算大多采用經驗公式法和試驗法，軸向力經驗公式多種多樣，不同公式計算出來的軸向力大小不一樣甚至相差很大，而用試驗方法獲得最佳結構參數又將耗費大量時間精力。

技術實現要素：

本發明的目的在于解決現有技術存在的上述問題而提供一種葉輪、切割方法及其應用，通過對葉輪后蓋板進行特殊切割，使葉輪應用于泵、泵處于工作狀態時，能大為減少葉輪上產生的軸向力，避免增加零部件等措施平衡軸向力，減少額外成本的投入，也避免結構復雜，減輕產品重量，即減少了維修率，也減少了維修更換成本，還提高了泵的有效工作效率；此外，在不改變葉輪原有水力設計、不增加新裝置的基礎上，降低軸向力，提高產品壽命和運行可靠性，并提高泵的揚程。

本發明的上述技術目的主要是通過以下技術方案解決的：一種葉輪，包括前蓋板、后蓋板和設于前蓋板和后蓋板之間的復數片葉片，每片所述葉片的兩側分別與所述前蓋板和后蓋板形成連接，其特征在于所述后蓋板上設于若干切割缺口，每個所述切割缺口分別位于相鄰的兩片所述葉片之間，每個所述切割缺口都為三角形，所述三角形的兩邊為曲線邊、另一邊為直線邊，所述葉片i的背面與后端蓋外圓的交點為a點，位于所述葉片i彎曲方向的、相鄰的所述葉片ii的工作面與后端蓋外圓的交點為b點，所述的一曲線邊為a點與b點之間的圓弧段ab，所述a點到所述葉片ii工作面的垂線為aa′，所述另一曲線邊的一端點為c點，所述a點與c點的連線與所述垂線aa′之間的夾角為θ。

通過對葉輪后蓋板進行特殊切割，使葉輪應用于泵、泵處于工作狀態時，能大為減少葉輪上產生的軸向力，避免增加零部件等措施平衡軸向力，減少額外成本的投入，也避免結構復雜，即減少了維修率，也減少了維修更換成本，還提高了泵的有效工作效率。

在葉輪的后蓋板上切掉曲邊三角形形狀的切割缺口，通過三維建模，采用ansys-icem軟件劃分網格，將劃分好的網格模型導入ansys-cfx軟件進行數值模擬，得到不同切割量（即夾角θ取值不同角度）時，在不同流量下，建立流量-揚程曲線圖、流量-軸向力曲線圖；通過分析揚程曲線和軸向力曲線，綜合考慮，選取揚程較高、軸向力較低的切割量。本技術方案是在不改變葉輪原有水力設計，不增加新裝置的基礎上，降低軸向力，提高產品壽命和運行可靠性，并提高泵的揚程，節省材料，減輕產品重量。

作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發明采用如下技術措施：所述連線ac位于所述垂線aa′右側時，所述的夾角θ為負值，反之，所述連線ac位于所述垂線aa′左側時，所述的夾角θ為正值，所述夾角θ的取值區間為：-20°~20°。在不同取值前提下，通過分析揚程曲線和軸向力曲線，綜合考慮，選取揚程較高、軸向力較低的切割量。

常規的取值情況為：所述夾角θ值為-20°、-10°、0、10°、20°。常規的取值

一種葉輪的后蓋板切割方法，用于切割所述后蓋板上的切割缺口，每個所述切割缺口都為三角形，所述三角形的兩邊為曲線邊、另一邊為直線邊，其特征在于所述的步驟包括：

確定曲線邊ab：選取相鄰的葉片i和葉片ii，分別確定a點和b點：所述葉片i的背面與后端蓋外圓的交點為a點，位于所述葉片i彎曲方向的、相鄰的所述葉片ii的工作面與后端蓋外圓的交點為b點，所述圓弧段ab即為曲線邊ab；

確定基準垂線aa′：所述a點到所述葉片ii工作面的垂線即為基準垂線aa′；

確定c點：所述c點位于所述葉片ii背面上，所述bc為另一曲線邊，所述直線ac即為直線邊，所述直線ac與所述垂線aa′之間的夾角為θ；

切割缺口abc；

重復上述步驟，依次切割各個所述切割缺口。

在不增加其它裝置的條件下，通過切割葉輪后蓋板，運用cfd技術計算出最佳方案，該方法設計簡單，計算方便準確，不僅能降低軸向力，提高產品壽命和運行可靠性，還能提高揚程，減輕葉輪重量，節省材料。

計算流體力學（computationalfluiddynamics，cfd）技術被廣泛應用于泵的性能預測，cfd技術已成為計算軸向力大小和變化趨勢的最有效研究手段之一。

確定所述夾角θ的取值范圍：所述夾角θ的取值區間為：-20°~20°，所述連線ac位于所述垂線aa′右側時，所述的夾角θ為負值，反之，所述連線ac位于所述垂線aa′左側時，所述的夾角θ為正值；

所述夾角θ值為-20°、-10°、0、10°、20°。

對葉輪進行三維建模，根據不同θ角，形成不同的葉輪模型，所述的葉輪模型為完成對后蓋板進行切割后的葉輪模型，對葉輪模型中的流體區域，用ansys-icem軟件劃分網格，導入ansys-cfx軟件進行數值模擬；

對模擬的數值結果進行后處理，作出流量-揚程曲線，流量-軸向力曲線；選取θ角最佳值的方案，用于切割缺口。

一種臥式多級離心泵，其特征在所述葉輪為權利要求1所述的葉輪。

本發明具有的有益效果：1、通過對葉輪后蓋板進行特殊形狀的切割，使葉輪應用于泵、且泵處于工作狀態時，能大為減少葉輪上產生的軸向力，避免增加零部件等措施平衡軸向力，減少額外成本的投入，也避免結構復雜，減輕泵重量，即減少了泵的維修率，也減少了維修更換成本，還提高了泵的有效工作效率。2、在不改變葉輪原有水力設計、不增加新裝置的基礎上，降低作用于葉輪的軸向力，提高葉輪及周邊部件的壽命，提高泵的運行可靠性，并提高泵的揚程。3、通過三維建模的方式，對夾角θ進行不同大小的取值，通過ansys-icem軟件劃分網格，導入ansys-cfx軟件進行數值模擬，并采用cfd技術計算出夾角θ的最佳取值，使切割缺口為最佳切割區域，最終使葉輪工作時作用于葉輪的軸向力最小。4、切割方法步驟簡潔，易于操作，且通過三維建模和數值模擬計算，能夠精確最佳的切割缺口區域，提高了加工精度。

附圖說明

圖1是本發明的一種結構示意圖。

圖2是本發明涉及的葉輪未切割狀態的結構示意圖。

圖3是本發明中后蓋板不同切割角的流量-揚程曲線示意圖。

圖4是圖3中的局部結構示意圖。

圖5是本發明中后蓋板不同切割角的流量-軸向力曲線示意圖。

圖6是本發明中后蓋板切割前、切割角θ=10°時的流量-揚程、流量-軸向力曲線示意圖。

圖7為本發明中葉輪切割方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例：一種葉輪，如圖1所示，包括前蓋板1、后蓋板2和設于前蓋板和后蓋板之間的復數片葉片3，每片所述葉片的兩側分別與所述前蓋板和后蓋板形成連接。如2所示，所述后蓋板上設于若干切割缺口4，每個所述切割缺口分別位于相鄰的兩片所述葉片之間（所述切割缺口形成于葉片i和葉片ii所形成的流道上），每個所述切割缺口都為三角形，所述三角形的兩邊為曲線邊、另一邊為直線邊，所述葉片i的背面與后端蓋外圓的交點為a點，位于所述葉片i彎曲方向的、相鄰的所述葉片ii的工作面與后端蓋外圓的交點為b點，所述的一曲線邊為a點與b點之間的圓弧段ab，所述a點到所述葉片ii工作面的垂線為aa′，所述另一曲線邊的一端點為c點，所述a點與c點的連線與所述垂線aa′之間的夾角為θ。

在葉輪后蓋板上切掉不同的曲邊三角形形狀（即對夾角θ不同取值）的切割缺口，對切割缺口（或流體區域）通過三維建模，采用ansys-icem軟件劃分網格，將劃分好的網格模型導入ansys-cfx軟件進行數值模擬，得到不同切割量時，不同流量下的流量-揚程、流量-軸向力曲線；通過分析揚程曲線和軸向力曲線，綜合考慮，選取揚程較高、軸向力較低的切割量。本技術方案是在不改變葉輪原有水力設計，不增加新裝置的基礎上，降低軸向力，提高產品壽命和運行可靠性，并提高泵的揚程，節省材料，減輕產品重量。

揚程升高的原因分析：如圖3所示，夾角θ不同取值情況下，分別切割后蓋板，切割后葉輪的揚程都比較接近，說明切割角對揚程影響不大，但都高于不切割后蓋板時的揚程，說明切割后蓋板可以提高揚程。如圖4所示，揚程升高最主要的原因是：切割完后蓋板，葉片寬度增加（增加了后蓋板的厚度a，切割之后，葉片寬度為后蓋板的厚度a+葉片寬度b），葉片作功能力增強，所以揚程增加；因為增加的厚度為蓋板厚度，所以葉片出口寬度越小，蓋板厚度相對葉片出口寬度的比值就越大，對揚程增加的效果就越明顯。

所述連線ac位于所述垂線aa′右側時，所述的夾角θ為負值，反之，所述連線ac位于所述垂線aa′左側時，所述的夾角θ為正值，所述夾角θ的取值區間為：-20°~20°。

所述夾角θ值為-20°、-10°、0、10°、20°。

軸向力減小的原因分析：如圖5所示，切割量為最小的200時，軸向力方向由負變正，絕對值減小，隨著切割量增加，軸向力方向由正變負，絕對值先減小后增大，切割量為-200時，軸向力絕對值甚至大于不切割后蓋板時的軸向力，說明切割量存在一個最佳值，本產品葉輪最佳切割量為100，大小接近于0。軸向力減小的原因是切割之后，后蓋板面積減小，而作用在前蓋板上的力幾乎必變，所以總軸向力也減小，但切割量繼續增加，會引起后蓋板附近的壓力增大，導致軸向力反而增大。

如圖6所示，以切割角θ=10°為例，通過流量-揚程、流量-軸向力曲線顯示，明顯比不切割時，葉輪的揚程得到提升的同時，同時大為減少了軸向力。

如圖7所示，一種葉輪的后蓋板切割方法，用于切割所述后蓋板上的切割缺口，每個所述切割缺口都為三角形，所述三角形的兩邊為曲線邊、另一邊為直線邊，其特征在于所述的步驟包括：

確定曲線邊ab：選取相鄰的葉片i和葉片ii，分別確定a點和b點：所述葉片i的背面與后端蓋外圓的交點為a點，位于所述葉片i彎曲方向的、相鄰的所述葉片ii的工作面與后端蓋外圓的交點為b點，所述圓弧段ab即為曲線邊ab；

確定基準垂線aa′：所述a點到所述葉片ii工作面的垂線即為基準垂線aa′；

確定c點：所述c點位于所述葉片ii背面上，所述bc為另一曲線邊，所述直線ac即為直線邊，所述直線ac與所述垂線aa′之間的夾角為θ；

切割缺口abc；

重復上述步驟，依次切割各個所述切割缺口。

在不增加其它裝置的條件下，通過切割葉輪后蓋板，運用cfd技術計算出夾角θ的最佳取值。該方法設計簡單，計算方便準確，不僅能降低軸向力，提高產品壽命和運行可靠性，還能提高揚程，減輕葉輪重量，節省材料。

計算流體力學（computationalfluiddynamics，cfd）技術被廣泛應用于泵的性能預測，cfd技術已成為計算軸向力大小和變化趨勢的最有效研究手段之一。

確定所述夾角θ的取值范圍：所述夾角θ的取值區間為：-20°~20°，所述連線ac位于所述垂線aa′右側時，所述的夾角θ為負值，反之，所述連線ac位于所述垂線aa′左側時，所述的夾角θ為正值；

所述夾角θ值為-20°、-10°、0、10°、20°。

對葉輪進行三維建模，根據不同θ角，形成不同的葉輪模型，所述的葉輪模型為完成對后蓋板進行切割后的葉輪模型，對葉輪模型中的流體區域，用ansys-icem軟件劃分網格，導入ansys-cfx軟件進行數值模擬；

對模擬的數值結果進行后處理，作出流量-揚程曲線，流量-軸向力曲線；選取θ角最佳值的方案，用于切割缺口。

一種臥式多級離心泵，其內的葉輪為上述葉輪，葉輪上具有三角形切割缺口。本技術方案是在不改變葉輪原有水力設計，不增加新裝置的基礎上，降低軸向力，提高產品壽命和運行可靠性，并提高泵的揚程，節省材料，減輕產品重量。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明。在上述實施例中，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。