CN105626575B - 多级叶片离心轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多级叶片离心轮，其包括前盖板、多组叶片和轮毂，多组叶片包括第一级叶片、第二级叶片和短叶片，在所述轮毂一个表面上，所述第一级叶片的多个叶片按照相同的安放角配置于内围，所述第二级叶片的多个叶片按照相同的安放角配置于外围，所述第一级叶片和所述第二级叶片交错逐级分布，多个所述短叶片分布在所述第二级叶片之间。本发明的离心轮可有效抑制泵在偏离设计工况运行时叶片通道内的流动分离，提高流动均匀性，达到降低泵振动量级的目的。

Description

多级叶片离心轮
技术领域
本发明涉及一种多级叶片离心轮，可用于宽流量范围工作的高速离心泵，尤其是航空航天推进领域。
背景技术
航空航天飞行器需要在地面、远离地面的高空或太空都能稳定工作，发动机具有变工况工作的能力，要求推进剂泵在大范围变工况范围内将推进剂以一定的压力和流量供应至发动机。推进剂泵的流量变比达到30以上，最小流量边界接近零流量。推进剂泵设计时，为了保证大流量工况的流通能力，设计点一般取最大流量工况，或者略小于最大流量工况，偏离设计工况较远的小流量工况，泵内流动紊乱，压力脉动量级较高，推进剂泵振动严重，而飞行器工作过程中，推进剂泵大部分时间都工作在小流量工况，可靠性很低。
另外，飞行器空间尺寸和结构质量的约束，要求推进剂泵取较高的设计转速，而为了减轻贮箱增压系统的质量和规模，推进剂贮箱的压力越来越低。推进剂泵高转速和低入口压力的特点，要求泵具有非常高的抗汽蚀性能，而在小流量工况，推进剂泵汽蚀问题尤为凸显。
目前，大范围变工况的推进剂泵通常采用诱导轮、复合离心轮等技术方案，泵的稳定运行工况范围比常规离心泵略有改善，但改善幅度有限，远远达不到流量工况变比30的要求。
从推进剂泵后引一路流量回到泵入口，提高泵最小工作边界的流量，减小流量工况变比，是一种可行的办法，但需要的回流流量较大，通常达到发动机系统需求流量的20％以上，才能达到一定的效果。这种方案需要更大的功率来驱动泵工作，增加了系统电源或者推进剂的重量，大幅度降低了系统的效率，在空间尺寸和结构重量紧张的情况下，是不现实的。
因此，设计一种宽范围稳定工作的离心轮，是提高推进剂泵可靠性的根本途径。
发明内容
为了解决现有技术中高速泵无法在低入口压力、大范围变工况下稳定工作的难题，提供一种偏工况效率高、稳定工作范围宽的离心轮，以降低泵在非设计工况的振动量级，提高可靠性。
本发明的多级叶片离心轮包括前盖板、多组叶片和轮毂，所述多组叶片包括第一级叶片、第二级叶片和短叶片，在所述轮毂一个表面上，所述第一级叶片的多个叶片按照相同的安放角配置于内围，所述第二级叶片的多个叶片按照相同的安放角配置于外围，所述第一级叶片和所述第二级叶片交错逐级分布，多个所述短叶片分布在所述第二级叶片之间。
优选所述第一级叶片的数量Z1与所述第二级叶片的数量Z2满足条件：Z2＝mZ1，式中m为整数，m＝1、2或3。
优选所述第一级叶片能够与所述第二级叶片采用相同的叶型，所述第一级叶片出口安放角β12大于或等于第二级叶片进口安放角β21。
优选所述第一级叶片的出口直径D12、第二级叶片的进口直径D21、短叶片的进口直径Dd1满足以下条件：D12＝(0.1～0.4)(D2-D11)+D11，D21＝0.8D12～1.1D12，Dd1＞D21，式中D11为第一级叶片进口直径，D2为离心轮出口直径。
优选所述第一级叶片和所述第二级叶片之间的夹角θ满足以下条件：2°＜θ＜180°/Z2，式中Z2为所述第二级叶片2的数量。
优选所述多级叶片能够为2级或3级。
优选所述第二级叶片的多个叶片每两两之间配置有一个所述短叶片，每个所述短叶片均按照以一定的偏置角度偏向第二级叶片的吸力面的方式进行配置。
优选所述偏置角度通常取2°～15°。
优选所述第一级叶片、所述第二级叶片和所述短叶片与轮毂一体加工成型。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、多级叶片离心轮稳定工作范围宽。传统离心轮在偏小流量工况工作时，叶片入口攻角较大，流体流入叶片后在叶片背面距进口很短的距离内就出现流动分离，流动损失增加，在较小流量工况时，甚至流动分离后堵塞叶片通道，离心轮彻底失去通流的能力。多级叶片离心轮偏工况工作时，经过第一级叶片增加后的流体通过第一级叶片和第二级叶片形成的通道，对第一级叶片出口背面区域形成抽吸作用，减小流动分离造成的损失；同时部分高压流体流向第二级叶片的背面，有效抑制了由逆压梯度形成的回流，提高了离心轮各个叶片通道的流动均匀性，有效拓宽了泵稳定工作范围。
2、多级叶片离心轮抗汽蚀性能好。传统离心轮在小流量工况运行时，叶片入口攻角增大，叶片入口背面容易发生汽蚀区域的压力损失增加，泵的抗汽蚀性能较差。多级叶片离心轮由于第一级叶片出口高压液流对进口区域的抽吸作用，减小了叶片入口容易发生汽蚀区域的压力损失，提高了泵的抗汽蚀性能。
3、输送气液两相流的能力强。传统离心轮输送夹气流体时，由于逆压梯度的作用，气相分离积聚在入口，堵塞离心轮通道，当夹气体积分数大于5％时，离心轮基本失去做功能力。多级叶片离心轮第一级叶片出口高压液流对进口区域形成抽吸作用，抑制了气相在进口的分离积聚，提高了输送气液两相流的能力。
附图说明
图1为多级叶片离心轮结构示意图；
图2为多级叶片离心轮叶片分布示意图；
图3为多级叶片离心轮局部放大图。
具体实施方式
图1为本发明的多级叶片离心轮的结构示意图，也是本发明的一个优选实施例。本发明的多级叶片离心轮第一级叶片1、第二级叶片2和短叶片3与轮毂5一体加工，在所述轮毂5一个表面上，第一级叶片1的多个叶片按照相同的安放角配置于内围，第二级叶片2的多个叶片按照相同的安放角配置于外围，第一级叶片1和第二级叶片2交错逐级分布，短叶片3分布在第二级叶片之间。第一级叶片1可以与所述第二级叶片2采用相同的叶型，第一级叶片出口安放角β12大于或等于第二级叶片进口安放角β21。然后和前盖板4钎焊在一起，也可以为整体铸造成型。本实施例为闭式叶轮，也可以根据不同的要求，设计为半开式叶轮，不需要钎焊前盖板4。
如图2所示，本发明的离心轮第一级叶片1和第二级叶片2均布在轮毂5上，第一级叶片1的数量可以与第二级叶片2数相等，也可以为第二级叶片数的二分之一或三分之一，即，第一级叶片1的数量Z1与所述第二级叶片2的数量Z2满足条件：Z2＝mZ1，式中m为整数，m＝1、2或3。当第二级叶片数较多时，取较少的第一级叶片数，主要是考虑离心轮入口叶片的堵塞程度。
如图3所示，第一级叶片1的出口直径D12＝(0.1～0.4)(D2-D11)+D11，第二级叶片2的入口直径D21＝0.8D12～1.1D12，设计时保证第一级叶片和第二级叶片之间形成一定的重叠区域。当叶片包角较大时，第二级叶片入口直径D21可以大于第一级叶片的出口直径D21；当叶片包角较小时，需要取较小的第二级叶片入口直径D21，才能保证两级叶片之间形成一定的重叠区域。
第一级叶片1和第二级叶片2之间的夹角θ满足条件：2°＜θ＜180°/Z2，式中Z2为第二级叶片2的数量，这样保证第一级叶片的出口偏向第二级叶片的吸力面，更有利于第一级叶片出口的部分高压流体流向第二级叶片的吸力面，抑制叶轮出口的脱流。当离心轮流量工况范围较窄时，夹角θ取小值，尽量保证泵在设计点附近具有较高的效率。
在第二级叶片2的多个叶片的两两之间均配置有一个短叶片3，短叶片3的进口直径Dd1大于第二级叶片2的进口直径D21，且偏向第二级叶片的吸力面，偏置角度根据第二级叶片的数量和包角等参数确定，一般取2°～15°。通过短叶片偏置处理，可以抑制第二级叶片吸力面出口回流，提高叶轮内流动均匀性，提高泵工作稳定性，降低泵振动量级。

Claims (6)

1.一种多级叶片离心轮，包括前盖板、多组叶片和轮毂，其特征在于：所述多组叶片包括第一级叶片、第二级叶片和短叶片，在所述轮毂一个表面上，所述第一级叶片的多个叶片按照相同的安放角配置于内围，所述第二级叶片的多个叶片按照相同的安放角配置于外围，所述第一级叶片出口安放角大于或等于所述第二级叶片进口安放角，所述第一级叶片和所述第二级叶片交错逐级分布，所述第一级叶片的出口偏向所述第二级叶片的吸力面，所述第二级叶片的多个叶片每两两之间均配置有一个所述短叶片，每个所述短叶片均按照以一定的偏置角度偏向第二级叶片的吸力面的方式进行配置，所述第一级叶片的出口直径D12、第二级叶片的进口直径D21、短叶片的进口直径Dd1满足以下条件：D12＝(0.1～0.4)(D2-D11)+D11，D21＝0.8D12～1.1D12，Dd1＞D21，式中D11为第一级叶片进口直径，D2为离心轮出口直径，所述第一级叶片的出口端与轮毂圆心的连线和所述第二级叶片进口端与轮毂圆心的连线之间的夹角θ满足以下条件：2°＜θ＜180°/Z2，式中Z2为所述第二级叶片（2）的数量。
2.根据权利要求1所述的多级叶片离心轮，其特征在于：所述第一级叶片的数量Z1与所述第二级叶片的数量Z2满足条件：Z2＝mZ1，式中m为整数，m＝1、2或3。
3.根据权利要求1所述的多级叶片离心轮，其特征在于：所述第一级叶片能够与所述第二级叶片采用相同的叶型。
4.根据权利要求1所述的多级叶片离心轮，其特征在于：所述多级叶片为2级或3级。
5.根据权利要求1所述的多级叶片离心轮，其特征在于：所述偏置角度取2°～15°。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的多级叶片离心轮，其特征在于：所述第一级叶片、所述第二级叶片和所述短叶片与轮毂一体加工成型。
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