一种超小型离心泵叶轮转让专利
申请号 : CN200410009947.5
文献号 : CN100582490C
文献日 : 2010-01-20
发明人 : 刘树红 , 罗先武
申请人 : 清华大学
摘要 :
一种超小型离心泵叶轮，涉及其叶轮直径在5～50mm之间的超小型离心泵叶轮的结构设计。本发明在设计中采用了提高泵水力性能的新概念，其技术特点是该叶轮的出口面积与进口面积比在0.9～1.0之间；叶片的进口冲角为10°～30°，出口安放角为30°～55°，叶片数为5～11枚；叶片的进口向泵进口方向延伸，直至轮毂与叶片的交线转为轴向的点为止。实验结果表明，无论是泵内部流动特性、还是泵外部性能，本发明都优于传统叶轮。在最优运行工况点，本发明与传统叶轮相比：流量之比大于2.0，扬程之比大于1.5，做功能力之比大于3.5，最有效率达65%。可用于血液泵，小型燃料电池冷却系统中的循环泵等。
权利要求 :
1.一种超小型离心泵叶轮，包括轮毂和设置在轮毂上的叶片，其叶轮直径为5～50mm，其特征在于：所述叶轮的出口面积与进口面积之比在0.9～1.0之间；所述的叶片的进口冲角为10°～30°，出口安放角为30°～55°，叶片数为5～11枚。
2. 按照权利要求1所述的超小型离心泵叶轮，其特征在于：在叶轮进口处，叶片的进口 向泵进口方向延伸，直至轮毂与叶片的交线转为轴向的点为止。
说明书 :
一种超小型离心泵叶轮
技术领域
本发明涉及一种离心泵叶轮，尤其涉及其叶轮直径在5〜50,之间的超小型离心泵叶轮， 可广泛应用于例如胸心外科手术中的血液体外循环的血液泵，小型燃料电池冷却系统中的循 环泵等，属于微小型泵技术领域。 背景技术
鉴于环境问题日益突出，为高效利用能源，发展小型、微型机电技术已成为十分重要的 发展方向，泵也不例外，其中叶轮是技术的关键。
对于尺寸要求较小的血液泵、小型燃料电池泵压式冷却系统中的循环泵等，尽管人们希 望泵的重量再轻些、尺寸再小些，但目前已有的泵叶轮直径均大于50mm。这是因为根据传 统设计理论，随着尺度减小，叶轮内部离心力和惯性力的减弱（即雷诺数减小），而其他因素 (如摩擦力等）的影响将随之增加，造成叶轮机械的整体效率下降。日本学者赤松教授所研 究的血液泵叶轮直径为50mm，泵最高效率为50%。在我国，据了解目前用于燃料电池辅助 系统中的小型泵，其叶轮直径为50〜60mm，最高效率约为50%左右。
近年来，设计水平、机械加工技术、计算机硬件、计算流体力学（CFD)等的迅猛发展， 为开展微小型泵的研究、进一步提高其性能提供了可能性。 发明内容
本发明的目的是提供一种超小型离心泵叶轮（D2=5〜50mm)，旨在改善叶轮内部流动规 律，提高超小型离心泵效率，在进一步縮小离心泵体积的同时，提高泵的水力特性。
本发明的技术方案如下： 一种超小型离心泵叶轮，包括轮毂和设置在轮毂上的叶片，其 叶轮直径为5〜50mm,其特征在于：所述叶轮的出口面积与进口面积比在0. 9〜1. 0之间；所 述的叶片的进口冲角为10°〜30° ,出口安放角为30°〜55°,叶片数为5〜11枚。
本发明的技术特征还在于：在叶轮进口处，叶片的进口向泵进口方向延仲，直至轮毂与 叶片的交线转为轴向的点为止，以改善进口的流动状态。
本发明提供的超小型离心泵叶轮，在设计中采用了提高泵水力性能的新概念，经与按常 规设计方法设计的离心泵叶轮进行对比实验——数值模拟及性能实验，结果表明，无论是泵 内部流动特性、还是泵外部性能，本发明提供的叶轮都优于传统叶轮。在最优运行工况点， 在最优运行工况点，本发明与传统叶轮相比：流量之比大于2.0，扬程之比大于1.5,做功能 力之比大于3. 5，最有效率达65%。可用于血液泵，小型燃料电池冷却系统中的循环泵等。 附图说明
图1为叶轮的主视图。 图2为图1的侧视图。图3为叶轮叶片的翼型示意图。 图4为叶轮叶片进口速度三角形。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构作进一歩的说明。
图1、图2为叶轮的结构示意图。该叶轮包括轮毂2和固定在轮毂上的叶片1。在轮毂的 中心部位设有叶轮轴孔3。
图3为叶轮叶片的翼型示意图。在叶片l的进口处，其骨线的切线方向与该半径处的圆 周切线方向（与叶轮旋转方向相反）之间的夹角为/?bi，即进口安放角。在叶片l的出口处，
其骨线的切线方向与该半径处的圆周切线方向（与叶轮旋转方向相反）之间的夹角为/?b2，即
出口安放角。
图4为叶轮叶片进口速度三角形。其中W!为液流在进口处的相对速度，V,为液流在进 口处的绝对速度，Ui为在进口处的牵连速度，则/?i为进口水流角。
在具体设计中本发明采用了如下的结构特征：1)与通常的离心式叶轮相比，采用了较多 的叶片数，如图1所示，叶片数最好是5〜11枚，以提高叶轮的整体做功能力；2)对于超小 型叶轮，由于流量较小， 一般叶轮进口水流角y^ (如图4所示）很小，本叶轮叶片的进口安 放角（如图3中的Pw)选用了较大的冲角（二/?m-;^)，应大于10°， 一般为IO。〜30° ; 3) 叶轮叶片的出口安放角同样选用了较大角度，如图3中的"b2，最好是30°〜55°; 4)叶轮的 出口面积CD与进口面积AB之比Ucd"ab)在0. 9〜1. 0之间，如图1所示，以减小流动分 离发生的可能性；5)在叶轮进口处，叶片的进口向泵进口方向延伸，直至轮毂与叶片的交线 转为轴向的点（如图2中的B点）为止，以改善进口的流动状态，使流动由轴向平顺地转为 径向。
鉴于环境问题日益突出，为高效利用能源，发展小型、微型机电技术已成为十分重要的 发展方向，泵也不例外，其中叶轮是技术的关键。
对于尺寸要求较小的血液泵、小型燃料电池泵压式冷却系统中的循环泵等，尽管人们希 望泵的重量再轻些、尺寸再小些，但目前已有的泵叶轮直径均大于50mm。这是因为根据传 统设计理论，随着尺度减小，叶轮内部离心力和惯性力的减弱（即雷诺数减小），而其他因素 (如摩擦力等）的影响将随之增加，造成叶轮机械的整体效率下降。日本学者赤松教授所研 究的血液泵叶轮直径为50mm，泵最高效率为50%。在我国，据了解目前用于燃料电池辅助 系统中的小型泵，其叶轮直径为50〜60mm，最高效率约为50%左右。
近年来，设计水平、机械加工技术、计算机硬件、计算流体力学（CFD)等的迅猛发展， 为开展微小型泵的研究、进一步提高其性能提供了可能性。 发明内容
本发明的目的是提供一种超小型离心泵叶轮（D2=5〜50mm)，旨在改善叶轮内部流动规 律，提高超小型离心泵效率，在进一步縮小离心泵体积的同时，提高泵的水力特性。
本发明的技术方案如下： 一种超小型离心泵叶轮，包括轮毂和设置在轮毂上的叶片，其 叶轮直径为5〜50mm,其特征在于：所述叶轮的出口面积与进口面积比在0. 9〜1. 0之间；所 述的叶片的进口冲角为10°〜30° ,出口安放角为30°〜55°,叶片数为5〜11枚。
本发明的技术特征还在于：在叶轮进口处，叶片的进口向泵进口方向延仲，直至轮毂与 叶片的交线转为轴向的点为止，以改善进口的流动状态。
本发明提供的超小型离心泵叶轮，在设计中采用了提高泵水力性能的新概念，经与按常 规设计方法设计的离心泵叶轮进行对比实验——数值模拟及性能实验，结果表明，无论是泵 内部流动特性、还是泵外部性能，本发明提供的叶轮都优于传统叶轮。在最优运行工况点， 在最优运行工况点，本发明与传统叶轮相比：流量之比大于2.0，扬程之比大于1.5,做功能 力之比大于3. 5，最有效率达65%。可用于血液泵，小型燃料电池冷却系统中的循环泵等。 附图说明
图1为叶轮的主视图。 图2为图1的侧视图。图3为叶轮叶片的翼型示意图。 图4为叶轮叶片进口速度三角形。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构作进一歩的说明。
图1、图2为叶轮的结构示意图。该叶轮包括轮毂2和固定在轮毂上的叶片1。在轮毂的 中心部位设有叶轮轴孔3。
图3为叶轮叶片的翼型示意图。在叶片l的进口处，其骨线的切线方向与该半径处的圆 周切线方向（与叶轮旋转方向相反）之间的夹角为/?bi，即进口安放角。在叶片l的出口处，
其骨线的切线方向与该半径处的圆周切线方向（与叶轮旋转方向相反）之间的夹角为/?b2，即
出口安放角。
图4为叶轮叶片进口速度三角形。其中W!为液流在进口处的相对速度，V,为液流在进 口处的绝对速度，Ui为在进口处的牵连速度，则/?i为进口水流角。
在具体设计中本发明采用了如下的结构特征：1)与通常的离心式叶轮相比，采用了较多 的叶片数，如图1所示，叶片数最好是5〜11枚，以提高叶轮的整体做功能力；2)对于超小 型叶轮，由于流量较小， 一般叶轮进口水流角y^ (如图4所示）很小，本叶轮叶片的进口安 放角（如图3中的Pw)选用了较大的冲角（二/?m-;^)，应大于10°， 一般为IO。〜30° ; 3) 叶轮叶片的出口安放角同样选用了较大角度，如图3中的"b2，最好是30°〜55°; 4)叶轮的 出口面积CD与进口面积AB之比Ucd"ab)在0. 9〜1. 0之间，如图1所示，以减小流动分 离发生的可能性；5)在叶轮进口处，叶片的进口向泵进口方向延伸，直至轮毂与叶片的交线 转为轴向的点（如图2中的B点）为止，以改善进口的流动状态，使流动由轴向平顺地转为 径向。