CN113623265B - 一种高通过性耐磨损变距管道式叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高通过性耐磨损变距管道式叶轮，由至少两个变距式流道和外圈水体组成，每个变距式流道为一条变距弯曲的管道，所述变距弯曲的管道由两部分组成，每一部分由一条变距引导线和若干个截面扫掠而成。相较于传统的叶片式叶轮，本发明形成的管道式流道对流体介质中含有的固体颗粒具有更好的引导作用，在提高叶轮输送大颗粒固体通过性的同时，还可以减少颗粒物对叶轮通道内壁面的冲击，改善叶轮的磨损，另一方面，变距管道式叶轮的壁面厚度大，本身具有较强的耐磨损能力，在产生相同磨损量的情况下，变距管道式叶轮性能受到的影响远小于叶片式叶轮，可较大幅度提升输送大颗粒固体两相流叶轮的使用寿命。

Description

一种高通过性耐磨损变距管道式叶轮

技术领域

本发明涉及一种离心泵和固液两相流体输送技术领域，尤其是一种可以用于输送大颗粒和高浓度的固液两相流的管道式叶轮。

背景技术

海底蕴藏着丰富的矿产资源，吸引了各国发展深海采矿系统。矿浆输送泵是深海采矿矿物输送系统的重要组成部分。矿浆输送泵通过叶轮做功为矿浆(含有矿石颗粒的海水)提供能量，将海底的矿物提升到水面采矿船。与传统工业领域的固液两相流相比，深海采矿泵输送的矿物颗粒尺寸较大，直径范围可达20～50mm。大颗粒的存在不仅严重影响了泵的水力性能，还会造成堵塞、磨损、稳定性下降等问题，其中，堵塞会造成整个采矿系统停止运行，磨损则会造成过流部件损坏，从而降低矿浆输送泵使用寿命。矿浆输送泵的维修以及磨损部件的更换等工作在深海采矿过程中十分困难，成本极高。由于矿浆输送泵的工作特性，堵塞和磨损主要发生于叶轮处，因此研发出一种具备高通过性和耐磨损的特性的叶轮对深海采矿技术和装备的发展具有非常重要的意义。

目前，深海采矿矿浆输送泵的设计思路主要有两种。一是采用容积式矿浆输送泵(隔膜泵)，这种方案能实现稳定的流量输出，但隔膜泵存在输送颗粒度较小(一般在颗粒物直径在10mm以下)，隔膜及配套阀件易磨损等问题；二是采用叶片式矿浆输送泵，采用离心叶轮搭配空间导叶。这种方案可以输送较大的结核，但叶片式叶轮的流道曲折，轴向较窄，随着输送的固液两相流的浓度和粒径的增大，很容易发生堵塞，并且颗粒物对叶片的冲击较大，容易造成叶片磨损，造成泵性能下降甚至损坏。

在综合考虑经济成本和输送可靠性的基础上，本发明提出了一种可用于深海矿物输送的高通过性耐磨损变距管道式叶轮，其在输送大颗粒和高浓度固液两相流时，具有防堵塞和耐磨损的优点，能够较好的解决目前容积式和叶片式矿浆输送泵存在的问题。

发明内容

本发明主要解决目前隔膜泵和叶片式矿浆输送泵在输送大颗粒和高浓度固液两相流时存在的技术问题：

1、隔膜泵存在输送颗粒度较小(一般在颗粒物直径在10mm以下)，隔膜及配套阀件易磨损等问题；

2、叶片式叶轮的流道曲折，轴向空间有限，容易发生堵塞；同时，大颗粒对叶轮内壁面的撞击面积较大，颗粒频繁地撞击叶轮内壁面尤其是叶片表面，均会加剧叶轮尤其是叶片的磨损，降低泵的扬程和输送效率，甚至造成泵的损坏。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高通过性耐磨损变距管道式叶轮，由至少两个变距式流道和外圈水体组成，每个变距式流道为一条变距弯曲的管道，所述变距弯曲的管道由两部分组成，每一部分由一条变距引导线和若干个截面扫掠而成。

进一步，所述变距引导线由引导线一和引导线二构成，其中，所述引导线一是一条变距空间曲线，起点为叶轮进口中心点，终点为引导线二起点；所述引导线二为平面曲线，是一个半径为R₂的半圆；所述引导线一的终点和引导线二的起点处相切；所述引导线一弯曲的方向为叶轮的旋转方向。

进一步，第一部分截面个数为3，三个截面形状为相同面积的圆形；第二部分截面个数为3，三个截面形状为圆形的一部分，面积线性减小。

进一步，所述变距管道式叶轮通过改变变距引导线的轴向长度L、径向扫掠角度β₁和β₂、最大外径R₂、截面一到截面六的宽度b₁到b₆、高度h₁到h₆，来确定叶轮的参数。

进一步，所述变距管道式叶轮的变距式流道个数为2，既能提高固液两相流的通过性能，又能降低叶轮受到的径向力，保证泵的稳定性。

进一步，所述外圈水体为圆环形状，内径为2R₂，外径为2R₃，且R₃>R₂，宽度为叶轮的出口宽度b。

本发明的有益效果：

1、提高了叶轮在输送大颗粒和高浓度固液两相流体时颗粒的通过性能，防止发生堵塞；

2、提高了叶轮的耐磨损性能，降低了叶轮因磨损而导致的水力性能下降甚至造成泵损坏的风险。

附图说明

图1是本发明的高通过性耐磨损变距管道式叶轮结构示意图；

其中：(a)主剖视图，(b)左视图；

图2是本发明的变距管道式叶轮的单流道水力示意图；

其中：(a)主视图，(b)右视图；(c)截面图；

图3是本发明的变距管道式叶轮的三维水体示意图；

其中：(a)单流道，(b)双流道；

图4是本发明的变距管道式叶轮的三维零件示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明的一种高通过性耐磨损变距管道式叶轮，由至少两个变距式流道1(第一流道1-1、第二流道1-2)和外圈水体2组成。每个变距式流道1为一条变距弯曲的管道，该管道由两部分组成，每一部分由一条变距引导线和若干个截面扫掠而成。

如图1中的(a)，(b)所示为高通过性耐磨损变距管道式叶轮结构，图中虚线表示实体和水体的分界线，虚线内为实体，虚线外为水体。

如图2中的(a)，(b)，(c)所示，在本实施案例中，引导线有2条，分别为变距引导线一3，引导线二4；截面有6个，第一部分为截面一到截面三5，6，7，形状为圆形；第二部分为截面四到截面六8，9，10，形状为圆形的一部分。单流道的水体由两部分组成，第一部分通过变距引导线一3和截面一5、截面二6到截面三7扫掠，并切除区域一11而成；第二部分通过引导线二4和截面四8、截面五9到截面六10扫掠而成。将第一部分和第二部分合并组成一个完整的单流道水体。变距引导线一3是一条空间曲线，起点为叶轮进口中心点，终点为引导线二4起点；引导线二4为平面曲线，是一个半径为R₂的半圆；变距引导线一3的终点和引导线二4的起点处相切。变距引导线一3的弯曲的方向即为叶轮的旋转方向。控制引导线的参数有轴向长度L，扫过的角度β₁和β₂，最大外径R₂。截面一到截面三5，6，7的宽度分别为b₁，b₂，b₃，高度分别为h₁，h₂，h₃；截面一到截面三5，6，7的宽度等于高度时，截面则为圆形，否则为椭圆。截面一到截面三5，6，7的面积采取线性变化的形式。为了保证叶轮出口宽度b在圆周方向为定值，截面四到截面六8，9，10的宽度与叶轮的出口宽度相等，即b₃＝b₄＝b₅＝b。截面四到截面六8，9，10的面积采取线性减小的方案，这样更有利于固液两相流体的排出。最终设计出的叶轮水体，其轴向长度为L+b/2、出口直径为2R₂、包角为β₁+β₂、出口宽度b＝b₃＝b₄＝b₅。外圈水体的内径为2R₂，外径为2R₃>2R₂，宽度为叶轮的出口宽度b。

如图3所示，是一种变距管道式叶轮的三维水体示意图。图3中的(a)是单流道水体，其主要通过引导线和截面一到截面六扫掠而成。图3中的(b)是变距管道式叶轮的完整水体图，由两个流道和一个外圈水体合并而成。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围。

Claims (2)

1. 一种高通过性耐磨损变距管道式叶轮，其特征在于：该变距管道式叶轮由至少两个变距式流道和外圈水体组成，每个变距式流道为一条变距弯曲的管道，所述变距弯曲的管道由两部分组成，每一部分由一条变距引导线和若干个截面扫掠而成；所述变距引导线由引导线一和引导线二构成，其中，所述引导线一是一条变距空间曲线，起点为叶轮进口中心点，终点为引导线二起点；所述引导线二为平面曲线，是一个半径为R₂的半圆；所述引导线一的终点和引导线二的起点处相切；所述引导线一弯曲的方向为叶轮的旋转方向；第一部分截面个数为3，三个截面形状为相同面积的圆形；第二部分截面个数为3，三个截面形状为圆形的一部分，面积线性减小；所述变距管道式叶轮通过改变变距引导线的轴向长度L、径向扫掠角度β₁和β₂、最大外径R₂、截面一到截面六的宽度b₁到b₆、高度h₁到h₆，来确定叶轮的参数；所述外圈水体为圆环形状，内径为2R₂，外径为2R_3， 且R₃>R₂，宽度为叶轮的出口宽度b。

2.根据权利要求1所述的高通过性耐磨损变距管道式叶轮，其特征在于：所述变距管道式叶轮的变距式流道个数为2，既能提高固液两相流的通过性能，又能降低叶轮受到的径向力，保证泵的稳定性。