CN102003405B - 一种带锥型轮毂的双叶轮串列泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带锥型轮毂的双叶轮串列泵，包括轮毂、首级叶轮、次级叶轮、导叶，本发明的首级叶轮、次级叶轮、导叶顺序设置在轮毂上，在首级叶轮和次级叶轮之间不设置导叶，所述轮毂为变轮毂比的锥型轮毂，首级叶轮为不可调式叶轮，次级叶轮为可调式叶轮。本发明使用串列的布置形式，可减小喷水推进系统的尺寸和重量。通过采用变轮毂比的锥型轮毂，并且将载荷在两个叶轮上优化匹配，改善了水泵的能量特性，实现了空化性能的提高。本发明具有流量大、结构紧凑、空间尺寸小、能量特性优、抗空化性能好等优点。

Description

一种带锥型轮毂的双叶轮串列泵

技术领域

本发明涉及一种水泵，特别涉及一种用锥形轮毂并置两个叶轮的水泵，属于水力机械领域。

背景技术

实现高速小型化一直是流体机械研究发展的趋势，在航空、航天和水中与水面兵器等高科技和关系国家安全的领域具有不可替代的意义。要实现高速小型化，从流体机械的流体动力设计方面，需要解决高负荷叶片的高效率设计问题，对于以液体为介质的流体机械——水力机械而言，还要解决因高负荷而带来的空化问题。应用多级形式是实现高效和高空化性能完成能量转换的方法之一。

现阶段，对于需要较大功率而又有空间限制的应用场合，通常采用双级轴流泵的技术方案。常规双级轴流泵如图1所示，包括轮毂、首级叶轮、首级导叶、次级叶轮、次级导叶。由于在首级叶轮和次级叶轮之间设置了首级导叶，使得泵的轴向尺寸延长、重量增大，从而无法满足对喷水推进系统重量和尺寸上的使用要求。因此，在空间受限或重量受限时，双级轴流泵的空间布置非常困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可大幅度减小轴向尺寸的水泵，并改善其工作性能。

本发明提供了一种带锥型轮毂的双叶轮串列泵，包括轮毂、首级叶轮、次级叶轮、导叶，与现有的双极轴流泵不同，本发明的首级叶轮、次级叶轮、导叶顺序设置在轮毂上，在首级叶轮和次级叶轮之间不设置导叶。由于本发明使用串列的布置形式，在首级叶轮和次级叶轮之间不设置导叶，可减小喷水推进系统的尺寸和重量。

本发明所述轮毂为变轮毂比的锥型轮毂。通常，轮毂比是根据比转速确定的。本发明采用的变轮毂比设计可以使得串列泵的扬程和效率有所提高。

首、次级叶轮安放角对串列泵的能量特性、空化性能曲线影响显著。由于泵的入口来流工况相对稳定，为了简化设计，首级叶轮设计成不可调式。考虑到串列泵首级叶轮和次级叶轮之间的影响，经过首级叶轮后的流动变化较为复杂，同时为了扩大泵的高效区，次级叶轮设计成可调叶轮，即叶片的安放角可以根据需要进行调节。

根据能量迭加原理，在忽略两级叶轮相互影响的情况下，串列泵两级叶轮提供的扬程之和为总扬程。串列泵通常扬程系数很高，在两级叶轮承担同等的扬程并且叶片数目相同的情况下，首级叶轮发生空化的危险大于次级叶轮。为此需要对叶轮的载荷进行适当的分配。为了减小首级叶轮发生空化的危险，载荷分配时适当减小了首级叶轮的负荷，这样较大限度的减小了首级叶轮发生空化的可能。同时由于保证总扬程的需要，在减少首级叶轮载荷的同时必然会引起次级叶轮载荷的增加。前后叶轮载荷的分配比例关系，尚没有比较明确的说法。考虑到前后叶轮比转速和叶片选择的需要，本发明确定了前后叶轮负荷之比为4∶6，即首级叶轮提供总扬程的40％，次级叶轮提供总扬程的60％。试验结果证明，本发明的流量与扬程曲线不再存在驼峰，扬程随流量的增加而单调变化，这对于推力调节具有重要的意义，而且本发明所产生的效率与流量曲线在很宽广的区域内具有几乎不变的效率，而不是像一般的泵一样高效区很窄。

有益效果

本发明使用串列的布置形式，可减小喷水推进系统的尺寸和重量。通过采用变轮毂比的锥型轮毂，并且将载荷在两个叶轮上优化匹配，改善了水泵的能量特性，实现了空化性能的提高。本发明具有流量大、结构紧凑、空间尺寸小、能量特性优、抗空化性能好等优点。

附图说明

图1是常规双级轴流泵结构图。

图2是双叶轮串列泵总体结构图；

图3是双叶轮串列泵轮毂图；

图4是首级叶轮轴面-平面投影图；

图5是首级叶轮轴测图；

图6是次级叶轮轴面-平面投影图；

图7是次级叶轮轴测图；

图8是导叶轴面-平面投影图；

图9是导叶轴测图。

其中，1为常规双级轴流泵首级叶轮，2为常规双级轴流泵首级导叶，3为常规双级轴流泵次级叶轮，4为常规双级轴流泵次级导叶，5为双叶轮串列泵首级叶轮，6为双叶轮串列泵次级叶轮，7为双叶轮串列泵导叶，8为双叶轮串列泵锥形扩散管，9为双叶轮串列泵导水锥。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的优选实施方式。

图2是根据本发明实现的带锥型轮毂的双叶轮串列泵的总体结构图，它由以下五部分组成，5为首级叶轮，6为次级叶轮，7为导叶，8为锥形扩散管，9为导水锥。从图中可以看出，首级叶轮叶片数为3、次级叶轮叶片数为6、导叶叶片数为11，首级叶轮、次级叶轮变轮毂比。

图3是双叶轮串列泵轮毂图，从图中可以看出叶轮轮毂是锥型变轮毂比设计。首级叶轮安放角不可调、次级叶轮安放角可调。

轮毂比是轮毂直径与叶轮外径的比值，是轴流式叶轮的重要结构参数，对效率、强度、结构和空化性能均有较大影响。在本实施例中，采用的是变轮毂比的锥型轮毂。通常，轮毂比是根据比转速确定的。本实施例中，由于串列泵前后级叶轮比转速不同，故选用变轮毂比设计。设计中兼顾了前后叶轮，通过试验和数值计算，发现首级叶轮轮毂比范围为0.333-0.4，次级叶轮轮毂比范围为0.4-0.467时，串列泵可以获得最佳的扬程和效率。

本实施方式的首级叶轮设计成不可调式，次级叶轮为可调式。为了实现次级叶轮可调，在次级叶轮中可采用半调式(实现叶片角度不连续调节)或全调式(实现叶片角度连续调节)。全调式是在泵轴内部安装调节油管，在轮毂体内布置叶片调节机构。半调式是将叶片用螺母固定在轮毂体上，在叶片的根部刻有基准线，而在轮毂体上刻有相应的角度线，当需要调节叶片角度时，必须先停机，然后松开螺母，转动到叶片所需要的角度，然后再用螺母固定。

图4、图5是首级叶轮轴面-平面投影图和首级叶轮轴测图，两图比较完整地描述了首级叶轮的形状。从图中，我们可以看出首级叶轮叶片数目为3，轮毂比可变，叶片扭曲程度较大。

图6、图7是次级叶轮轴面-平面投影图和次级叶轮轴测图，两图比较完整地描述了次级叶轮的形状。从图中，我们可以看出次级叶轮叶片数目为6，轮毂比可变。

本实施方式中，考虑到前后叶轮比转速和叶片选择的需要，确定了前后叶轮负荷之比为4∶6，即首级叶轮提供总扬程的40％，次级叶轮提供总扬程的60％。

叶栅稠密度是叶轮的重要几何参数，直接影响到泵的效率和抗汽蚀性能的优劣。叶片稠密度的大小，表示叶片总面积的大小。叶片稠密度减小，叶片总面积减小，摩擦面积减小，可以提高效率；但另一方面叶片工作面与背面的压力差会增加，将使汽蚀性能变坏。反之，增大，能量损失将增加，降低效率。因此叶栅稠密度选取应综合考虑，力求使损失最小和汽蚀性能最佳。叶片数的多少与叶栅稠密度密切相关。对既定的设计参数，叶栅稠密度的选择应使叶栅工作在最优工况附近。对泵而言，叶栅稠密度不仅影响效率，而且对空化性能有很大的影响，也是叶片强度的决定性因素之一。叶片数目与载荷分配有密切关系。

本发明有前后叶轮，应根据前后叶轮的比转速分别选取叶片数，同时基于两级叶轮间叶片相位角保持恒定，从而减少液流脉动力方面考虑，将次级叶轮的叶片数取为首级叶轮叶片数的两倍。这样本实施例中首级叶轮叶片数为3，次级叶轮叶片数为6。

图8、图9是导叶轴面-平面投影图和导叶轴测图，两图比较完整地描述了导叶的形状。本发明中所设计的导叶叶片数目为11，叶片扭曲程度较小。导叶的主要作用是消除从叶轮流出液体的旋转运动，将旋转运动的动能转化为压能。对于轴流泵，其导叶一般能够回收大约10％左右的动能。需要注意的是，与常规双级轴流泵相比，串列泵的扬程虽然也是由两级叶轮叠加所得，但双级轴流泵在两级叶轮之间有了一个整流的导叶，次级叶轮进口液流可以视作无预旋，经过次级叶轮的做功以后，流出次级叶轮液流的周向诱导速度的大小与单级轴流泵的基本相同，只是压力明显增加；而双叶轮串列泵则不然，流出次级叶轮液流的周向诱导速度，即流入导叶的周向诱导速度等于两级叶轮产生的周向诱导速度之和，其数值要远远超过单级轴流泵或常规双级轴流泵，其作用实际上等同于两个导叶的共同作用。由于经过导叶整流后出口周向诱导速度变为零，因此，串列泵导叶转换的环量很高。

为了缩小泵的轴向长度，常将导叶和扩散管合为一体，称为导叶体，在本发明中，如图2中标示7和9。确定导叶的主要结构参数时，与叶轮室和出水管的结构统一考虑。本实施例中采用圆柱型导叶体，锥角为0。导叶体的总长度L建议取(1.4-1.5)D，从而可以在考虑了性能要求的基础上，使轴向长度较小。本实施例中取1.47D，D为导叶的直径。导叶的叶片数一般多于叶轮叶片数，二者要互为质数，取导叶叶片数11。

本实施方式极大的减小了喷水推进系统的尺寸和重量，并且改善了水泵的能量特性，实现了空化性能的提高。本实施方式可以应用于多种场合，比如两栖车辆的水上推进系统、船舶动力、鱼雷快艇等。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种带锥型轮毂的双叶轮串列泵，包括轮毂、首级叶轮、次级叶轮、导叶，其特征在于：

首级叶轮、次级叶轮、导叶顺序设置在轮毂上，在首级叶轮和次级叶轮之间不设置导叶；

所述轮毂为变轮毂比的锥型轮毂；

其中，首级叶轮轮毂比范围为0.333-0.4，次级叶轮轮毂比范围为0.4-0.467；

首级叶轮为不可调式叶轮，次级叶轮为可调式叶轮；

首级叶轮的载荷小于次级叶轮的载荷，其负荷之比为4∶6；

次级叶轮的叶片数取为首级叶轮叶片数的两倍；

导叶体的总长度为1.4D-1.5D，其中D为导叶的直径。

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