专利名称：导流叶轮及带导流叶轮的泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及导流叶轮(inducer)及带导流叶轮的泵，特别涉及为了提高涡轮泵等泵的吸入性能而使其轴心与主叶轮的轴心一致地配置在主叶轮的上游侧的轴流型或斜流型导流叶轮和带导流叶轮的泵。
背景技术：
以往，为了提高泵的吸入性能，有时在主轴的前端部安装导流叶轮。例如，配置在离心式主叶轮的上游侧的导流叶轮为斜流型或轴流型，为具有与普通的叶轮相比叶片的片数较少、叶片的长度较长这样的形状特征的叶轮。该导流叶轮配置在主叶轮的上游侧，使旋转轴与主叶轮相同，受主轴的驱动以与主叶轮相同的转速旋转。
以往的导流叶轮的叶片设计成螺旋形，在叶片的截面形状中，叶梢、叶毂与轴中心位于一条直线上。在以往的导流叶轮设计方法中，仅设计了沿叶梢的叶片角，沿叶毂的叶片角由螺旋条件决定。以往的导流叶轮的叶片前缘中的叶梢叶片角设计得比根据设计点流量中的入口流体的轴向流入速度和叶片的周向速度计算的入口流通角大。将叶片前缘中的叶梢叶片角与入口流通角之差的角度称为入射角。该入射角通常设计成前缘的叶片角的35％～50％。并且，为了满足对导流叶轮要求的扬程，将导流叶轮的叶梢的从入口(前缘)到出口(后缘)的叶片角设计成一定、或成阶梯状地增加、直线地增加、二次曲线地增加。
通过安装这种形状的导流叶轮，即使在叶片的入口上游的压力即泵叶轮的上游部的流体压力较低而使局部的流体压力在饱和蒸汽压力以下，从而产生空穴作用的情况下，也能够防止因该空穴作用而闭塞喉部以后的流路，即使发生空穴作用也能够使液体升压。因此，通过在主叶轮的上游配置导流叶轮，与单独使用离心式主叶轮时相比能够提高泵的吸入性能，能够实现泵的高速化和小型化。
但是如上所述，在以往的导流叶轮中由于叶片前缘的叶梢叶片角具有相对于设计点流量的入口流的入射角，从入口到出口的叶梢的叶片角的分布设计成一定或增加的形状，因此负荷集中在导流叶轮的入口附近，具有容易产生入口倒流的倾向。并且，在流量比设计点流量小的部分流量区域使用泵时，由于导流叶轮的入口中的入射角变大，因此入口发生的倒流的规模也变大。如果在发生空穴作用的状态下发生入口倒流，则空穴作用与上游侧的构件干涉，该构件被空穴作用的冲击压损伤了。
并且，入口倒流的内部产生以低的频率反复进行产生空穴作用和消除空穴作用的现象，在整个泵体中产生大的震动。而且，在液体氢用的泵中，入口倒流降低了具有提高吸入性能的作用的氢热力学效果，使泵的吸入性能降低了。
从这样的观点来看，抑制了发生入口倒流现象的导流叶轮的设计成为实用上的重要课题。以往，为了满足吸入性能和扬程要求，虽然进行了导流叶轮的叶片角或叶片长度、叶片枚数、叶梢形状等改进，但迄今为止没有进行过为了抑制入口倒流而改进导流叶轮的叶片形状。因此，目前的现状是还没有开发满足要求的扬程和吸入性能并且抑制了入口倒流现象的发生的导流叶轮。
发明内容
本发明就是鉴于这样的以往的技术问题，目的是提供一种满足了要求的扬程和吸入性能，并且抑制了入口倒流现象的发生的可靠性高的导流叶轮及带导流叶轮的泵。
技术方案为了解决这样的以往的技术问题，本发明的第一种方式为一种配置在主叶轮的上游侧的导流叶轮，其特征在于，叶片前缘上从叶梢到叶毂的叶片角形成为与设计点流量的入口流通角大致相等。
这样地，通过使叶片前缘上的叶片角与入口流通角大致相等，设计点流量到部分流量的流体的入射角变小，因此能够有效地抑制入口倒流。
本发明的优选的一个形态为，从叶片前缘到叶片后缘的上述叶梢上的叶片角分布为，从喉部附近往上游侧的向上述叶片前缘的上述叶片角的减少率比从上述喉部附近往下游侧的大；在从上述喉部附近到无量纲流向距离的0.9附近，上述叶片角的变化率比从上述喉部附近往上游侧的小。这里，喉部为叶片的负压面与相邻的叶片形成的流路的入口部分。
这样地，通过使从喉部附近往上游侧的向叶片前缘的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，使从喉部附近到无量纲流向距离的0.9附近，叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧的小，即使使负荷沿整个叶梢分布也能够使喉部的上游侧具有负压面大的压力较低部分。因此空穴作用的大半在导流叶轮叶片的负压面的前半部分产生，难以堵塞喉部以后的流路，能够确保足够的吸入性能。并且，通过使负荷沿整个叶梢叶面分布，能够确保足够的扬程。
本发明优选的一个形态为，使从叶片前缘到叶片后缘的上述叶毂上的叶片角分布为，在喉部附近有拐点，从上述喉部往上游侧上述叶片角的变化率变小，从上述喉部往下游侧沿流向的上述叶片角的增加率变大。
这样地，通过使从喉部往上游侧沿叶毂的流向的叶片角的变化率变小，从喉部往下游侧沿叶毂的流向的叶片角的增加率变大，能够使负荷还沿整个叶毂分布，能够确保要求的扬程。
本发明的第二种方式为一种具备能够安装到能够旋转的主轴上的主叶轮的带导流叶轮的泵，其特征在于，将上述导流叶轮配置到该主叶轮的上游侧，使其轴心与上述主叶轮的轴心一致。
附图的简要说明图1表示具备本发明的一个实施形态中的导流叶轮的涡轮泵的一部分的剖视2图1所示的导流叶轮的立体3A表示本发明的导流叶轮的叶梢叶片角的外观3B表示叶毂叶片角的外观3C表示入射角、入口流通角与叶梢叶片角的关系的4A本发明的导流叶轮的子午线剖面4B图4A所示的导流叶轮的立体5A以往的导流叶轮的子午面剖面5B图5A所示的导流叶轮的立体6A分别表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮的叶片前缘到叶片后缘的叶梢叶片角分布的曲线6B分别表示各自的叶毂叶片角分布的曲线7A及图7B表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中，当导流叶轮的叶片前缘的上游5mm位置的流量为设计点流量的75％时叶毂与叶梢之间的流体的速度分布的曲线图，图7A表示流体的周向速度分布，图7B表示流体的轴向速度分布图8A及图8B表示设计点流量中沿叶梢的叶面的静压分布的曲线图，图8A表示以往的导流叶轮的静压分布，图8B表示本发明的导流叶轮的静压分布图9A及图9B表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中，当流量为设计点流量的75％时测定的流体的速度分布的结果的曲线图，图9A为流体的周向速度分布的测定结果，图9B表示流体的轴向速度分布的测定结果图10表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中流量为设计点流量的75％时测定的吸入性能的结果的曲线11A及图11B表示流量为设计点流量的75％、空穴作用系数为0.08时，叶片前缘上游侧发生空穴作用的状态的模式图，图11A表示以往的导流叶轮，图11B表示本发明的导流叶轮具体实施方式
下面参照
本发明的导流叶轮及带导流叶轮的泵的实施方式。图1为表示具备本发明的一个实施方式的导流叶轮的涡轮泵的一部分的剖视图。图2为图1的导流叶轮的立体图。图1所示的涡轮泵具备能够旋转的主轴1、安装在主轴1上的主叶轮2和配置在主叶轮2的上游侧的导流叶轮3。导流叶轮3的轴心与主叶轮2的轴心一致，伴随着主轴1的旋转，导流叶轮3以与主叶轮2相同的旋转速度旋转。导流叶轮3具备多枚叶片，图2表示具备3枚叶片的导流叶轮。
泵的动作流体从图1的箭头F所示的方向流入导流叶轮3。流入导流叶轮3的动作流体一边在导流叶轮3内产生空穴作用一边被升压，再被下游的主叶轮2升压到泵所要求的扬程。此时，由于在导流叶轮3的作用下动作流体在主叶轮2中升压到不发生空穴作用的压力，因此比单独使用主叶轮2时能够提高泵的吸入性能。
这里，本发明的导流叶轮3为具有以下形状特征的构件。
(1)在叶片前缘31中从叶梢T1到叶毂H1的叶片角形成为与设计点流量的入口流通角大致相同。
(2)从叶片前缘(入口)31到叶片后缘32的叶梢T1上的叶片角分布为，从喉部附近往上游侧向叶片前缘31的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，从喉部附近到无量纲流通方向的距离0.9附近，叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧小。这里，叶梢T上的叶片角(叶梢叶片角)是指图3A的βbt所表示的角度。
(3)从叶片前缘(入口)31到叶片后缘(出口)32的叶毂H1的叶片角分布在喉部附近有拐点，从喉部往上游侧沿流向的叶片角的变化率变小，从喉部往下游侧叶片角的增加率变大。这里，叶毂H1上的叶片角(叶毂叶片角)是指图3B的βbh所示的角度。另外，在图3B中导流叶轮的叶片部分用虚线表示。
用以下的条件实际设计了具有这样的形状特征的本发明的导流叶轮和以往的导流叶轮，比较研究了本发明的导流叶轮和以往的导流叶轮的作用。图4A为设计好的本发明的导流叶轮3的子午面的剖视图，图4B为立体图，图5A为设计好的以往的导流叶轮103的子午面剖视图，图5B为立体图。
在这些导流叶轮3/103的设计中，设计要点为旋转速度N＝3000min-1，流量Q＝0.8m3/min，扬程H＝2m，相同设定了以往的导流叶轮103和本发明的导流叶轮3。各导流叶轮3/103的子午面形状为完全轴流型，在图4A及图5A的子午面剖视图中，叶片前缘31/131和叶片后缘32/132为与流向F垂直的直线。
在导流叶轮3/103的任何一个中，叶梢T1/T0的直径Dt＝89mm，叶毂H1/H0的直径Dh＝30mm。并且，在以往的导流叶轮103的子午面的轴向的叶片长度L0＝50mm，在本发明的导流叶轮3的子午面的轴向的叶片长度L1＝35mm。另外，以往的导流叶轮103与本发明的导流叶轮3沿叶梢的实际叶片长度相同。
以往的导流叶轮103为使从叶片前缘131到叶片后缘132为相同的叶片角的平板螺旋导流叶轮，在叶梢T0的叶片角设计成使入射角为叶片前缘131的叶片角的35％。而本发明的导流叶轮3设计成使叶梢T1到叶毂H1的叶片前缘31的叶片角与设计点流量的入口流通角大致相同。
这里，以设计点流量的入口流体的轴向速度Vx用以下公式(1)根据导流叶轮的子午面形状和要点求出。
Vx=Q/60π4(Dt2-Dh2)=0.8/603.1415924(0.0892-0.0302)=2.42[m/s]···(1)]]>在导流叶轮叶片的叶梢中周向旋转速度Vθ-t可以用以下的公式(2)求出。
V0-t=πDtN60=3.141592×0.089×300060=13.98[m/s]···(2)]]>叶梢中的入口流通角β1-t用以下的公式(3)求出。
β1-t＝Tan-1(Vx/Vθ-t)＝Tan-1(2.42/13.98)＝9.82[deg]……………… (3)本发明中的导流叶轮3设计成使叶梢T1中的叶片前缘31的叶片角与该设计点流量中的入口流通角β1-t大致相同。而以往的导流叶轮中将叶梢叶片角βb0-t设计成使入射角为叶梢叶片角βb0-t的35％。这里所谓的入射角、入口流通角β1-t与叶梢叶片角βb0-t的关系如图3C所示，入射角为叶梢叶片角βb0-t减去入口流通角β1-t的角度。即，以往的导流叶轮中叶梢叶片角βb0-t用以下的公式(4)求出。
βb0-t-β1-t＝0.35βb0-t(1-0.35)βb0-t＝β1-tβb0-t＝β1-t/(1-0.35)＝9.82/0.65≈15[deg]……(4)并且，以往的导流叶轮中的叶毂叶片角βb0-h用下式(5)根据螺旋条件求出。
βb0-h=Tan-1(DtDh·tanβb0-t)=Tan-1(0.0890.030·tan15)=38.5[deg]]]>
…………(5)图6A为表示本发明的导流叶轮和以往的导流叶轮各自的叶片前缘到叶片后缘的叶梢叶片角的分布的曲线图，图6B为表示各自的叶毂叶片角的分布的曲线图。在图6A和图6B中，横轴表示用子午面的前缘到后缘的距离标准化后的无量纲子午面位置，图6A的纵轴表示叶梢的叶片角，图6B的纵轴表示叶毂的叶片角。
如图6A及6B所示，本发明的导流叶轮从叶片前缘(入口)到叶片后缘(出口)叶片角连续变化，具有叶梢与叶毂的叶片角呈不同变化的三维叶面形状。为了设计成使叶片前缘的叶片角与设计点流量的入口流通角大致相同，并且满足要求的要点的导流叶轮的三维叶面形状，最好使用三维反向求解法。该三维反向求解法为UCL(UniversityCollege London，伦敦大学)的Dr.Zangeneh先生于1991年提出的方法，为规定叶面的负荷分布，通过数值计算决定满足其负荷分布的叶片形状的方法。该三维反向求解法的理论详细记录在众所周知的文献(Zangeneh，M.，1991，《A Compressible Three-Dimensional DesignMethod for Radial and Mixed Flow Turbomachinery Blades》，Int，J.Numerical Methods in Fluids，Vol.13，pp.599-622)中。
本发明的导流叶轮用该三维反向求解法设计。在三维反向求解法中，输入全部负荷，以使要点与以往的导流叶轮相同，并且输入负荷分布以使叶梢和叶毂的叶片前缘负荷为0，再输入使负荷全部集中在前方的前半负荷分布。用这样的三维反向求解法设计的结果是，本发明的导流叶轮设计成在叶片前缘的叶梢到叶毂的叶片角与设计点流量的入口流通角大致相等，流体的入射角为0°。通过该叶片前缘的叶片角与入口流通角大致相同的形状特征，从设计点流量到部分流量的流体的入射角变小，因此能够有效地抑制入口倒流。
如图6A所示，本发明的导流叶轮从叶片前缘到叶片后缘的叶梢上的叶片角分布为，在从喉部附近往上游侧，向叶片前缘的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，从喉部附近到无量纲流通方向的距离0.9附近，叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧的小。这样一来，通过使从喉部附近往上游侧的向叶片前缘的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，使从喉部附近到无量纲流通方向的距离0.9附近的叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧的小，从而能够使负荷沿整个叶梢分布，而且能够使喉部的上游也具有负压面大的压力低的部分。因此空穴作用的大半在导流叶轮叶片的负压面的前半部分产生，难以堵塞喉部以后的流路，能够确保足够的吸入性能。并且，通过使负荷沿整个叶梢叶面分布，能够确保足够的扬程。
并且，如图6B所示，本发明的导流叶轮从叶片前缘到叶片后缘的叶毂上的叶片角分布为，在喉部附近有拐点，从喉部附近往上游侧的沿流向的叶毂叶片角的变化率比从喉部附近往下游侧的小，从喉部附近往下游侧的叶毂叶片角的增加率比从喉部附近往上游侧的大。这样一来，通过使从喉部往上游侧的沿流向的叶毂叶片角的变化率变小，从喉部往下游侧的沿叶毂的流通方向的叶片角的增加率增大，从而能够使负荷沿整个叶毂分布，能够确保要求的扬程。
在上述本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中，通过用计算机流体解析解析了围绕导流叶轮的流场。下面说明这些解析结果。
图7A和图7B为表示导流叶轮的叶片前缘上游5mm位置的流量为设计点流量的75％时叶毂与叶梢之间的流体速度的分布的曲线图，图7A表示流体的周向速度分布，图7B表示流体的轴向速度的分布。在图7A和图7B中，横轴表示用叶毂到叶梢的距离标准化后的无量纲半径位置，图7A的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的周向速度后的无量纲周向速度，图7B的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的轴向速度后的无量纲轴向速度。
如图7A所示，以往的导流叶轮由于发生入口倒流，因此受该入口倒流的影响叶梢侧的流体的周向速度变大。并且如图7B所示那样，以往的导流叶轮流体的轴向速度在叶梢附近也为负值，产生向上游流动的区域。
而本发明的导流叶轮由于形成为使叶片前缘上叶梢到叶毂的叶片角与设计点流量中入口流通角大致相等，因此难以产生入口倒流，即使流量为设计点流量的75％，也不会呈现以往的导流叶轮那样的出现入口倒流的流体的速度分布(参照图7A及图7B)。
图8A为表示以往的导流叶轮沿设计点流量中的叶梢的叶片(压力面及负压面)的静压分布图，图8B为表示本发明的导流叶轮沿设计点流量中的叶梢的叶片(压力面及负压面)的静压分布图。在图8A及图8B中，横轴表示用子午面的前缘到后缘的距离标准化后的无量纲子午面位置，纵轴表示静压系数。这里，压力面为下游侧的叶面，负压面为上游侧的叶面。
如上所述，由于以往的导流叶轮的叶梢叶片角与入口流通角之间有入射角，因此如图8A所示，负压面的静压在叶片前缘(入口)大幅度降低，与压力面的静压差异很大。以往的导流叶轮由于具有这样的压力分布，因此当叶片前缘(入口)的压力降低时，虽然在叶片前缘附近产生强的空穴作用，但可以预测，喉部以后的流路没有堵塞。
本发明的导流叶轮如图8B所示叶片前缘(入口)的负压面的静压的降低较小，到喉部之前恢复到叶片前缘的静压水平。本发明的导流叶轮由于具有这样的压力分布，因此当叶片前缘(入口)的压力降低时，喉部到上游的叶面产生的空穴作用较弱，喉部以后的流路不被堵塞，可以预测能够发挥与以往的导流叶轮相同的吸入性能。
并且，在以往的导流叶轮中，叶面的负荷(压力面和负压面的静压差)集中在叶片前缘(入口)附近，下游侧处于几乎没有负荷的状态(参照图8A)。而本发明的导流叶轮中的叶面负荷分布在叶片前缘(入口)到叶片后缘(出口)的整个区域(参照图8B)。因此，本发明的导流叶轮不仅叶梢叶片角整体比以往的导流叶轮的小(参照图6A)，而且可以预测，能够发挥与以往的导流叶轮相同的扬程。
实际制作了上述那样的以往的导流叶轮和本发明的导流叶轮，用3孔皮托管在实验装置中测定了导流叶轮的叶片前缘上游侧5mm位置的叶毂与叶梢之间的流体的周向速度分布和流体的轴向速度分布。图9A和图9B为表示流量为设计点流量的75％时的流体的速度分布曲线，图9A表示流体的周向速度分布，图9B表示流体的轴向速度分布。在图9A和图9B中，横轴表示用叶毂到叶梢的距离标准化后的无量纲半径位置，图9A的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的周向速度后的无量纲周向速度，图9B的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的轴向速度后的无量纲轴向速度。
如图9A及图9B所示，以往的导流叶轮由于发生了入口倒流，因此受该入口倒流的影响，叶梢侧的流体的周向速度变大，并且流体的轴向速度也在叶梢附近变成负值，产生了向上游流动的区域。而本发明的导流叶轮即使流量为设计点流量的75％，也没有出现以往的导流叶轮那样的入口倒流的流体的速度分布。从这些结果可以知道，本发明的导流叶轮与以往的导流叶轮相比抑制了入口倒流。
图10为流量为设计点流量的75％时吸入性能的测定结果。在图10中，横轴表示将叶片前缘(入口)的压力水平无量纲化以后的空穴作用系数，纵轴表示将导流叶轮的扬程无量纲化以后的扬程系数。该曲线为表示使叶片前缘(入口)的压力水平降低时的导流叶轮的扬程变化的曲线。如果空穴作用系数变小，则导流叶轮内空穴作用增强，如图10所示扬程降低。在图10所示的曲线中，扬程系数越是降低到更低的空穴作用系数，泵表现出越高的吸入性能。
如图10所示，本发明的导流叶轮在空穴作用系数高时的扬程与以往的导流叶轮大致相同，扬程急剧下降时的空穴作用系数也与以往的导流叶轮几乎相同。根据该结果我们知道，本发明的导流叶轮具有与以往的导流叶轮相同的扬程及吸入性能。
图11A及图11B表示流量为设计点流量的75％、空穴作用系数为0.08时叶片前缘到上游侧发生的空穴作用的状态，图11A表示以往的导流叶轮，图11B表示本发明的导流叶轮。
如图11A所示，以往的导流叶轮在叶片前缘(入口)131附近空穴作用140较强，并且由于入口倒流的作用，在叶片前缘131到上游侧存在空穴作用140。而在本发明的导流叶轮中，在叶片前缘(入口)31到喉部的叶面上产生了比以往的导流叶轮弱的空穴作用40，但在比叶片前缘31靠上游侧由于入口倒流的作用几乎而不存在空穴作用。这样一来，本发明的导流叶轮与以往的导流叶轮相比具有抑制入口倒流的作用，并且喉部以后的流路也不会因空穴作用而被堵塞，能够发挥与以往的导流叶轮相同的吸入性能。
以上就本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式，无庸置疑，在其技术思想的范围内可以做种种变形来实施。
如上所述，如果采用本发明的导流叶轮，能够抑制入口发生的倒流，并且不容易发生从喉部往上游侧空穴作用增强而堵塞流路的情况，所以能够维持高的吸收性能。并且，由于负荷分布在整个叶面上，因此能够确保高的扬程。其结果，具有将本发明的导流叶轮配置在离心式主叶轮的上游的结构的泵能够抑制以往技术中因入口倒流而产生的上游侧部件的损伤或震动、吸入性能降低的问题，能够获得高可靠性的泵。
工业应用本发明可以用于为了提高涡轮泵等泵的吸入性能而配置在主叶轮的上游侧的轴流型或斜流型导流叶轮中。
权利要求
1.一种配置在主叶轮的上游侧的导流叶轮，其特征在于，叶片前缘上从叶梢到叶毂的叶片角形成为与设计点流量的入口流通角大致相等。
2.如权利要求1所述的导流叶轮，其特征在于，从叶片前缘到叶片后缘的上述叶梢上的叶片角分布为，从喉部附近往上游侧的向上述叶片前缘的上述叶片角的减少率比从上述喉部附近往下游侧的大；在从上述喉部附近到无量纲流向距离的0.9附近，上述叶片角的变化率比从上述喉部附近往上游侧的小。
3.如权利要求1所述的导流叶轮，其特征在于，从叶片前缘到叶片后缘的上述叶毂上的叶片角分布为，在喉部附近有拐点，从上述喉部往上游侧上述叶片角的变化率变小，从上述喉部往下游侧沿流向的上述叶片角的增加率变大。
4.一种带导流叶轮的泵，具备能够安装到能够旋转的主轴上的主叶轮，其特征在于，将权利要求1至3中的任一项所述的导流叶轮配置到该主叶轮的上游侧，使所述导流叶轮轴心与上述主叶轮的轴心一致。
全文摘要
本发明涉及为了提高涡轮泵等的泵的吸入性能而在主叶轮(2)的上游侧配置的轴流型或斜流型的导流叶轮(3)。在本发明的导流叶轮(3)中，叶片前缘(31)上从叶梢(T1)到叶毂(H1)的叶片角 (βbt)形成为与入口流通角(β1－t)大致相同。
文档编号F04D29/22GK1682034SQ0381658
公开日2005年10月12日 申请日期2003年7月7日 优先权日2002年7月12日
发明者足原浩介, 后藤彰 申请人:株式会社荏原制作所
技术领域：
本发明涉及导流叶轮(inducer)及带导流叶轮的泵，特别涉及为了提高涡轮泵等泵的吸入性能而使其轴心与主叶轮的轴心一致地配置在主叶轮的上游侧的轴流型或斜流型导流叶轮和带导流叶轮的泵。
背景技术：
以往，为了提高泵的吸入性能，有时在主轴的前端部安装导流叶轮。例如，配置在离心式主叶轮的上游侧的导流叶轮为斜流型或轴流型，为具有与普通的叶轮相比叶片的片数较少、叶片的长度较长这样的形状特征的叶轮。该导流叶轮配置在主叶轮的上游侧，使旋转轴与主叶轮相同，受主轴的驱动以与主叶轮相同的转速旋转。
以往的导流叶轮的叶片设计成螺旋形，在叶片的截面形状中，叶梢、叶毂与轴中心位于一条直线上。在以往的导流叶轮设计方法中，仅设计了沿叶梢的叶片角，沿叶毂的叶片角由螺旋条件决定。以往的导流叶轮的叶片前缘中的叶梢叶片角设计得比根据设计点流量中的入口流体的轴向流入速度和叶片的周向速度计算的入口流通角大。将叶片前缘中的叶梢叶片角与入口流通角之差的角度称为入射角。该入射角通常设计成前缘的叶片角的35％～50％。并且，为了满足对导流叶轮要求的扬程，将导流叶轮的叶梢的从入口(前缘)到出口(后缘)的叶片角设计成一定、或成阶梯状地增加、直线地增加、二次曲线地增加。
通过安装这种形状的导流叶轮，即使在叶片的入口上游的压力即泵叶轮的上游部的流体压力较低而使局部的流体压力在饱和蒸汽压力以下，从而产生空穴作用的情况下，也能够防止因该空穴作用而闭塞喉部以后的流路，即使发生空穴作用也能够使液体升压。因此，通过在主叶轮的上游配置导流叶轮，与单独使用离心式主叶轮时相比能够提高泵的吸入性能，能够实现泵的高速化和小型化。
但是如上所述，在以往的导流叶轮中由于叶片前缘的叶梢叶片角具有相对于设计点流量的入口流的入射角，从入口到出口的叶梢的叶片角的分布设计成一定或增加的形状，因此负荷集中在导流叶轮的入口附近，具有容易产生入口倒流的倾向。并且，在流量比设计点流量小的部分流量区域使用泵时，由于导流叶轮的入口中的入射角变大，因此入口发生的倒流的规模也变大。如果在发生空穴作用的状态下发生入口倒流，则空穴作用与上游侧的构件干涉，该构件被空穴作用的冲击压损伤了。
并且，入口倒流的内部产生以低的频率反复进行产生空穴作用和消除空穴作用的现象，在整个泵体中产生大的震动。而且，在液体氢用的泵中，入口倒流降低了具有提高吸入性能的作用的氢热力学效果，使泵的吸入性能降低了。
从这样的观点来看，抑制了发生入口倒流现象的导流叶轮的设计成为实用上的重要课题。以往，为了满足吸入性能和扬程要求，虽然进行了导流叶轮的叶片角或叶片长度、叶片枚数、叶梢形状等改进，但迄今为止没有进行过为了抑制入口倒流而改进导流叶轮的叶片形状。因此，目前的现状是还没有开发满足要求的扬程和吸入性能并且抑制了入口倒流现象的发生的导流叶轮。
发明内容
本发明就是鉴于这样的以往的技术问题，目的是提供一种满足了要求的扬程和吸入性能，并且抑制了入口倒流现象的发生的可靠性高的导流叶轮及带导流叶轮的泵。
技术方案为了解决这样的以往的技术问题，本发明的第一种方式为一种配置在主叶轮的上游侧的导流叶轮，其特征在于，叶片前缘上从叶梢到叶毂的叶片角形成为与设计点流量的入口流通角大致相等。
这样地，通过使叶片前缘上的叶片角与入口流通角大致相等，设计点流量到部分流量的流体的入射角变小，因此能够有效地抑制入口倒流。
本发明的优选的一个形态为，从叶片前缘到叶片后缘的上述叶梢上的叶片角分布为，从喉部附近往上游侧的向上述叶片前缘的上述叶片角的减少率比从上述喉部附近往下游侧的大；在从上述喉部附近到无量纲流向距离的0.9附近，上述叶片角的变化率比从上述喉部附近往上游侧的小。这里，喉部为叶片的负压面与相邻的叶片形成的流路的入口部分。
这样地，通过使从喉部附近往上游侧的向叶片前缘的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，使从喉部附近到无量纲流向距离的0.9附近，叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧的小，即使使负荷沿整个叶梢分布也能够使喉部的上游侧具有负压面大的压力较低部分。因此空穴作用的大半在导流叶轮叶片的负压面的前半部分产生，难以堵塞喉部以后的流路，能够确保足够的吸入性能。并且，通过使负荷沿整个叶梢叶面分布，能够确保足够的扬程。
本发明优选的一个形态为，使从叶片前缘到叶片后缘的上述叶毂上的叶片角分布为，在喉部附近有拐点，从上述喉部往上游侧上述叶片角的变化率变小，从上述喉部往下游侧沿流向的上述叶片角的增加率变大。
这样地，通过使从喉部往上游侧沿叶毂的流向的叶片角的变化率变小，从喉部往下游侧沿叶毂的流向的叶片角的增加率变大，能够使负荷还沿整个叶毂分布，能够确保要求的扬程。
本发明的第二种方式为一种具备能够安装到能够旋转的主轴上的主叶轮的带导流叶轮的泵，其特征在于，将上述导流叶轮配置到该主叶轮的上游侧，使其轴心与上述主叶轮的轴心一致。
附图的简要说明图1表示具备本发明的一个实施形态中的导流叶轮的涡轮泵的一部分的剖视2图1所示的导流叶轮的立体3A表示本发明的导流叶轮的叶梢叶片角的外观3B表示叶毂叶片角的外观3C表示入射角、入口流通角与叶梢叶片角的关系的4A本发明的导流叶轮的子午线剖面4B图4A所示的导流叶轮的立体5A以往的导流叶轮的子午面剖面5B图5A所示的导流叶轮的立体6A分别表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮的叶片前缘到叶片后缘的叶梢叶片角分布的曲线6B分别表示各自的叶毂叶片角分布的曲线7A及图7B表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中，当导流叶轮的叶片前缘的上游5mm位置的流量为设计点流量的75％时叶毂与叶梢之间的流体的速度分布的曲线图，图7A表示流体的周向速度分布，图7B表示流体的轴向速度分布图8A及图8B表示设计点流量中沿叶梢的叶面的静压分布的曲线图，图8A表示以往的导流叶轮的静压分布，图8B表示本发明的导流叶轮的静压分布图9A及图9B表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中，当流量为设计点流量的75％时测定的流体的速度分布的结果的曲线图，图9A为流体的周向速度分布的测定结果，图9B表示流体的轴向速度分布的测定结果图10表示本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中流量为设计点流量的75％时测定的吸入性能的结果的曲线11A及图11B表示流量为设计点流量的75％、空穴作用系数为0.08时，叶片前缘上游侧发生空穴作用的状态的模式图，图11A表示以往的导流叶轮，图11B表示本发明的导流叶轮具体实施方式
下面参照
本发明的导流叶轮及带导流叶轮的泵的实施方式。图1为表示具备本发明的一个实施方式的导流叶轮的涡轮泵的一部分的剖视图。图2为图1的导流叶轮的立体图。图1所示的涡轮泵具备能够旋转的主轴1、安装在主轴1上的主叶轮2和配置在主叶轮2的上游侧的导流叶轮3。导流叶轮3的轴心与主叶轮2的轴心一致，伴随着主轴1的旋转，导流叶轮3以与主叶轮2相同的旋转速度旋转。导流叶轮3具备多枚叶片，图2表示具备3枚叶片的导流叶轮。
泵的动作流体从图1的箭头F所示的方向流入导流叶轮3。流入导流叶轮3的动作流体一边在导流叶轮3内产生空穴作用一边被升压，再被下游的主叶轮2升压到泵所要求的扬程。此时，由于在导流叶轮3的作用下动作流体在主叶轮2中升压到不发生空穴作用的压力，因此比单独使用主叶轮2时能够提高泵的吸入性能。
这里，本发明的导流叶轮3为具有以下形状特征的构件。
(1)在叶片前缘31中从叶梢T1到叶毂H1的叶片角形成为与设计点流量的入口流通角大致相同。
(2)从叶片前缘(入口)31到叶片后缘32的叶梢T1上的叶片角分布为，从喉部附近往上游侧向叶片前缘31的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，从喉部附近到无量纲流通方向的距离0.9附近，叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧小。这里，叶梢T上的叶片角(叶梢叶片角)是指图3A的βbt所表示的角度。
(3)从叶片前缘(入口)31到叶片后缘(出口)32的叶毂H1的叶片角分布在喉部附近有拐点，从喉部往上游侧沿流向的叶片角的变化率变小，从喉部往下游侧叶片角的增加率变大。这里，叶毂H1上的叶片角(叶毂叶片角)是指图3B的βbh所示的角度。另外，在图3B中导流叶轮的叶片部分用虚线表示。
用以下的条件实际设计了具有这样的形状特征的本发明的导流叶轮和以往的导流叶轮，比较研究了本发明的导流叶轮和以往的导流叶轮的作用。图4A为设计好的本发明的导流叶轮3的子午面的剖视图，图4B为立体图，图5A为设计好的以往的导流叶轮103的子午面剖视图，图5B为立体图。
在这些导流叶轮3/103的设计中，设计要点为旋转速度N＝3000min-1，流量Q＝0.8m3/min，扬程H＝2m，相同设定了以往的导流叶轮103和本发明的导流叶轮3。各导流叶轮3/103的子午面形状为完全轴流型，在图4A及图5A的子午面剖视图中，叶片前缘31/131和叶片后缘32/132为与流向F垂直的直线。
在导流叶轮3/103的任何一个中，叶梢T1/T0的直径Dt＝89mm，叶毂H1/H0的直径Dh＝30mm。并且，在以往的导流叶轮103的子午面的轴向的叶片长度L0＝50mm，在本发明的导流叶轮3的子午面的轴向的叶片长度L1＝35mm。另外，以往的导流叶轮103与本发明的导流叶轮3沿叶梢的实际叶片长度相同。
以往的导流叶轮103为使从叶片前缘131到叶片后缘132为相同的叶片角的平板螺旋导流叶轮，在叶梢T0的叶片角设计成使入射角为叶片前缘131的叶片角的35％。而本发明的导流叶轮3设计成使叶梢T1到叶毂H1的叶片前缘31的叶片角与设计点流量的入口流通角大致相同。
这里，以设计点流量的入口流体的轴向速度Vx用以下公式(1)根据导流叶轮的子午面形状和要点求出。
Vx=Q/60π4(Dt2-Dh2)=0.8/603.1415924(0.0892-0.0302)=2.42[m/s]···(1)]]>在导流叶轮叶片的叶梢中周向旋转速度Vθ-t可以用以下的公式(2)求出。
V0-t=πDtN60=3.141592×0.089×300060=13.98[m/s]···(2)]]>叶梢中的入口流通角β1-t用以下的公式(3)求出。
β1-t＝Tan-1(Vx/Vθ-t)＝Tan-1(2.42/13.98)＝9.82[deg]……………… (3)本发明中的导流叶轮3设计成使叶梢T1中的叶片前缘31的叶片角与该设计点流量中的入口流通角β1-t大致相同。而以往的导流叶轮中将叶梢叶片角βb0-t设计成使入射角为叶梢叶片角βb0-t的35％。这里所谓的入射角、入口流通角β1-t与叶梢叶片角βb0-t的关系如图3C所示，入射角为叶梢叶片角βb0-t减去入口流通角β1-t的角度。即，以往的导流叶轮中叶梢叶片角βb0-t用以下的公式(4)求出。
βb0-t-β1-t＝0.35βb0-t(1-0.35)βb0-t＝β1-tβb0-t＝β1-t/(1-0.35)＝9.82/0.65≈15[deg]……(4)并且，以往的导流叶轮中的叶毂叶片角βb0-h用下式(5)根据螺旋条件求出。
βb0-h=Tan-1(DtDh·tanβb0-t)=Tan-1(0.0890.030·tan15)=38.5[deg]]]>
…………(5)图6A为表示本发明的导流叶轮和以往的导流叶轮各自的叶片前缘到叶片后缘的叶梢叶片角的分布的曲线图，图6B为表示各自的叶毂叶片角的分布的曲线图。在图6A和图6B中，横轴表示用子午面的前缘到后缘的距离标准化后的无量纲子午面位置，图6A的纵轴表示叶梢的叶片角，图6B的纵轴表示叶毂的叶片角。
如图6A及6B所示，本发明的导流叶轮从叶片前缘(入口)到叶片后缘(出口)叶片角连续变化，具有叶梢与叶毂的叶片角呈不同变化的三维叶面形状。为了设计成使叶片前缘的叶片角与设计点流量的入口流通角大致相同，并且满足要求的要点的导流叶轮的三维叶面形状，最好使用三维反向求解法。该三维反向求解法为UCL(UniversityCollege London，伦敦大学)的Dr.Zangeneh先生于1991年提出的方法，为规定叶面的负荷分布，通过数值计算决定满足其负荷分布的叶片形状的方法。该三维反向求解法的理论详细记录在众所周知的文献(Zangeneh，M.，1991，《A Compressible Three-Dimensional DesignMethod for Radial and Mixed Flow Turbomachinery Blades》，Int，J.Numerical Methods in Fluids，Vol.13，pp.599-622)中。
本发明的导流叶轮用该三维反向求解法设计。在三维反向求解法中，输入全部负荷，以使要点与以往的导流叶轮相同，并且输入负荷分布以使叶梢和叶毂的叶片前缘负荷为0，再输入使负荷全部集中在前方的前半负荷分布。用这样的三维反向求解法设计的结果是，本发明的导流叶轮设计成在叶片前缘的叶梢到叶毂的叶片角与设计点流量的入口流通角大致相等，流体的入射角为0°。通过该叶片前缘的叶片角与入口流通角大致相同的形状特征，从设计点流量到部分流量的流体的入射角变小，因此能够有效地抑制入口倒流。
如图6A所示，本发明的导流叶轮从叶片前缘到叶片后缘的叶梢上的叶片角分布为，在从喉部附近往上游侧，向叶片前缘的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，从喉部附近到无量纲流通方向的距离0.9附近，叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧的小。这样一来，通过使从喉部附近往上游侧的向叶片前缘的叶片角的减少率比从喉部附近往下游侧的大，使从喉部附近到无量纲流通方向的距离0.9附近的叶片角的变化率比从喉部附近往上游侧的小，从而能够使负荷沿整个叶梢分布，而且能够使喉部的上游也具有负压面大的压力低的部分。因此空穴作用的大半在导流叶轮叶片的负压面的前半部分产生，难以堵塞喉部以后的流路，能够确保足够的吸入性能。并且，通过使负荷沿整个叶梢叶面分布，能够确保足够的扬程。
并且，如图6B所示，本发明的导流叶轮从叶片前缘到叶片后缘的叶毂上的叶片角分布为，在喉部附近有拐点，从喉部附近往上游侧的沿流向的叶毂叶片角的变化率比从喉部附近往下游侧的小，从喉部附近往下游侧的叶毂叶片角的增加率比从喉部附近往上游侧的大。这样一来，通过使从喉部往上游侧的沿流向的叶毂叶片角的变化率变小，从喉部往下游侧的沿叶毂的流通方向的叶片角的增加率增大，从而能够使负荷沿整个叶毂分布，能够确保要求的扬程。
在上述本发明的导流叶轮及以往的导流叶轮中，通过用计算机流体解析解析了围绕导流叶轮的流场。下面说明这些解析结果。
图7A和图7B为表示导流叶轮的叶片前缘上游5mm位置的流量为设计点流量的75％时叶毂与叶梢之间的流体速度的分布的曲线图，图7A表示流体的周向速度分布，图7B表示流体的轴向速度的分布。在图7A和图7B中，横轴表示用叶毂到叶梢的距离标准化后的无量纲半径位置，图7A的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的周向速度后的无量纲周向速度，图7B的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的轴向速度后的无量纲轴向速度。
如图7A所示，以往的导流叶轮由于发生入口倒流，因此受该入口倒流的影响叶梢侧的流体的周向速度变大。并且如图7B所示那样，以往的导流叶轮流体的轴向速度在叶梢附近也为负值，产生向上游流动的区域。
而本发明的导流叶轮由于形成为使叶片前缘上叶梢到叶毂的叶片角与设计点流量中入口流通角大致相等，因此难以产生入口倒流，即使流量为设计点流量的75％，也不会呈现以往的导流叶轮那样的出现入口倒流的流体的速度分布(参照图7A及图7B)。
图8A为表示以往的导流叶轮沿设计点流量中的叶梢的叶片(压力面及负压面)的静压分布图，图8B为表示本发明的导流叶轮沿设计点流量中的叶梢的叶片(压力面及负压面)的静压分布图。在图8A及图8B中，横轴表示用子午面的前缘到后缘的距离标准化后的无量纲子午面位置，纵轴表示静压系数。这里，压力面为下游侧的叶面，负压面为上游侧的叶面。
如上所述，由于以往的导流叶轮的叶梢叶片角与入口流通角之间有入射角，因此如图8A所示，负压面的静压在叶片前缘(入口)大幅度降低，与压力面的静压差异很大。以往的导流叶轮由于具有这样的压力分布，因此当叶片前缘(入口)的压力降低时，虽然在叶片前缘附近产生强的空穴作用，但可以预测，喉部以后的流路没有堵塞。
本发明的导流叶轮如图8B所示叶片前缘(入口)的负压面的静压的降低较小，到喉部之前恢复到叶片前缘的静压水平。本发明的导流叶轮由于具有这样的压力分布，因此当叶片前缘(入口)的压力降低时，喉部到上游的叶面产生的空穴作用较弱，喉部以后的流路不被堵塞，可以预测能够发挥与以往的导流叶轮相同的吸入性能。
并且，在以往的导流叶轮中，叶面的负荷(压力面和负压面的静压差)集中在叶片前缘(入口)附近，下游侧处于几乎没有负荷的状态(参照图8A)。而本发明的导流叶轮中的叶面负荷分布在叶片前缘(入口)到叶片后缘(出口)的整个区域(参照图8B)。因此，本发明的导流叶轮不仅叶梢叶片角整体比以往的导流叶轮的小(参照图6A)，而且可以预测，能够发挥与以往的导流叶轮相同的扬程。
实际制作了上述那样的以往的导流叶轮和本发明的导流叶轮，用3孔皮托管在实验装置中测定了导流叶轮的叶片前缘上游侧5mm位置的叶毂与叶梢之间的流体的周向速度分布和流体的轴向速度分布。图9A和图9B为表示流量为设计点流量的75％时的流体的速度分布曲线，图9A表示流体的周向速度分布，图9B表示流体的轴向速度分布。在图9A和图9B中，横轴表示用叶毂到叶梢的距离标准化后的无量纲半径位置，图9A的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的周向速度后的无量纲周向速度，图9B的纵轴表示用导流叶轮叶片的叶梢周向速度标准化流体的轴向速度后的无量纲轴向速度。
如图9A及图9B所示，以往的导流叶轮由于发生了入口倒流，因此受该入口倒流的影响，叶梢侧的流体的周向速度变大，并且流体的轴向速度也在叶梢附近变成负值，产生了向上游流动的区域。而本发明的导流叶轮即使流量为设计点流量的75％，也没有出现以往的导流叶轮那样的入口倒流的流体的速度分布。从这些结果可以知道，本发明的导流叶轮与以往的导流叶轮相比抑制了入口倒流。
图10为流量为设计点流量的75％时吸入性能的测定结果。在图10中，横轴表示将叶片前缘(入口)的压力水平无量纲化以后的空穴作用系数，纵轴表示将导流叶轮的扬程无量纲化以后的扬程系数。该曲线为表示使叶片前缘(入口)的压力水平降低时的导流叶轮的扬程变化的曲线。如果空穴作用系数变小，则导流叶轮内空穴作用增强，如图10所示扬程降低。在图10所示的曲线中，扬程系数越是降低到更低的空穴作用系数，泵表现出越高的吸入性能。
如图10所示，本发明的导流叶轮在空穴作用系数高时的扬程与以往的导流叶轮大致相同，扬程急剧下降时的空穴作用系数也与以往的导流叶轮几乎相同。根据该结果我们知道，本发明的导流叶轮具有与以往的导流叶轮相同的扬程及吸入性能。
图11A及图11B表示流量为设计点流量的75％、空穴作用系数为0.08时叶片前缘到上游侧发生的空穴作用的状态，图11A表示以往的导流叶轮，图11B表示本发明的导流叶轮。
如图11A所示，以往的导流叶轮在叶片前缘(入口)131附近空穴作用140较强，并且由于入口倒流的作用，在叶片前缘131到上游侧存在空穴作用140。而在本发明的导流叶轮中，在叶片前缘(入口)31到喉部的叶面上产生了比以往的导流叶轮弱的空穴作用40，但在比叶片前缘31靠上游侧由于入口倒流的作用几乎而不存在空穴作用。这样一来，本发明的导流叶轮与以往的导流叶轮相比具有抑制入口倒流的作用，并且喉部以后的流路也不会因空穴作用而被堵塞，能够发挥与以往的导流叶轮相同的吸入性能。
以上就本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式，无庸置疑，在其技术思想的范围内可以做种种变形来实施。
如上所述，如果采用本发明的导流叶轮，能够抑制入口发生的倒流，并且不容易发生从喉部往上游侧空穴作用增强而堵塞流路的情况，所以能够维持高的吸收性能。并且，由于负荷分布在整个叶面上，因此能够确保高的扬程。其结果，具有将本发明的导流叶轮配置在离心式主叶轮的上游的结构的泵能够抑制以往技术中因入口倒流而产生的上游侧部件的损伤或震动、吸入性能降低的问题，能够获得高可靠性的泵。
工业应用本发明可以用于为了提高涡轮泵等泵的吸入性能而配置在主叶轮的上游侧的轴流型或斜流型导流叶轮中。
权利要求
1.一种配置在主叶轮的上游侧的导流叶轮，其特征在于，叶片前缘上从叶梢到叶毂的叶片角形成为与设计点流量的入口流通角大致相等。
2.如权利要求1所述的导流叶轮，其特征在于，从叶片前缘到叶片后缘的上述叶梢上的叶片角分布为，从喉部附近往上游侧的向上述叶片前缘的上述叶片角的减少率比从上述喉部附近往下游侧的大；在从上述喉部附近到无量纲流向距离的0.9附近，上述叶片角的变化率比从上述喉部附近往上游侧的小。
3.如权利要求1所述的导流叶轮，其特征在于，从叶片前缘到叶片后缘的上述叶毂上的叶片角分布为，在喉部附近有拐点，从上述喉部往上游侧上述叶片角的变化率变小，从上述喉部往下游侧沿流向的上述叶片角的增加率变大。
4.一种带导流叶轮的泵，具备能够安装到能够旋转的主轴上的主叶轮，其特征在于，将权利要求1至3中的任一项所述的导流叶轮配置到该主叶轮的上游侧，使所述导流叶轮轴心与上述主叶轮的轴心一致。
全文摘要
本发明涉及为了提高涡轮泵等的泵的吸入性能而在主叶轮(2)的上游侧配置的轴流型或斜流型的导流叶轮(3)。在本发明的导流叶轮(3)中，叶片前缘(31)上从叶梢(T1)到叶毂(H1)的叶片角 (βbt)形成为与入口流通角(β1－t)大致相同。
文档编号F04D29/22GK1682034SQ0381658
公开日2005年10月12日 申请日期2003年7月7日 优先权日2002年7月12日
发明者足原浩介, 后藤彰 申请人:株式会社荏原制作所
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