浅谈离心泵叶轮叶片前缘的设计

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过去，离心泵行业的工程师们常问我的一个问题是：叶轮叶片前缘（吸入侧）的形状和位置。从广义上讲，现有离心泵叶轮叶片前缘有三种常见的类型，如下图中(a)、(b) 、(c)所示，他们想知道为什么以及何时首选哪种设计？

为此，首先必须了解离心泵入口的基本设计规则，即尽量减少入口叶片尖端的相对动能水平。在离心泵中，需要最小的叶片叶尖相对速度，以最大限度地提高叶轮中的流道扩散，从而提高效率。

当汽蚀成为泵的首要问题时，设计规则应调整到尽可能使泵的NPSHR最小，这种设计通常在锅炉给水泵或火箭涡轮泵中找到。

泵沙龙注：优化叶轮叶片前缘形状（如采用抛物线前缘轮廓、减薄吸入侧叶片厚度等），可有效限制叶片前缘的压力峰值和降低对部分负荷下运行的敏感程度、降低泵的NPSHR。

一旦找到最佳叶片叶尖半径，下一个选项将是将前缘连接到给定轮毂的(a)、(b) 、(c)三种类型之一。

(a) 传统上，多数经典离心泵叶轮叶片都遵循曲线入口，这是一种通过图形设计方法造成的结果，该方法使用一系列与内部流道相切的圆来找到RMS*位置1。由于每个端壁都有一条接近法线的曲线，因此通过减少盖板和轮毂处的入射冲击可能是有益的。更重要的是，RMS 1处的曲线位置需要与设计冲角相匹配，因为在不改变流道和/或叶片轮毂的情况下，无法满足要求，但这在当时是不允许的。

泵沙龙注：RMS，应该是CFD计算中的一个术语“均方根残差”的英文缩写。

(b) 在现代设计方法中，通过交互改变子午流道、叶片金属角度和正态厚度分布来构建叶片的3D几何形状。因此，没有这样的曲线，可以满足沿（盖板与轮毂之间整个）跨度的设计入射要求。

(c) 在某些应用中，仍然使用简单的2D叶片设计，这些应用强烈要求使用成本非常低的叶轮，或者设计运行的比转速非常低。除这些特殊情况外，不建议使用（这种叶片前缘位置）。

现在有人可能想继续问：为什么前缘轮毂不向上游延伸以使叶片前缘线垂直于入口液流？这是一种径向前缘，经常出现在离心压缩机叶轮中。

但是，大多数径向前缘的压缩机叶轮应该是无盖板的（有叶尖间隙的开式叶轮）。它们需要这样的轮毂延伸部分来保持叶片尖端的形状，否则它们将由于叶片振动而失效。

那么另一个问题可能来了，为什么工业泵叶轮（叶片）虽然被盖板遮住了但却没有轮毂延伸？

答案是它们不必这么做。径向前缘设计在空气动力学上是不利的，因为沿着轮毂不必要地增加了流动路径，会带来更多的摩擦损失，但不可能有助于做功。换句话说，如果你看到一个由专业人事设计的带有径向前缘的带盖板的离心泵叶轮，那么从结构要求上一定有充分的理由。火箭涡轮泵可能就是一个高速运转的例子。

同样，如果你看到带径向前缘有盖板的离心式压缩机叶轮，你是否认为结构要求可能是一个很好的理由？不幸的是，没有。这将是一个设计错误。

希望这能帮助你弄清楚课本上通常找不到的东西。