CN105526191A - 一种半开式叶轮离心泵 - Google Patents

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张翠儒
杨大昱
刘军年
安莎
徐楠
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Abstract

本发明为一种半开式叶轮离心泵，工作特性为小流量、高扬程。泵结构采用前置诱导轮+无前盖板的离心轮的结构，离心轮不带前盖板减小了高转速下圆盘摩擦损失，通过增大叶片出口宽度、采用小叶顶间隙的设计方法，既提高泵的理论扬程、也减小了离心轮内的附面层损失，显著提高了泵性能。通过设计无前盖板离心轮的叶顶间隙为可调式结构，实现了泵性能可调，显著提高了产品性能适应性。本发明具有高转速、高性能、结构紧凑、质量轻等特点，适用于各种上面级火箭发动机涡轮泵装置，应用前景广阔。

Description

一种半开式叶轮离心泵
技术领域
本发明涉及一种叶轮离心泵，特别适用于各种上面级火箭发动机涡轮泵装置。
背景技术
根据目前我国航天发射任务发展需要，上面级火箭发动机要求涡轮泵性能高、质量轻，需研制适用于小流量、高扬程的低比转速泵。该应用领域离心轮通常设计为闭式叶轮结构，而上面级火箭发动机对涡轮泵提出了高性能、高转速、结构紧凑的设计要求，如果仍采用闭式叶轮离心泵，则存在以下不利因素：
1)上面级发动机涡轮泵转速较高，某型涡轮泵转速可达到60000r/min，如果采用闭式叶轮(比半开式叶轮多一个前盖板)，则其圆盘摩擦损失将大幅增加。
2)上面级发动机要求涡轮泵结构紧凑、质量轻，如果采用闭式叶轮，必须设置复杂的叶轮前、后密封，必然占据更多的轴向和径向空间，装配将变得复杂，不利于涡轮泵小型化设计。
3)上面级发动机涡轮泵为低比转速泵，结构尺寸小，传统设计方法离心轮流道宽度十分狭窄，叶片出口宽度小，如果采用闭式叶轮，产品加工上通常采用将前盖板与叶轮焊接成型的工艺方法，该方法容易使焊料在流道内漫流堆积，泵流道结构偏离设计要求，导致性能偏离设计值。
发明内容
本发明提供一种半开式叶轮离心泵，它克服了一般闭式叶轮离心泵应用于上面级火箭发动机涡轮泵带来的不利因素，具备高性能、小型化、轻质化的特点，还可实现泵性能的调整。
本发明的技术解决方案为：
本发明所提供的一种半开式叶轮离心泵，包括诱导轮1、离心轮2、泵进口管3、螺母4、橡胶密封圈5、垫片6及泵壳体7。
其特殊之处在于：离心轮2为半开式结构，离心轮2前设置诱导轮1，泵进口管3套装于诱导轮1的外侧，泵进口管3的端面与离心轮2叶片叶顶端面组成叶顶间隙。所述垫片6位于泵进口管3与泵壳体7之间，实现对叶顶间隙大小的控制。螺母4与泵壳体7采用螺纹连接方式，通过拧紧螺母4压紧泵进口管3进行轴向定位。泵进口管3与泵壳体7之间通过径向压缩橡胶密封圈5进行密封。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还作出以下优化限定：
进一步的，本发明的离心轮2的叶片为单圆弧直叶片、诱导轮1为等螺距结构。该结构限定使零件结构简单，更易于加工，有利于实现离心泵的小型化。
再进一步的，本发明的离心轮2的叶片出口宽度比理论计算叶片出口宽度增大1.5～2倍；离心轮叶顶间隙不大于0.8mm。该结构限定有助于提高了小型高速半开式离心泵的性能：通过增大叶片出口宽度的设计方法，既提高泵的理论扬程、也减小了离心轮内的附面层损失。小叶顶间隙不但减小了间隙内二次流动损失，还减小了泵前容积损失。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明半开式叶轮离心泵，结构紧凑、质量轻、性能高，可大幅提高涡轮泵整体性能，具体是：
1)结构紧凑
由于半开式叶轮无前盖板，就省去了泵前密封凸台，这使离心轮的轴向长度缩小，转动轴系总长度减小约3％。
现有离心泵进口管(或者前盖板)与泵壳体普遍设计为法兰—螺栓连接结构，本发明采用的螺母与泵壳体螺纹连接，通过拧紧螺母压紧泵进口管进行定位，简化了该部位连接结构，减少了零件数量，且更易于装配。
现有离心泵进口管(或者前盖板)与泵壳体之间的密封普遍设计为轴向压缩密封垫的结构，不仅占用更多轴向空间，且受到泵进口管与泵壳体装配过程轴向压紧质量(包括压缩量、沿周向压紧均匀性)影响，密封性能不易保证。本发明采用泵进口管与泵壳体之间通过径向压缩橡胶密封圈进行密封，既缩短了轴向长度，且橡胶密封圈的压缩量由泵进口管及泵壳体尺寸保证，不受装配质量影响，密封性能更加可靠。
以上均使泵结构更为简单、紧凑，缩短了轴长度，使转子刚性增强，工作可靠性提高。
2)泵性能可调
叶顶间隙是影响半开式叶轮性能的重要参数，本发明采用叶顶间隙可调式结构(泵进口管与泵壳体之间设置垫片)，结构简单，易于装配，实现了泵性能可调，可满足不同发动机对涡轮泵性能要求，显著提高了产品性能适应性。
3)泵性能高
增大叶片出口宽度：本发明的离心轮的叶片出口宽度比理论计算叶片出口宽度增大1.5～2倍，一方面提高了泵的理论扬程(比一般宽度叶片的扬程约提高20％)，减小了叶轮直径，从而降低了圆盘摩擦损失；另一方面，由于流道加宽，减小了离心轮内的附面层损失。
小叶顶间隙：对半开式离心泵，叶轮叶顶间隙对泵性能影响较大，叶顶间隙越小，泵性能越高，反之则越低。为避免叶轮发生刮蹭，普通设计的半开式离心泵叶顶间隙一般相对较大，约为3～10mm。本设计采用了小叶顶间隙结构，设计叶顶间隙小于0.8mm，小叶顶间隙不但减小了间隙内二次流动损失，也减小了泵前容积损失。
将本发明应用于某上面级发动机涡轮泵装置，与传统设计的闭式叶轮离心泵相比，具有以下优势：
1)性能适应性更强：利用半开式叶轮离心泵叶顶间隙大小可影响泵性能这一特性，所设计泵结构可实现叶顶间隙可调整，从而实现泵性能可调。
2)发动机起动加速性更高：由于半开式叶轮圆盘摩擦损失小，起动时摩擦力矩小，同时结构紧凑，转子轴系(包括泵、轴)质量相比闭式叶轮较小了0.5kg，使得转动惯量小，涡轮泵的起动加速性(T90为0.28s)比采用闭式离心泵的同推力量级发动机涡轮泵加速性(T90为0.8s)显著提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其中1-诱导轮、2-离心轮、3-泵进口管、4-螺母、5-橡胶密封圈、6-垫片、7-泵壳体。
具体实施方式
如图1所示，本发明为小型高速高性能半开式叶轮离心泵，包括诱导轮1、离心轮2、泵进口管3、螺母4、橡胶密封圈5、垫片6、泵壳体7。离心轮2半开式结构，离心轮2前设置诱导轮1，泵进口管3套装于诱导轮1的外侧，泵进口管3的端面与离心轮2叶片叶顶端面组成叶顶间隙。垫片6位于泵进口管3与泵壳体7之间，实现对叶顶间隙大小的控制。螺母4与泵壳体7采用螺纹连接方式，通过拧紧螺母4压紧泵进口管3进行轴向定位。泵进口管3与泵壳体7之间通过径向压缩橡胶密封圈5进行密封。泵主要零件，诱导轮为等螺距结构，离心轮为无前盖板，单圆弧直叶片设计，叶片与后盖板为一体，离心轮为大叶片出口宽度、小叶顶间隙结构。

Claims (3)

1.一种半开式叶轮离心泵，包括诱导轮(1)、离心轮(2)、泵进口管(3)、螺母(4)、橡胶密封圈(5)、垫片(6)及泵壳体(7)，
其特征在于：离心轮(2)为半开式结构，离心轮(2)前设置诱导轮(1)，泵进口管(3)套装于诱导轮(1)的外侧，泵进口管(3)的端面与离心轮(2)叶片叶顶端面组成叶顶间隙；垫片(6)位于泵进口管(3)与泵壳体(7)之间，实现对叶顶间隙大小的控制；螺母(4)与泵壳体(7)采用螺纹连接方式，通过拧紧螺母(4)压紧泵进口管(3)进行轴向定位；泵进口管(3)与泵壳体(7)之间通过径向压缩橡胶密封圈(5)进行密封。
2.根据权利要求1所述的半开式叶轮离心泵，其特征在于：所述离心轮的叶片为单圆弧直叶片、诱导轮为等螺距结构。
3.根据权利要求1-2之任一权利要求所述的半开式叶轮离心泵，其特征在于：所述离心轮(2)的叶片出口宽度比理论计算叶片出口宽度增大1.5～2倍；离心轮叶顶间隙不大于0.8mm。
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