CN106762804B - 一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，包括吸水弯管、吸入直管、叶轮、导叶、喷嘴、导叶尾椎以及主轴，吸水弯管的出口连接吸入直管入口，吸入直管出口与叶轮入口连接，叶轮的出口依次连接导叶和喷嘴，导叶尾椎连接在导叶尾部，叶轮通过键固定在主轴上；叶轮叶片的叶轮叶片轮缘处的叶轮外壁上设有叶轮轮缘开孔。叶轮轮缘开孔为叶轮叶片轮缘处叶轮外壁面轮缘开孔，叶轮轮缘开孔的形状为轴面流道按转轴旋转扫掠而成的环状流道。本发明通过轮缘开孔将叶轮轮缘处的局部高压流体引导至叶轮叶片前缘靠轮缘处，使叶轮叶片进口区域压力增加，抑制空化产生，解决了高速高效喷水推进泵高抗汽蚀问题，同时该结构满足喷泵设计空间限制。

Description

一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵
技术领域
本发明涉及喷水推进泵技术领域，具体地，涉及一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，该喷水推进泵不仅可以满足高航速时效率高，同时能够满足抗汽蚀能力强、振动噪声小等特殊要求。
背景技术
随着船舶工业的不断发展，尤其是战争给军事领域技术带来的不断挑战，推进器技术成为决定海上战争的关键，隐身技术和精确制导技术要求推进器不仅具有高速度，而且要有低噪声。在军用领域的应用方面，喷水推进技术在高速攻击艇、高速车客渡船、海军高速运输舰、护卫舰、轻护卫舰、两栖装甲车辆和安静型核潜艇等领域都有所应用，并在某些方面具有特殊的优势。喷水推进泵利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进，与常规螺旋桨推进技术相比，喷水推进泵具有抗空化性能强、推进效率高、振动和噪声水平低、操纵性能好及变工况性能强等优点。喷水推进泵是喷水推进装置的核心部件，须根据船舶的类型、阻力大小、主机类型等来选择或设计。喷水推进泵要效率高、抗汽蚀性能好、流量系数和扬程系数大，要做到高速化大推力航行，但推进泵的结构尺寸又受安装空间限制，因此设计难度较大。高效、高抗汽蚀且具有强大做功能力的喷水推进泵的研发成为促进喷水推进技术发展的关键。目前，国内喷水推进泵技术普遍低于国外水平，又受制于国外技术的封锁，这不利于保持军事领域的竞争性。自主研发喷水推进泵，对加速国内喷水推进技术的发展和高性能船舶的开发都具有较大意义。
喷水推进泵的泵型主要是轴流泵和导叶式混流泵。通常喷水推进泵的设计主要通过对叶轮的设计来保证高航速时效率高，同时满足抗汽蚀能力强，振动噪声小等特殊要求。另一种方式是增加转速提高推进泵效率，但增加转速将导致叶轮内产生空化并伴有噪声和水力激振，严重影响推进泵安全稳定运行。
目前，高速、高效、高抗汽蚀性能的喷水推进泵的设计，受制于结构尺寸和水力部件叶片空化性能要求的双重制约，为保证喷水推进泵在高速低噪声下稳定运行，提出一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵设计是十分必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的高速高效喷水推进泵高抗汽蚀问题，本发明的目的是提供一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，该喷水推进泵是一种能够满足高航速时效率高，同时能够满足振动噪声小、水声信号低及抗汽蚀能力强等特殊要求的喷水推进泵。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，包括吸水弯管1、吸入直管2、叶轮3、导叶4、喷嘴5、导叶尾椎6以及主轴9，所述吸水弯管1的出口连接吸入直管2入口，吸入直管2出口与叶轮3入口连接，叶轮3的出口依次连接导叶4和喷嘴5，导叶尾椎6连接在导叶4尾部，所述叶轮3通过键固定在主轴9上；所述叶轮3的叶轮叶片800的叶轮叶片轮缘802处的叶轮外壁上设有叶轮轮缘开孔803；所述的叶轮3为半开式叶轮。
优选地，所述叶轮轮缘开孔803为半开式叶轮的叶轮叶片轮缘(802)处叶轮外壁面(808)轮缘开孔。
优选地，所述叶轮轮缘开孔803的形状为轴面流道按转轴旋转扫掠而成的环状流道。
优选地，所述叶轮轮缘开孔803的轮缘开孔吸入端805位于叶轮叶片800的叶轮叶片前缘804和叶轮叶片尾缘801之间，轮缘开孔吸入端805与叶轮叶片前缘804之间距离为L1＝0.3～0.95L，所述叶轮轮缘开孔803的轮缘开孔出口端809位于叶轮叶片前缘804之前，轮缘开孔出口端809与叶轮叶片前缘804之间的距离为L3＝0.05～0.3L，其中L为叶轮叶片前缘804与叶轮叶片尾缘801之间叶轮叶片轮缘802的距离。
优选地，所述轮缘开孔吸入端805的宽度为L2＝(0.2～1)t，轮缘开孔出口端809的宽度为L4＝(0.2～2)t，其中t为叶轮叶片轮缘802的最大厚度。
优选地，所述轮缘开孔吸入端805和轮缘开孔出口端809之间的轮缘壁810与叶轮外壁的叶轮外壁面808之间通过轮缘开孔支撑筋板807连接。
优选地，所述轮缘开孔支撑筋板807数量为多根，其中每一根轮缘开孔支撑筋板807的厚度均为b＝(1～3)t，其中t为叶轮叶片轮缘802的最大厚度；多根轮缘开孔支撑筋板807为环向均布。
优选地，所述轮缘开孔支撑筋板807数量为5～15根。
优选地，叶轮轮缘开孔803的内外壁面之间的距离为H3＝(0.2～1.0)t，叶轮轮缘开孔803处的叶轮外壁面808的厚度为H2＝(1～2)t，轮缘开孔吸入端805和轮缘开孔出口端809之间的轮缘壁810在轮缘轴面视图为直线时厚度为H4＝(1～2)t，叶轮轮缘开孔803处的轮缘外壁总壁面厚度H1＝H2+H3+H4＝(2.2～5)t，其中t为叶轮叶片轮缘802的最大厚度。
优选地，叶轮叶片轮缘802轴面视图为凸曲线时，轮缘开孔吸入端805和轮缘开孔出口端809之间的轮缘壁810最低厚度为Hmin＝(1～1.5)t，其中t为叶轮叶片轮缘802的最大厚度。
优选地，轮缘开孔吸入端805和轮缘开孔出口端809采用圆弧过渡时，轮缘开孔吸入端805的内圆弧半径为R1，轮缘开孔吸入端805的外圆弧半径为R2，轮缘开孔出口端809的内圆弧半径为R3，轮缘开孔出口端809的外圆弧半径为R4，其中，R1、R2、R3、R4之间的关系为R1≤H4，R3≤H4，R1≤H1-H2，R3≤H1-H2。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其叶轮外壁上开有叶轮轮缘开孔结构，通过叶轮轮缘开孔将叶轮轮缘处的局部高压流体引导至叶轮叶片前缘靠轮缘处，使叶轮叶片进口区域压力增加，抑制空化产生，解决了高速高效喷水推进泵高抗汽蚀问题，同时该结构满足喷泵设计空间限制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵结构示意图；
图2是本发明一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵叶轮导叶结构示意图；
图3是本发明喷水推进泵叶轮直线轮缘开孔的尺寸结构示意图；
图4是本发明喷水推进泵叶轮凸形轮缘开孔尺寸结构示意图；
图5是本发明喷水推进泵叶轮轮缘开孔样式尺寸结构示意图；
图6是本发明喷水推进泵叶轮叶片轮缘最大厚度示意图。
图中：1为吸水弯管，2为吸入直管，3为叶轮，4为导叶，5为喷嘴，6为导叶尾椎，7为导叶体轴承，800为叶轮叶片，801为叶轮叶片尾缘，802为叶轮叶片轮缘，803为叶轮轮缘开孔，804为叶轮叶片前缘，805为轮缘开孔吸入端，806为轮缘开孔区域轮缘壁面，807轮缘开孔支撑筋板，808为叶轮外壁面，809为轮缘开孔出口端，810为轮缘开孔吸入端和轮缘开孔出口端之间的轮缘壁，9为主轴，10为油室前轴承，11为油室，12为油室后轴承。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
如图1和图2所示，本实施例提供了一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，包括吸水弯管1、吸入直管2、叶轮3、导叶4、喷嘴5、导叶尾椎6、主轴9，吸水弯管1的出口连接吸入直管2的入口，吸入直管2的出口与叶轮3的入口连接，叶轮3的出口依次连接导叶4和喷嘴5，导叶尾椎6连接在导叶4尾部，叶轮3通过键固定在主轴9上，主轴9为水平布置。
进一步地，叶轮3为半开式叶轮，包括叶轮轮毂和半开式结构的叶轮叶片800，叶轮叶片800的叶轮叶片轮缘802处的叶轮外壁上设有叶轮轮缘开孔803。
进一步地，如图1和图2所示，与叶轮轮缘开孔803相关的部件罗列如下：
叶轮叶片尾缘801、叶轮叶片轮缘802、叶轮叶片前缘804、轮缘开孔吸入端805、轮缘开孔区域轮缘壁面806、轮缘开孔支撑筋板807、叶轮外壁面808、轮缘开孔出口端809、轮缘开孔吸入端805和轮缘开孔出口端809之间的轮缘壁810。
进一步地，叶轮轮缘开孔803为半开式叶轮叶片轮缘802处叶轮外壁面808轮缘开孔。
进一步地，叶轮轮缘开孔803形状为轴面流道按转轴旋转扫掠而成的环状流道。
进一步地，叶轮轮缘开孔803的轮缘开孔吸入端805位于叶轮叶片前缘804和叶轮叶片尾缘801之间，轮缘开孔吸入端805与叶轮叶片前缘804之间距离为L1＝(0.3～0.95)L，叶轮轮缘开孔803的轮缘开孔出口端809位于叶轮叶片前缘804之前，与叶轮叶片前缘804之间的距离为L3＝(0.05～0.3)L，叶轮叶片前缘804轮缘处与叶轮进口距离Ls和半径Ds在叶轮设计时已确定，其中L为叶轮叶片前缘804与叶轮叶片尾缘801在轮缘的距离，L在叶轮叶片设计中已确定。
进一步地，轮缘开孔吸入端805宽度为L2＝(0.2～1)t，轮缘开孔出口端809宽度为L4＝(0.2～2)t，其中t为叶轮叶片轮缘802最大厚度，t在叶轮设计时已确定。
进一步地，轮缘开孔吸入端805和轮缘开孔出口端809之间的轮缘壁810与叶轮外壁面808之间采用轮缘开孔支撑筋板807连接，轮缘开孔支撑筋板807数量为5～15根，轮缘开孔支撑筋板807厚度为b＝(1～3)t，轮缘开孔支撑筋板807为环向均布。
进一步地，叶轮轮缘开孔803内外壁面距离为H3＝(0.2～1.0)t。叶轮轮缘开孔803处叶轮外壁面808厚度为H2＝(1～2)t，轮缘开孔吸入端和轮缘开孔出口端之间的轮缘壁810在轮缘轴面视图为直线时厚度为H4＝(1～2)t，叶轮轮缘开孔处的轮缘外壁总壁面厚度H1＝H2+H3+H4＝(2.2～5)t。
进一步地，导叶为闭式结构，叶轮叶片数目与导叶叶片数目互质。
进一步地，叶轮叶片轮缘802轴面视图为凸曲线时，轮缘壁810最低厚度为Hmin＝(1～1.5)t。
进一步地，轮缘开孔吸入端805和轮缘开孔出口端809采用圆弧过渡时，吸入端内圆弧半径为R1，吸入端外圆弧半径为R2，出口端内圆弧半径为R3，出口端外圆弧为R4，圆弧过渡采用适当的圆弧半径，即R1、R2、R3、R4满足R1≤H4，R3≤H4，R1≤H1-H2，R3≤H1-H2，以保证吸入端和出口端与轮缘开孔光滑连接，减小液流冲击损失。
进一步地，本实施例提供的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，还可以包括如下部件：
导叶体轴承7、油室前轴承10、油室11和油室后轴承12；其中，所述导叶体轴承7设置于导叶4内部，油室前轴承10、油室11和油室后轴承12分别设置于吸入弯管1侧边。
本实施例提供的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，通过轮缘开孔将叶轮轮缘处的局部高压流体引导至叶轮叶片前缘靠轮缘处，使叶轮叶片进口区域压力增加，抑制空化产生，解决了高速高效喷水推进泵高抗汽蚀问题，同时该结构满足喷泵设计空间限制，具有广阔的应用前景。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，包括吸水弯管(1)、吸入直管(2)、叶轮(3)、导叶(4)、喷嘴(5)、导叶尾椎(6)以及主轴(9)，所述吸水弯管(1)的出口连接吸入直管(2)入口，吸入直管(2)出口与叶轮(3)入口连接，叶轮(3)的出口依次连接导叶(4)和喷嘴(5)，导叶尾椎(6)连接在导叶(4)尾部，所述叶轮(3)通过键固定在主轴(9)上；所述叶轮(3)的叶轮叶片(800)的叶轮叶片轮缘(802)处的叶轮外壁上设有叶轮轮缘开孔(803)；所述叶轮(3)为半开式叶轮；
所述叶轮轮缘开孔(803)的轮缘开孔吸入端(805)位于叶轮叶片(800)的叶轮叶片前缘(804)和叶轮叶片尾缘(801)之间，轮缘开孔吸入端(805)与叶轮叶片前缘(804)之间距离为L1＝(0.3～0.95)L，所述叶轮轮缘开孔(803)的轮缘开孔出口端(809)位于叶轮叶片前缘(804)之前，轮缘开孔出口端(809)与叶轮叶片前缘(804)之间的距离为L3＝(0.05～0.3)L，其中L为叶轮叶片前缘(804)与叶轮叶片尾缘(801)之间叶轮叶片轮缘(802)的距离。
2.如权利要求1所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，所述叶轮轮缘开孔(803)为半开式叶轮的叶轮叶片轮缘(802)处叶轮外壁面(808)轮缘开孔，所述叶轮轮缘开孔(803)的形状为轴面流道按转轴旋转扫掠而成的环状流道。
3.如权利要求1所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，所述轮缘开孔吸入端(805)的宽度为L2＝(0.2～1)t，轮缘开孔出口端(809)的宽度为L4＝(0.2～2)t，其中t为叶轮叶片轮缘(802)的最大厚度。
4.如权利要求1所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，所述轮缘开孔吸入端(805)和轮缘开孔出口端(809)之间的轮缘壁(810)与叶轮外壁的叶轮外壁面(808)之间通过轮缘开孔支撑筋板(807)连接。
5.如权利要求4所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，所述轮缘开孔支撑筋板(807)数量为多根，其中每一根轮缘开孔支撑筋板(807)的厚度均为b＝(1～3)t，其中t为叶轮叶片轮缘(802)的最大厚度；多根轮缘开孔支撑筋板(807)为环向均布。
6.如权利要求5所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，所述轮缘开孔支撑筋板(807)数量为5～15根。
7.如权利要求4所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，叶轮轮缘开孔(803)的内外壁面之间的距离为H3＝(0.2～1.0)t，叶轮轮缘开孔(803)处的叶轮外壁面(808)的厚度为H2＝(1～2)t，轮缘开孔吸入端(805)和轮缘开孔出口端(809)之间的轮缘壁(810)在轮缘轴面视图为直线时厚度为H4＝(1～2)t，叶轮轮缘开孔(803)处的轮缘外壁总壁面厚度H1＝H2+H3+H4＝(2.2～5)t，其中t为叶轮叶片轮缘(802)的最大厚度。
8.如权利要求4所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，叶轮叶片轮缘(802)轴面视图为凸曲线时，轮缘开孔吸入端(805)和轮缘开孔出口端(809)之间的轮缘壁(810)最低厚度为Hmin＝(1～1.5)t，其中t为叶轮叶片轮缘(802)的最大厚度。
9.如权利要求7所述的一种叶轮轮缘开孔的高抗汽蚀喷水推进泵，其特征在于，轮缘开孔吸入端(805)和轮缘开孔出口端(809)采用圆弧过渡时，轮缘开孔吸入端(805)的内圆弧半径为R1，轮缘开孔吸入端(805)的外圆弧半径为R2，轮缘开孔出口端(809)的内圆弧半径为R3，轮缘开孔出口端(809)的外圆弧半径为R4，其中，R1、R2、R3、R4之间的关系为R1≤H4，R3≤H4，R1≤H1-H2，R3≤H1-H2。
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