[0001] 本发明涉及轴流泵，特指一种消除轴流泵叶顶间隙内角涡的方法，可减小轴流泵叶顶间隙内的空蚀破坏，提高泵水力效率和运行可靠性，属于流体机械技术领域。

[0002] 目前，在现有的轴流泵水力设计中，常常将叶轮工作面和叶顶区设计成直角过渡；这样的设计便于加工，也是由于过去的技术手段有限，无法对叶顶区角涡进行深入研究，无法研究角涡对轴流泵内流场及空化性能的影响；近十几年来，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）发展迅猛，功能不断完善的商用计算软件为CFD的工程运用提供了良好的平台；基于CFD流场分析、高速摄影（High Speed Photography）以及粒子呈像速度仪（Particle Image Velocimetry, PIV）技术，发现了对轴流泵叶顶间隙区的角涡空蚀破坏现象；叶轮轮缘和泵壳之间的间隙被称为叶顶间隙；由于叶片工作面和背面的压力差，流体会通过叶顶间隙，从工作面流到背面，形成了泄漏流；泄漏流在叶轮旋转剪切流作用下，与主流卷吸形成叶顶泄漏涡，会对轴流泵近30%的流动区域产生影响；角涡产生于叶轮工作面和叶顶区的拐角处，故称角涡；由于涡心的压力低，容易诱导空化，角涡是传统叶轮发生泄漏流动的初始形态，产生初始气核，并对叶顶产生空蚀破坏，若轴流泵叶顶间隙被增大后，会导致泵水力损失增大，降低效率；且叶顶泄漏涡的影响范围也增大，会对整泵的性能和运行稳定性具有重要的影响。

[0003] 目前市场上的轴流泵工作面和叶顶的交界一般为直角，这会导致在泵实际运行时产生角涡空化，诱发严重泄漏涡空化，影响轴流泵的性能；例如专利申请号201010112785.3的《化工反应器用轴流泵叶轮》、专利号为：ZL95103466.9的《前导轮立式轴流泵》，均为传统叶顶设计，并未意识到如何抑制、改进泄漏流对泵性能的影响；专利申请号02133456.0的《轴流泵叶轮叶片》，使用了经验系数与理论推导的方法，考虑到叶轮外缘间隙影响的修正，叶端设计为加长前倾的扭曲形状，但是并没有针对角涡进行讨论；目前尚无相关专利对角涡问题进行处理。

[0004] 为解决上述问题，本专利创新了一种消除轴流泵叶顶角涡的方法，在叶轮工作面和叶顶的交界处改变叶片的截面结构，用一定大小的圆弧代替叶顶工作面直角结构。

[0005] 角涡消除的原理如图3所示；在叶片工作面叶顶区，由于工作面和背面压差驱动下，工作面流体将沿着叶顶间隙向叶片背面低压面运动，若叶顶工作面拐角为直角，流体在直角的阻碍下，与叶顶叶片工作面形成夹角α，向叶顶间隙运动；同时在泵壳附近，存在与主流方向相反的泄漏流，在泄漏流剪切力作用下，则工作面流体在拐角处形成一个旋涡微团，即角涡结构；本发明将叶顶工作面拐角的直角结构创新为一定大小的圆弧结构，圆弧结构为工作面流提供了流线型入口，工作面流可顺着圆弧，沿着叶顶间隙向叶片背面流动，从流动结构消除了角涡；其叶顶与泵壳内壁面的距离取之为D2/1000，D2为叶片的外径。

[0006] 本发明找到了圆弧拐角的大小规律，既不影响轴流泵的其他性能，还能消除了叶顶间隙的角涡空蚀；当倒圆半径过小时，角涡消除不明显；当倒圆半径过大时，泄漏流量又会增大，反而影响轴流泵容积效率，所以存在一个较为合适的倒圆半径范围，使得在不对泵容积效率有很大影响的情况下，也能对角涡进行有效地抑制。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在叶片工作面和叶顶的交界处倒圆角，倒角半径为叶片中截面叶顶厚度的1/6 1/2；考虑到在靠近叶片进口边和叶片出口边处~叶片较薄，在靠近进口边和出口边5 10°的位置，即叶顶区域A、B倒角半径可以有所减小, ~
为叶片中截面叶顶厚度的1/5。
附图说明

[0008] 图1为轴流泵三维轴向剖分及叶片中截面位置示意图。

[0009] 图2轴流泵叶顶区角涡和叶顶泄漏涡在叶片中截面的示意图，为中截面叶顶厚度。

[0010] 图3为角涡消除的原理图。

[0011] 图4为轴流泵叶顶倒圆在叶片中截面的示意图。

[0012] 图5为典型轴流泵叶片轴向视图。

[0013] 图6为轴流泵叶顶倒圆三维模型。

[0014] 图7为不同叶顶倒圆半径叶轮中角涡大小的对比。

[0015] 图1中，1.导流帽，2.叶片，3.轮毂，4.导叶，5.泵壳，6.泵轴，7.叶片中截面，8.叶片工作面，9.叶片背面，10.叶顶区。

[0016] 图3中，11.主流，12.工作面流，13.泄漏流，14.旋涡微团，15.圆弧。

[0017] 图5中，区域A、B分别为距进水边和出水边5 10°的叶顶区域。~

[0018] 图6中，16.工作面和叶顶区的交界，即为需倒角的边,17.进口边，18.出口边。

[0019] 以下结合附图和某型号轴流泵对本发明作进一步的详细描述：

[0020] 如图1，主流从左向右流动；叶片2和导叶4为轴流泵中的关键水力部件，决定了轴流泵的水力性能；泵轴6带动轮毂3、导流帽1和叶片2一起旋转，导叶4保持静止，流体在叶拐角片工作面8上受到力作用动能增加，以一定的角度流向导叶4，在导叶中动能逐渐转换成压力能，泵壳5和叶片2之间存在一定的叶顶间隙，导致流体从工作面8流向背面9，与主流相冲撞。

[0021] 若叶顶工作面8圆弧半径过大，则泄漏量增大，降低了泵的容积效率进而影响泵整体的效率；若倒角半径过小，则角涡减弱不明显。

[0022] 在图4和图6中，对叶片2工作面8与叶顶区10的直角倒圆，倒圆半径分别为， ， ，即分别为 为中截面叶顶厚度，倒圆后的叶片中截面的形状如图4b,c,d所示，倒圆后的三维叶轮如图6b,c,d所示。

[0023] 如图5所示，在靠近进口边和出口边5 10°的位置，即叶顶区域A、B倒角半径可以有~所减小, 为叶片中截面叶顶厚度的1/5。

[0024] 倒圆后角涡消除的情况如图7所示，可以从示意图中看出随着倒圆半径的增大，角涡区域明显减小，未倒圆以及倒圆半径为 =1mm， =2mm， =4mm时的角涡旋涡强度最大值分别为10000s-1 ,3480s-1,2300 s-1,1878 s-1, 角涡强度明显减小。

[0025] 根据水泵的经典设计理论，随着倒圆半径的增大，泄漏流量也随之增大。

[0026] 在叶轮工作面和叶顶的交界处倒圆角，倒角半径为叶片中截面叶顶厚度 的1/6~1/2，考虑到在靠近进口边和出口边处叶片较薄，倒角半径应相应减小，为叶片中截面叶顶厚度的1/5。