CN109882423B - 一种超低比转速离心泵装置 - Google Patents

Abstract

一种超低比转速离心泵装置，包括：螺旋叶片、离心式叶轮、传动轴、壳体。离心式叶轮套装在传动轴上，离心式叶轮的进口处设置有螺旋叶片；螺旋叶片和离心式叶轮之间形成螺旋线流道；壳体套装在离心式叶轮和传动轴的外部，壳体和传动轴之间形成空腔；壳体沿传动轴径向方向上设置有进口和出口；离心式叶轮的进口端面朝向空腔；空腔通过壳体进口连通外部燃料贮箱，离心式叶轮的出口连接外部发动机的燃烧室。本发明具有结构尺寸小、重量轻、扬程高、比转速低，耐偏二甲肼腐蚀、抗汽蚀性能好、效率高等优点，可广泛用于上面级小推力泵压式液体火箭发动机，同时也可用做小流量、高出口压力能源动力领域。

Description

一种超低比转速离心泵装置

技术领域

本发明涉及一种超低比转速离心泵装置，特别是一种适用于液体火箭发动机燃料增压泵，可用于液体火箭发动机推进剂供应系统及相关能源动力领域。

背景技术

涡轮泵作为液体火箭发动机的心脏，具有高温、高压、高转速、腐蚀性介质工作的特征。燃料泵装置作为液体火箭发动机推进剂供应系统的核心组件，一方面需要有较高的抗汽蚀能力，在尽可能低的泵入口压力下无汽蚀工作，进而有利于火箭推进剂贮箱重量减轻，提高有效载荷；另一方面随着液体火箭发动机向更高室压的方向发展，泵供应系统必须在给定的流量下将来自贮箱的压力提高并满足推力室的高压力要求。尤其对于上面级泵压式火箭发动机，要求燃料泵装置重量尽可能轻、结构尺寸尽可能小、给定工作流量小、泵出口压力高等特征。

根据上面级发动机小流量、高扬程的功能要求，目前大多数发动机燃料泵装置设计比转速较低。一般泵比转速在30<ns<80范围内定义为低比转速泵，比转速ns≤30的离心泵称为超低比转速离心泵；对于低比转速离心泵主要存在以下问题：

1)由于其在设计小流量泵时，为了获得较高的效率，采用正冲角和加大流量设计，这样就使得泵实际运行工况液流角小于设计液流角，从而使诱导轮和离心轮进口前缘都具有不均匀的圆周速度分量，从而产生绕流涡旋，致使小流量区扬程和效率下降；

2)离心轮、蜗壳的尾流-射流、二次流与流动分离、分层效应等使小流量区出现不稳定。因此比转速越小，泵设计难度越大。

ZL201010221455.8号专利公开了一种低比转速部分流泵，其叶轮为全开式结构，通常其最高效率点在切断流量附近，该流量点附近使用会使得扬程变得不稳定，尤其是工况变化和波动时，不利于火箭发动机系统稳定性，且由于其全开式叶轮结构导致泵后轴间密封较为困难。2011510907814.0号专利公开了一种半开式离心泵用于液体火箭发动机，该技术采用半开式结构，叶轮与泵壳体必然存在较大的间隙，并且在运行中间隙难以保证。通常会产生较大的液体泄露还无法通过设计进出口密封结构控制，导致其扬程和效率下降显著，因此并不能保证上面级发动机对小流量、高扬程超低比转速泵装置的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对某型上面级火箭发动机要求的重量尽可能轻、结构尺寸尽可能小、给定工作流量小、泵出口压力高等特征及参数，提出了一种超低比转速离心泵装置，能够保障发动机推进剂供应及正常工作。

本发明的技术方案是：

一种超低比转速离心泵装置，包括：螺旋叶片、离心式叶轮、传动轴、壳体、离心轮进口密封环、离心轮出口密封环、进口过流转接件、进口管和出口管；

所述离心式叶轮套装在所述传动轴上，所述离心式叶轮的进口处设置有螺旋叶片；所述螺旋叶片和所述离心式叶轮的叶片之间形成螺旋线流道；

所述壳体套装在离心式叶轮和传动轴的外部，所述壳体和所述传动轴之间形成空腔；离心式叶轮的进口端面朝向所述空腔；所述壳体沿传动轴径向方向上设置有进口和出口；所述空腔通过壳体的进口连通外部燃料贮箱，所述离心式叶轮的出口连接外部发动机的燃烧室。

所述螺旋叶片为等螺距的双螺旋叶片，螺旋叶片工作面与轴线的夹角小于螺旋叶片非工作面与轴线的夹角，所述螺旋叶片的出口处采用圆弧流线型面与所述离心式叶轮光滑连接。

所述螺旋叶片的轮毂直径取值范围为Φ22～Φ24mm，所述螺旋叶片入口处和出口处的轮毂比相等，所述轮毂比的取值范围为0.4～0.5；所述螺旋叶片的材料为铝合金。

所述离心式叶轮的材料为钛合金，所述离心式叶轮的叶片包括n个长叶片和n个短叶片，所述长叶片和短叶片在离心式叶轮的后盖板上间隔排布，所述n为正整数。

所述离心式叶轮的叶片进口角的取值范围为18°～20°，离心式叶轮的叶片出口角的取值范围为35°～40°。

所述离心式叶轮的前盖板进口处和后盖板出口处周向向外均设置有多道等间距排布的篦齿结构；所述离心轮进口密封环、离心轮出口密封环均通过所述篦齿结构密封离心式叶轮与壳体。

所述离心轮进口密封环的外壁和离心轮出口密封环的外壁均通过螺纹与壳体连接。

所述进口过流转接件为由一弧线绕回转轴旋转产生的回旋体，所述弧线的凸起方向朝向所述回转轴；所述进口过流转接件的大端与所述壳体的端部固定连接，所述进口过流转接件的小端与所述传动轴光滑连接。

所述进口过流转接件的直径取值范围为Φ22～Φ36mm。

所述空腔通过所述进口管连通外部燃料贮箱，所述离心式叶轮的出口通过所述出口管连接外部发动机的燃烧室；所述出口管与壳体的蜗壳喉部光滑连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明流量小、扬程高，比转速低。为解决燃料泵小流量高扬程性能稳定性的问题，离心式叶轮采用闭式结构，设计六个长叶片和六个短叶片结构，既保证了泵装置在小流量下的工作稳定性又减小了因小流量高扬程泵流道狭长产生的水力损失，泵壳体的蜗壳采用四点圆弧法设计，蜗壳喉部设计为圆形截面，有利于电极加工并与泵的出口管实现光顺连接。经泵水力试验和试车验证，能够保证在设计流量下，介质扬程达到12.6MPa。

2)本发明结构尺寸小、重量轻、强度可靠。在分析介质相容性的基础上，所述闭式离心式叶轮采用钛合金材，既保证高转速高压力工作下离心轮结构强度又减轻装置重量；所述螺旋叶片、进口管采用铝合金材质，经过仿真计算和试验验证保证其结构强度，进口管采用径向入口，缩短了泵装置的空间尺寸，进口管过流部分采用分体式结构，分别设计径向入口管壳体及进口过流转接件保证了流道的型面特型，又缩短了泵体轴向长度，同时降低了由整体式过流泵体设计带来的加工制造工艺难度。

3)本发明高效率、高抗汽蚀性能。螺旋叶片采用双头叶片等螺距设计，经水力计算及试验验证，保证了泵装置可在最低入口压力下无汽蚀工作。螺旋叶片采用直接插入到离心式叶轮的进口部分的设计结构，螺旋叶片尾部采用大圆弧流线型面与离心式叶轮光顺连接，保障过流液体顺畅和减小流动损失，提高泵装置效率，离心式叶轮进口和出口突肩分别设计篦齿结构形成径向缝隙密封，减小泵装置因泄露带来的容积损失，提高了泵效率。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明螺旋叶片结构示意图；

图3为本发明离心式叶轮结构示意图；

图4为本发明装置的性能测试结果示意图。

具体实施方式

本发明利用叶轮旋转产生高速流体，再通过泵的壳体6及出口管5的扩压作用，使过流液体动能转换为压力能，从而产生高压液体保障发动机燃料供应及燃烧入口压力要求。采用本发明设计得到的泵装置的比转速仅有24，属于超低比转速特型泵。工作介质为偏二甲肼，在设计流量下，介质扬程能够达到12.6MPa，本发明结构尺寸下，重量轻。该型燃料泵装置经过发动机试车考验，完全满足上面级发动机系统及结构要求。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明一种超低比转速离心泵装置，包括：内部组件、进口管1、进口过流转接件2、离心轮进口密封环4、出口管5、壳体6、离心轮出口密封环9、泵安装支座10；

所述内部组件包括：螺旋叶片3、离心式叶轮7、传动轴8；所述离心式叶轮7套装在所述传动轴8上，所述离心式叶轮7的进口处设置有螺旋叶片3；所述螺旋叶片3和所述离心式叶轮7的叶片之间形成螺旋线流道，螺旋叶片3和所述离心式叶轮同步转动。螺旋叶片3通过轮毂内侧与传动轴8配合安装的两个周向对称分布的键11传递扭矩。

所述壳体6套装在离心式叶轮7和传动轴8的外部，所述壳体6和所述传动轴8之间形成空腔；所述壳体6沿传动轴8径向方向上设置有进口管1和出口管5；离心式叶轮7的进口端面朝向所述空腔；所述空腔通过所述进口管1连通外部液体火箭发动机及火箭燃料贮箱，所述离心式叶轮7的出口通过所述出口管5连接外部发动机供应系统管路及燃烧室。出口管5与壳体6的蜗壳喉部光滑连接。壳体6通过泵安装支座10实现与发动机机架的固定连接，为了保证大振动、高温环境下装置的结构强度可靠性，泵安装支座10设计双面加强肋板结构，既实现了泵安装支座10的连接可靠性又减轻了整个装置的结构重量。

进口管1主要是实现与发动机及火箭燃料贮箱管路连接，并通过过流型面设计保证流体的进入流向、入口流速、过流均匀性，同时实现泵前密封及回流引流，减少装置的容积损失和提高效率。进口管1的空间结构及布局将直接影响整个装置的结构尺寸及重量。因此，对于进口管1其关键点既要根据装置空间布局合理设计结构，保障其结构尺寸尽可能小，同时要通过型面计算设计保证特定结构下的流场流速。具体实施中，进口管1采用了径向入口设计，既有效缩短了泵装置的轴向尺寸又合理利用了装置径向未安排的空间，进口过流部分采用分体式结构，分别设计径向的入口处的壳体6及内球面型的进口过流转接件2既保证了流道的型面特型和过流均一性，同时降低了由整体式过流泵体设计带来的加工制造工艺难度。

流过进口管1的燃料液体，通过设计的高速螺旋叶片3和离心式叶轮7组合的旋转结构，在传动轴8及键11的带动下，组合式叶轮高速旋转对过流液体做功，产生高速流运动流体。具体实施方案中，螺旋叶片3设计结构采用双头叶片等螺距结构，尾端出口设计结构采用大圆弧流线型面，螺旋叶片3叶顶直径设计为直插离心式叶轮7的进口部分，一方面进一步保证了泵装置可在低入口压力下无汽蚀工作。闭式离心式叶轮7采用钛合金材质，本实施例中设计了6个长叶片和6个短叶片结构，既保证了泵装置在小流量下的工作稳定性又减小了因小流量高扬程泵流道狭长产生的水力损失，提高泵装置效率。离心式叶轮7前盖板进口处和后盖板出口处分别设计篦齿结构，形成径向缝隙密封，既提减小泵装置因泄露带来的容积损失，也为保证转子系统稳定性提供液膜支撑。

流经泵腔的燃料工质，在高速旋转的螺旋叶片3做功下，产生高速运动的流体，通过泵的壳体6、出口扩压装置将高速运动的流体动能转化成压力能，实现火箭贮箱低压工质的增压输送及发动机燃烧室压力需求。具体实施中，一种低比转速离心泵装置的泵体蜗室的轴向截面为矩形，蜗壳喉部设计为圆形截面。泵壳出口采用焊接结构设计扩压装置即出口管5，经水力计算及试验验证，泵装置能够实现额定工况下泵出口提供的燃烧剂工质扬程不低于12.6MPa。整台泵装置通过泵安装支座10实现与发动机机架的固定连接，为了保证大振动、高温环境下装置的结构强度可靠性，泵安装支座10设计双面加强肋板结构，既实现了泵安装支座10的连接可靠性又减轻了整个装置的结构重量。

如图2所示，螺旋叶片3为等螺距的双螺旋叶片，所述螺旋叶片3的沿线导程为15mm，螺旋叶片3工作面与非工作面采用非等厚截面，即螺旋叶片3的工作面与轴线的夹角小于螺旋叶片3非工作面与轴线的夹角，所述螺旋叶片3的轮毂直径取值范围为Φ22～Φ24mm，所述螺旋叶片3入口处和出口处的轮毂比相等，所述轮毂比的取值范围为0.4～0.5；所述螺旋叶片3的出口处采用圆弧流线型面与所述离心式叶轮7光滑连接；所述螺旋叶片3的材料为铝合金。

如图3所示，离心式叶轮7的材料为钛合金，所述离心式叶轮7的叶片包括n个长叶片和n个短叶片，所述长叶片和短叶片在离心式叶轮7的后盖板上间隔排布，所述n为正整数。离心式叶轮7的叶片进口角的取值范围为18°～20°，长叶片和短叶片的进口角相同，离心式叶轮7的叶片出口角的取值范围为35°～40°长叶片和短叶片的出口角相同，减小了低比转速泵小流量分离及扩散损失。

如图3所示，离心式叶轮7的前盖板进口处和后盖板出口处周向向外均设置有多道等间距排布的篦齿结构；所述离心轮进口密封环4、离心轮出口密封环9均通过所述篦齿结构密封离心式叶轮7与壳体6。离心轮进口密封环4的外壁和离心轮出口密封环9的外壁均通过螺纹与壳体6连接。

所述进口过流转接件2为由一弧线绕回转轴旋转产生的回旋体，所述弧线的凸起方向朝向所述回转轴；所述进口过流转接件2的大端与所述壳体6的端部固定连接，所述进口过流转接件2的小端与所述传动轴8光滑连接，保证出口水流偏流角接近0°，保障了泵装置能量性能和汽蚀性能。进口过流转接件2的直径取值范围为Φ22～Φ36mm，所述进口过流转接件2和所述进口管1之间光滑连接。进口过流转接件2的型面特型由4个直径为Φ22～Φ36mm的沿轴向分布的等截面圆弧光顺拟合成型，特型面与壳体6形成了弯曲渐缩过流通道，减小了入口过流损失和冲击损失。

本发明工作原理如下：

燃料泵装置一端通过进口管1与液体火箭发动机及火箭燃料贮箱相连接，另一端通过出口管5与发动机供应系统管路及燃烧室相连接，其过流部分液体利用叶轮旋转产生高速流体，再通过泵的壳体6及出口管5的扩压作用，使过流液体动能转换为压力能，从而产生高压液体保障发动机燃料供应及燃烧入口压力要求。进口管1采用径向入口及分体式过流结构设计，减小了空间尺寸。采用双头叶片等螺距的螺旋叶片3直插离心式叶轮7的进口部分的设计结构及尾部采用大圆弧流线型面设计，保证了泵装置可在最低入口压力下无汽蚀工作。闭式离心式叶轮7采用钛合金材质，设计六个长叶片和六个短叶片结构，既保证了泵装置在小流量下的工作稳定性又减小了因小流量高扬程泵流道狭长产生的水力损失，提高泵装置效率。离心式叶轮7进口和出口突肩分别设计篦齿结构，形成径向缝隙密封，既提减小泵装置因泄露带来的容积损失，也为保证转子系统稳定性提供液膜支撑。

本发明一种低比转速离心泵装置的性能测试结果如图4所示，横坐标为试验流量系数，设计点的流量系数为1，左纵坐标显示为扬程值，右纵坐标显示为效率值。曲线1为泵装置全流量范围内的扬程曲线，设计点的扬程为12.6MPa，曲线2为泵装置全流量范围内的效率曲线，设计点的效率为41.3％。在设计点流量系数为1时，泵出口扬程可达到12.6MPa，泵装置效率可达到41％，作为一种超低比转速泵装置，在全流量范围内，装置流量-扬程特性曲线平滑稳定，可广泛用于上面级小推力泵压式液体火箭发动机，同时也可用做小流量、高出口压力能源动力领域。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，包括：螺旋叶片(3)、离心式叶轮(7)、传动轴(8)、壳体(6)；

所述离心式叶轮(7)套装在所述传动轴(8)上，所述离心式叶轮(7)的进口处设置有螺旋叶片(3)；所述螺旋叶片(3)和所述离心式叶轮(7)的叶片之间形成螺旋线流道；

所述壳体(6)套装在离心式叶轮(7)和传动轴(8)的外部，所述壳体(6)和所述传动轴(8)之间形成空腔；离心式叶轮(7)的进口端面朝向所述空腔；所述壳体(6)沿传动轴(8)径向方向上设置有进口和出口；所述空腔通过壳体(6)的进口连通外部燃料贮箱，所述离心式叶轮(7)的出口连接外部发动机的燃烧室；

所述螺旋叶片(3)为等螺距的双螺旋叶片，螺旋叶片(3)工作面与轴线的夹角小于螺旋叶片(3)非工作面与轴线的夹角，所述螺旋叶片(3)的出口处采用圆弧流线型面与所述离心式叶轮(7)光滑连接。

2.根据权利要求1所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，所述螺旋叶片(3)的轮毂直径取值范围为Φ22～Φ24mm，所述螺旋叶片(3)入口处和出口处的轮毂比相等，所述轮毂比的取值范围为0.4～0.5；所述螺旋叶片(3)的材料为铝合金。

3.根据权利要求1所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，所述离心式叶轮(7)的材料为钛合金，所述离心式叶轮(7)的叶片包括n个长叶片和n个短叶片，所述长叶片和短叶片在离心式叶轮(7)的后盖板上间隔排布，所述n为正整数。

4.根据权利要求2所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，所述离心式叶轮(7)的叶片进口角的取值范围为18°～20°，离心式叶轮(7)的叶片出口角的取值范围为35°～40°。

5.根据权利要求1～4任意之一所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，还包括离心轮进口密封环(4)和离心轮出口密封环(9)，所述离心式叶轮(7)的前盖板进口处和后盖板出口处周向向外均设置有多道等间距排布的篦齿结构；所述离心轮进口密封环(4)、离心轮出口密封环(9)均通过所述篦齿结构密封离心式叶轮(7)与壳体(6)。

6.根据权利要求5所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，所述离心轮进口密封环(4)的外壁和离心轮出口密封环(9)的外壁均通过螺纹与壳体(6)连接。

7.根据权利要求6所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，还包括进口过流转接件(2)；所述进口过流转接件(2)为由一弧线绕回转轴旋转产生的回旋体，所述弧线的凸起方向朝向所述回转轴；所述进口过流转接件(2)的大端与所述壳体(6)的端部固定连接，所述进口过流转接件(2)的小端与所述传动轴(8)光滑连接。

8.根据权利要求7所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，所述进口过流转接件(2)的直径取值范围为Φ22～Φ36mm。

9.根据权利要求8所述的一种超低比转速离心泵装置，其特征在于，还包括：进口管(1)和出口管(5)；

所述空腔通过所述进口管(1)连通外部燃料贮箱，所述离心式叶轮(7)的出口通过所述出口管(5)连接外部发动机的燃烧室；所述出口管(5)与壳体(6)的蜗壳喉部光滑连接。

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