用于离心泵特别是凹式叶轮泵的叶轮及具有这种叶轮的泵

本发明涉及用于离心泵特别是用于凹式叶轮离心泵(recessed-impellercentrifugal pump)的叶轮(impeller)。

本发明还涉及具有这种叶轮的离心泵。

表述“凹式叶轮离心泵”应理解为指具有叶轮的泵，该叶轮相对于进气导管的入口凹入，并利用叶轮前方产生单个连贯的涡流将离心加速度传递给泵送液体。

叶轮由基本平坦的盘构成，多个叶片从盘延伸，多个叶片适于移动液体。

液体沿垂直于盘平面的方向被吸入并且在盘的径向方向上被传送。

这种类型的泵的广泛使用是因为以下事实，即它具有相当大的泵送液体而不引起堵塞的能力。

通常，叶轮的叶片相互地等间距，在盘上具有直线或弯曲横截面，并且在保持垂直于盘的同时在高度上延伸。

本说明书中的术语“等间距”被理解为意味着叶轮的叶片的相对应点沿着圆周在任意一个叶片和下一个叶片之间的相互距离是恒定的。

然而，这种泵有一些缺点。

在运行过程中，端部涡流在叶轮前方的区域中围绕每个叶片形成并且可以改变液体的流动路线的轨迹，降低扬程和泵送效率。

为了减少湍流和提高泵送效率，近年来，已经开发了具有反向盘(counter-disc)的叶轮，反向盘与盘相对布置，以便将叶片封闭在反向盘和盘之间。

作为反向盘的替代物，在市场上可买到的叶轮中每个叶片的端部都有与盘平行并且沿叶片的整个曲率延伸的末端部分。

然而，即使是这些叶轮也有一些缺点。

事实上，这些叶轮容易受到泵送固体的磨损，并受到泵送固体的可能冲击，特别是对反向盘或叶片的末端部分的冲击，这可能会损坏它们并危及它们的运行。

凹式叶轮离心泵也是已知的，其中叶轮具有盘，该盘的轮廓是仿形的(contoured)，以遵循叶片的外部端部的轮廓，或带有非等间距叶片。

然而，即使在这些离心泵中，端部涡流在叶轮前方的区域中形成并可以改变液体的流动路线的轨迹，限制扬程和泵送效率。

最后，存在叶轮，其中叶片的轮廓具有双曲率，即：

-相对于平行于盘的截面的第一曲率，其中凹度指向叶轮的内侧；

-相对于垂直于盘平面的截面的第二曲率，其中凹度指向叶轮的外侧。

在本说明书中，表述“叶轮外侧”应理解为指叶片的凹度基本上指向盘的外圆周和/或所述圆周的突起。

在本说明书中，相反地，表述“叶轮内侧”应理解为指叶片的凹度基本上指向盘的内圆周和/或所述圆周的突起。

也可以具有反向盘的这些叶轮适于最大化叶片间通道中的液体流动并且并被认为可在泵主体的固定表面附近运行。

以这种方式，在叶轮和泵主体之间产生最小缝隙。

然而，这些叶轮不是凹式的，并且也不在叶轮前方产生连贯的涡流。

本发明的目的是提供用于凹式叶轮离心泵的叶轮和具有这种叶轮的泵，该叶轮和泵能够在上述的一个或更多个方面改进背景技术。

在这个目的内，本发明的目标是提供用于离心泵的叶轮，特别是用于凹式叶轮泵的叶轮，该叶轮相对于已知类型的类似叶轮允许提高安装有该叶轮的泵的泵送效率和扬程。

本发明的另一个目标是提供用于离心泵的叶轮，特别是用于凹式叶轮泵的叶轮，与已知类型的类似叶轮相比，该叶轮较不容易受到固体引起的磨损或冲击。

本发明的另一个目标是提供用于离心泵，特别是用于凹式叶轮泵的叶轮，其中，相对于已知类型的类似叶轮，涡流产生能力最大化。

本发明的另一个目标是提供具有叶轮的离心泵，该叶轮能够实现上述的目的和目标。

本发明的又一个目标是以替代任意现有解决方案的方式克服背景技术中的缺点。

本发明的主要目标是提供用于离心泵，特别是用于凹式叶轮泵的叶轮，其高度可靠、相对容易提供且成本具有竞争力。

这个目的、这些目标和其他目标将在下文中变得更加明显，这个目的、这些目标和其他目标通过一种用于离心泵的叶轮来实现，该叶轮包括：

-盘，

-一系列叶片，其围绕旋转轴线从所述盘延伸，

-中心主体，其适于用于与旋转轴连接，

所述叶片具有双曲率的轮廓：

-相对于平行于所述盘的截面的第一曲率，

-相对于垂直于所述盘平面的截面的第二曲率，

所述第一曲率和所述第二曲率具有指向所述旋转轴线的凹度，

每个所述叶片包括具有不同曲率的内曲部和外曲部：

-既从平行于所述盘的截面来考虑，

-又从垂直于所述盘的截面来考虑，

所述叶轮的特征在于：

-所述内曲部具有在零至四分之一周角之间选定的曲率角，

-和/或所述外曲部具有在零至四分之一周角之间选定的曲率角。

这个目的、以及这些和其他目标将在下文中变得更加明显，这个目的、这些目标和其他目标也通过包括这样的叶轮的离心泵来实现。

本发明的进一步特征和优点通过对根据本发明的用于离心泵的叶轮的优选但非排他的实施例的描述可以变得更加明显，这些实施例通过附图中的非限制性示例来说明，其中：

图1是根据本发明的用于离心泵的叶轮的透视图；

图2是图1的叶轮的不同视图；

图3是图1的叶轮的第一横截面的视图；

图4是根据本发明的用于离心泵的叶轮的视图，其中单个叶片被示出；

图5是沿着截面V-V截取的图4的叶轮的截面图；

图6是沿着截面VI-VI截取的图4的叶轮的截面图；

图7是沿着截面VII-VII截取的图4的叶轮的截面图；

图8a和图8b示出了图1的叶轮的第二横截面的两个不同视图；

图9a和图9b是图1的叶轮的第三横截面的两个不同视图；

图10是图7的截面图的细节的放大比例的视图。

参考附图，用于根据本发明的离心泵(尤其但不排他地用于凹式叶轮离心泵)的叶轮大致上由附图标记10表示。

叶轮10包括盘11和一系列叶片12，叶片12围绕旋转轴线从盘11的表面延伸。

盘11基本上是平面的。

本发明的一个特点在于叶片12中的每一个具有双曲率的轮廓；

-相对于平行于盘11的截面的第一曲率，如图8a-图9b中所示。

-相对于垂直于盘11的平面的截面的第二曲率，如图3和图5至图7所示。

特别地，第一曲率和第二曲率两者都具有指向叶轮10的旋转轴线的凹度。

叶轮10包括位于盘11的下圆周处的中心主体13，该中心主体具有通孔14，该通孔适于轴(图中未示出)的插入，以用于轴的旋转。

该中心主体13具有平截头体形状，该平截头体形状基本上在盘11处具有较大端面，并且在叶片12延伸的同一侧具有较小的端面。

中心主体13的平截头体的高度低于叶片12的高度。

叶片12是等间距的，并且每个叶片12在以下之间延伸：

-第一端部15a，其位于中心主体13处，并且至少部分地与中心主体成一体，

-第二端部15b，其布置在盘11的外圆周处。

中心主体13的平截头体形状有利于叶片12的第一端部15a暴露于中心主体13的影响之外。以这种方式，在叶轮前方产生连贯的涡流的能力增加。

本发明的另一个特点在于，每个叶片12包括内曲部16和外曲部17，它们具有不同的曲率：

-既从平行于盘11的截面来考虑，

-又从垂直于盘11的截面来考虑。

本说明书中的表述“内曲部”应该理解为指指向中心主体13并且基本上平行于中心主体的侧表面的叶片12的表面。

本说明书中的表述“外曲部”应该理解为指叶片12的与内曲部相对的表面。

特别是，从垂直于盘11的截面来考虑，内曲部16和外曲部17是两个圆弧，该两个圆弧具有不同的中心和/或两个非均匀有理基样条(NURBS)，具有不同数量的极点和/或节点。

在本说明书中，表述NURBS被理解为指在计算机图形学中常用的用来生成和表示曲部和表面的数学模型，并且被本领域技术人员熟知。

考虑图10，本发明的特殊点之一在于：

-内曲部16具有90°的最大曲率角a″，因此在零至四分之一周角之间选定，

-和/或外曲部17具有90°的最大曲率角a′，因此在零至四分之一周角之间选定。

本说明书中的表述“曲率角”被理解为是指角度a′、a″，从叶片12在局部垂直于叶片12在第一端部15a和第二端部15b之间的延伸轨迹的平面上的横截面来考虑，其在以下之间延伸：

-轴线k，其垂直于盘11的布置平面并穿过叶片12的外曲部17和盘11之间的交点p，

-直线y’、y”，其分别在点q’或q”(即沿着叶片12的第一曲率的延伸轨迹离盘11最远)与叶片12的内曲部16和外曲部17相切。

本发明的另一个特点在于内曲部16和外曲部17两者具有曲率角a″、a′，从叶片12在第一端部15a到第二端部15b之间的延伸轨迹来考虑，曲率角从叶片12的第一端部15a到第二端部15b基本上增加。

优选地，内曲部16具有大约45°-60°的曲率角a″。

优选地，外曲部17具有大约50°-70°的曲率角a′。

这一方面允许相对于已知类型的类似叶轮提高机器的效率，因为叶片12的轮廓可以遵循泵送流体的压力梯度而不会出现不连续。

此外，在图中未示出的轴处吸收的功率不会如同在已知类型的类似叶轮中随着泵送液体流速的增加而持续上升，而是对于基本上等于或大于最大流速的50％的值，其趋势保持基本恒定或减少。

这种效果避免了马达在高流速(数值超过最大流速的50％的流速)下过热。

参考图5至图7和图9a、图9b，每个叶片12的厚度基本上从第一端部15a处的最大值均匀地减小到第二端部15b处的最小值。

同样，每个叶片12的厚度基本上从盘11处的最大值均匀地减小到连接内曲部16和外曲部17的区域18处的最小值，连接内曲部16和外曲部17的区域18位于在叶片12的与盘11相对的端部处。

在本说明书中，表述“叶片厚度”被理解为是指内曲部16和外曲部17的相对应点之间的距离。

根据要求，叶片的厚度可以是恒定的。

特别地，在附图所示的情况下，这是非限制性的示例，具有可变厚度的叶片12，第一端部15a处的厚度约为3-5mm，例如3.5mm，而叶片12在第二端部15b处的厚度是大约为2-4mm，例如2.5mm。

同样，叶片12在盘11处的厚度约为3-5mm，例如4mm，而在连接内曲部16和外曲部17的区域18处的厚度大约为2-4mm，例如2mm。

每个叶片12的高度也基本上从第一端部15a处的最大值均匀地减小到第二端部15b处的最小值。

本说明书中的术语“高度”被理解为是指垂直于盘11的尺寸。

特别地，叶片12在第一端部15a处的高度为例如大约20-40mm，例如29mm，而叶片12在第二端部15b处的高度大约为10-30mm，例如，20mm。

连接内曲部16和外曲部17的区域18在以下之间延伸：

-内曲部16的点q”，从叶片12在局部地垂直于盘11的平面上的横截面来考虑，点q”沿着叶片12的第二曲率的延伸轨迹离盘11最远，

-外曲部17的点q’，从叶片12在局部地垂直于盘11的平面上的横截面来考虑，点q’沿着叶片12的第二曲率的延伸轨迹离盘11最远。

内曲部16和连接区域18之间的过渡部分(blending portion)是倒圆的，以便在这两者之间提供连续的表面。

外曲部17和连接区域18之间的过渡部分是尖锐边缘，以便在这两者之间提供表面的不连续性。

用于内曲部16和外曲部17之间的连接的该区域18在内曲部16和外曲部17之间具有在第一端部15a和第二端部15b之间基本上增加的尺寸。

特别地，内曲部16和外曲部17之间的连接区域18在第一端部15a处的尺寸是例如大约2.5-6mm，例如3.2mm，而内曲部16和外曲部17之间的连接区域18在第二端部15b处的尺寸是大约1.5-4mm，例如2mm。

用于内曲部16和外曲部17之间的连接的这种区域18相对于轴线z具有倾斜角b，该轴线z垂直于盘11，倾斜角b具有第一端部15a和第二端部15b之间基本可变的值。

特别地，内曲部16和外曲部17之间的连接区域18的倾斜角b在第一端部15a处是例如大约150°-180°，例如170°，而用于内曲部16和外曲部17之间的连接的区域18的倾斜角b在第二端部15b处是大约180°-200°，例如190°。

叶片12的特定形状允许相对于已知类型的类似叶轮来提高其中安装有叶片12的泵的泵送效率和扬程。

为了相对于垂直于盘11的截面限定内曲部16和外曲部17的曲率，可以例如：

-通过CFD(计算流体动力学)软件进行第一次模拟，根据从本领域文献中已知且被本领域技术人员所熟知的参数设置叶片12的几何形状以获得初始压力范围，

-定位NURBS的极点，使得内曲部16和外曲部17的曲率尽可能地适应从第一次模拟获得的压力范围，

-再次执行模拟，获得第二压力范围

-定位和/或添加NURBS的极点，使得内曲部16和外曲部17的曲率尽可能适应刚刚获得的压力范围，

-迭代该方法，直到在两次连续模拟中实现该范围中的压力值基本上重合或具有小于1％的差异。

NURBS的极点数量越多，内曲部和外曲部的形状越好地遵循压力范围，并因此叶片12向泵送涡旋传递动量的能力越高。

应当注意，具有指向叶轮10的内侧的第二曲率的叶片12相对于已知类型的类似叶轮减少了由液体吸收的功率，增加了涡流产生能力。

在实践中，已经发现本发明实现了预期的目的和目标，提供用于离心泵的叶轮，尤其是用于凹式叶轮泵的叶轮，其允许相对于已知类型的类似叶轮提高安装有该叶轮的泵的泵送效率和扬程。

本发明提供了用于离心泵，特别是用于凹式叶轮泵的叶轮，相对于已知类型的类似叶轮，其不易由于固体受到磨损或受到冲击并且在该叶轮中，涡流产生能力相对于已知类型的类似叶轮被最大化。

本发明还提供了具有能够实现上述目的和目标的叶轮的离心泵。

从而，可以设想本发明可以有许多种修改和变型，所有这些都在所附权利要求的范围内；所有的细节还可以用其他技术上等同的元素来代替。

在实践中，所使用的材料以及因情况而异的形状和尺寸，只要它们与特定的用途相容，则根据需求和技术状态可以是任意的。