CN110053748B - 一种高比转速喷水推进泵水力模型结构 - Google Patents

一种高比转速喷水推进泵水力模型结构 Download PDF

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Abstract

一种高比转速喷水推进泵水力模型结构，属于叶片泵技术领域。这种喷水推进泵水力模型结构包括进水导流体、叶轮及导轮，进水导流体的流道中设有导流锥，叶轮和导轮的流道中设有叶片，进水导流体的流道、叶轮的流道和导轮的流道依次连通，进水导流体、叶轮和导轮具备良好的适配性。该模型结构在具体结构形式与尺寸的限定下，具有高效率、高比转速、高推力的水力性能。能够有效降低动静干涉效应，规避涡旋、空化等畸变流场；进水导流体的导流锥前缘采用圆弧结构处理，能够高效引流且减弱局部涡旋流动，导流锥尾缘尖角处理能够避免尾缘流动分离；叶轮叶片前缘向前突起，有助于隔断叶片前缘空化云，改善局部流动。

Description

一种高比转速喷水推进泵水力模型结构
技术领域
本发明涉及一种高比转速喷水推进泵水力模型结构，属于叶片泵技术领域。
背景技术
喷水推进泵是一种新颖的水下航体推进方式，它利用推进泵喷出水流的反作用力推动航体前进。随着高端航体对于高转速、大推力的喷水推进泵诉求的日益增加，为了突破国外产品垄断和技术封锁，对高转速、大推力的喷水推进泵进行有效的水力设计研发是十分必要的。
一般用无量纲化的汽蚀比转速来综合衡量喷水推进泵的性能，即转速越高、推力越大的喷水推进泵的汽蚀比转速越大，反之，则汽蚀比转速越小。一般地，以1300汽蚀比转速为喷水推进泵的持续工作限制线。目前多数公开文献中的喷水推进泵的汽蚀比转速均低于1300，而汽蚀比转速均高于1300的喷水推进泵结构甚为罕见。
与低汽蚀比转速的喷水推进泵结构不同的是，空化及涡旋畸变的规避是高比转速喷水推进泵设计的最大挑战。且在喷水推进泵的结构设计中，对于给定的设计参数时，如何在多重约束情况下实施喷水推进泵结构的研发仍面临着巨大挑战。
因此，亟待一种多源约束条件下高转速、大推力的高比转速水推进泵水力模型结构。
发明内容
为了解决上述高比转速水推进泵水力设计存在的问题，本发明提供一种高比转速喷水推进泵水力模型结构，该结构应在具体结构形式与尺寸的限定下，具有高效率、高比转速、高推力的水力性能。
本发明采用的技术方案是：一种高比转速喷水推进泵水力模型结构，包括导流锥式的进水导流体、诱导轮式的叶轮及轴流式的导轮，所述进水导流体的流道中设有六个在中心轴线的圆周方向均匀分布的导流锥，所述叶轮的流道中设有两个在中心轴线的圆周方向均匀分布的叶轮叶片，所述导轮的流道中设有五个在中心轴线的圆周方向均匀分布的导轮叶片；所述进水导流体的流道、叶轮的流道和导轮的流道依次连通；所述两个叶轮叶片的叶轮与六个导流锥的进水导流体和五个导轮叶片的导轮相互匹配。
所述进水导流体采用固定结构，在进水导流体的中心轴线处设有转轴穿过的孔，进水导流体的轴向长度为L1、流道进口宽度为b1、流道进口直径为d0，转轴的直径为d1；进水导流体的流道型线包含三段圆弧线段，圆弧的半径依次为R1，R2，R3；所述导流锥整体呈渐缩式结构，导流锥前缘为圆弧结构，前缘叶根和叶顶处圆弧半径依次为r1，r2，导流锥尾缘为尖角结构，尾缘叶根和叶顶处所对应角度依次为A1，A2；其中，L1=280~320 mm，b1=110~130 mm，d0=420~480 mm，d1=45~55 mm，R1=45~55 mm，R2=45~55 mm，R3=45~55 mm，r1=4~8 mm，r2=3~7mm，A1=13~22°，A2=11~20°。
所述叶轮采用与在中心轴线的转轴固定连接的转动结构，叶轮的轴向长度为L2，进口宽度为b2，轮盘直径为d2，叶轮外径为d3；叶轮叶片前缘向前凸起，凸出长度为T1，叶轮叶片出水边为直线；叶轮叶片后盖板侧包角为B1，叶轮叶片前盖板侧包角为B2；其中，L2=80~90 mm，b2=30~50 mm，d2=90~110 mm，d3=180~230 mm，T1=4~8 mm，B1=150~180°，B2=130~160°。
所述导轮采用固定结构，在导轮的中心轴线处设有转轴穿过的孔，导轮的轴向长度为L3，出口宽度为b3，出口轮盘直径为d4；所述导轮叶片的导轮叶片进水边与导轮叶片出水边均为直线；导轮叶片的导轮叶片后盖板侧包角为C1，导轮叶片前盖板侧包角为C2；其中，L3=50~60 mm，b3=15~23 mm，d4=8~13 mm，C1=90~102°，C2 =35~50°。
本发明的有益效果是：这种高比转速喷水推进泵水力模型结构包括进水导流体、叶轮及导轮，进水导流体的流道中设有导流锥，叶轮和导轮的流道中设有叶片，进水导流体的流道、叶轮的流道和导轮的流道依次连通，进水导流体、叶轮和导轮具备良好的适配性，能够有效降低动静干涉效应，规避涡旋、空化等畸变流场；进水导流体的导流锥前缘采用圆弧结构处理，能够高效引流且减弱局部涡旋流动，导流锥尾缘尖角处理能够避免尾缘流动分离；叶轮叶片前缘向前突起，有助于隔断叶片前缘空化云，改善局部流动。
附图说明
图1是一种高比转速喷水推进泵水力模型结构的剖面图。
图2是一种高比转速喷水推进泵水力模型结构的三维图。
图3是进水导流体的导流锥三维图。
图4是叶轮叶片的三维图。
图5是导轮叶片的三维图。
图中：1、进水导流体，2、导流锥，2a、导流锥前缘，2b、导流锥尾缘，3、叶轮叶片，3a、叶轮叶片前缘，3b、叶轮叶片前盖板侧，3c、叶轮叶片后盖板侧，3d、叶轮叶片出水边，4、导轮叶片，4a、导轮叶片进水边，4b、导轮叶片后盖板侧，4c、导轮叶片前盖板侧，4d、导轮叶片出水边，5、导轮，6、泵喷出口，7、叶轮，8、泵喷进口，9、中心轴线。
具体实施方式
图1、2示出了一种高比转速喷水推进泵水力模型结构的结构示意图。图中：这种高比转速喷水推进泵水力模型结构包括导流锥式的进水导流体1、诱导轮式的叶轮7（图中叶轮为闭式结构）及轴流式的导轮5。进水导流体1的流道中设有六个在中心轴线9的圆周方向均匀分布的导流锥2，叶轮7的流道中设有两个在中心轴线9的圆周方向均匀分布的叶轮叶片3，导轮5的流道中设有五个在中心轴线9的圆周方向均匀分布的导轮叶片4。进水导流体1的流道、叶轮7的流道和导轮5的流道依次连通。两个叶轮叶片3的叶轮7与六个导流锥2的进水导流体1和五个导轮叶片4的导轮5相互匹配。
进水导流体1采用固定结构，在进水导流体1的中心轴线9处设有转轴穿过的孔；叶轮7采用与在中心轴线9的转轴固定连接的转动结构，导轮5采用固定结构，在导轮5的中心轴线9处设有转轴穿过的孔。
图2、3示出了进水导流体的导流锥三维图。定义进水导流体、导流锥的具体设计数值并实施几何造型：进水导流体1的轴向长度为L1、流道进口宽度为b1、流道进口直径为d0，转轴的直径为d1；进水导流体1的流道型线包含三段圆弧线段，圆弧的半径依次为R1，R2，R3；所述导流锥2整体呈渐缩式结构，导流锥前缘2a为圆弧结构，前缘叶根和叶顶处圆弧半径依次为r1，r2，导流锥尾缘2b为尖角结构，尾缘叶根和叶顶处所对应角度依次为A1，A2；其中，L1=300 m，b1=125 mm，d0=45 m，d1=50 m，R1=200 m，R2=200 m，R3=200 mm，r1=6 mm，r2=4 mm，A1=18°，A2=15°；导流锥2整体呈渐缩式的变化趋势。
图2、4示出了叶轮叶片的三维图。定义叶轮的具体设计数值并实施几何造型：叶轮7的轴向长度为L2，进口宽度为b2，直径为d2，叶轮外径为d3；叶轮叶片前缘3a向前凸起，凸出长度为T1，叶轮叶片出水边3d为直线；叶轮叶片后盖板侧3b包角为B1，叶轮叶片前盖板侧3c包角为B2；其中，L2=88 mm，b2=40 mm，d2=100 mm，d3=210 mm，T1=5 mm，B2=161，B1=175°。
图2、5示出了导轮叶片的三维图。定义导轮的具体设计数值并实施几何造型：导轮5的轴向长度为L3，出口宽度为b3，出口轮盘直径为d4；所述导轮叶片4的导轮叶片进水边4a与导轮叶片出水边4d均为直线；导轮叶片4的导轮叶片后盖板侧4b包角C1=96°，导轮叶片前盖板侧4c包角C2=43°；其中，L3=57 mm，b3=16.5 mm，d4=100 m；C1=96°，C2=43°。
将上述特定尺寸下所确定的进水导流体1、叶轮7及导轮5按照图1和图2实施装配，并通过计算流体动力学软件计算验证，考虑空化效应后的计算性能指标为：比转速为1600，推力为8020 N，泵喷效率为70.8%，泵喷功率为487 KW。能够为高比转速喷水推进泵的水力设计提供借鉴。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高比转速喷水推进泵水力模型结构，包括导流锥式的进水导流体（1）、诱导轮式的叶轮（7）及轴流式的导轮（5），其特征在于：所述进水导流体（1）的流道中设有六个在中心轴线（9）的圆周方向均匀分布的导流锥（2），所述叶轮（7）的流道中设有两个在中心轴线（9）的圆周方向均匀分布的叶轮叶片（3），所述导轮（5）的流道中设有五个在中心轴线（9）的圆周方向均匀分布的导轮叶片（4）；所述进水导流体（1）的流道、叶轮（7）的流道和导轮（5）的流道依次连通；所述两个叶轮叶片（3）的叶轮（7）与六个导流锥（2）的进水导流体（1）和五个导轮叶片（4）的导轮（5）相互匹配；
所述进水导流体（1）采用固定结构，在进水导流体（1）的中心轴线（9）处设有转轴穿过的孔，进水导流体（1）的轴向长度为L1、流道进口宽度为b1、流道进口直径为d0，转轴的直径为d1；进水导流体（1）的流道型线包含三段圆弧线段，圆弧的半径依次为R1，R2，R3；所述导流锥（2）整体呈渐缩式结构，导流锥前缘（2a）为圆弧结构，前缘叶根和叶顶处圆弧半径依次为r1，r2，导流锥尾缘（2b）为尖角结构，尾缘叶根和叶顶处所对应角度依次为A1，A2；其中，L1=280~320mm，b1=110~130mm，d0=420~480mm，d1=45~55mm，R1=45~55mm，R2=45~55mm，R3=45~55mm，r1=4~8mm，r2=3~7mm，A1=13~22°，A2=11~20°；
所述叶轮（7）采用与在中心轴线（9）的转轴固定连接的转动结构，叶轮（7）的轴向长度为L2，进口宽度为b2，直径为d2，叶轮外径为d3；叶轮叶片前缘（3a）向前凸起，凸出长度为T1，叶轮叶片出水边（3d）为直线；叶轮叶片后盖板侧（3b）包角为B1，叶轮叶片前盖板侧（3c）包角为B2；其中，L2=80~90mm，b2=30~50mm，d2=90~110mm，d3=180~230mm，T1=4~8mm，B1=150~180°，B2=130~160°；
所述导轮（5）采用固定结构，在导轮（5）的中心轴线（9）处设有转轴穿过的孔，导轮（5）的轴向长度为L3，出口宽度为b3，出口轮盘直径为d4；所述导轮叶片（4）的导轮叶片进水边（4a）与导轮叶片出水边（4d）均为直线；导轮叶片（4）的导轮叶片后盖板侧（4b）包角为C1，导轮叶片前盖板侧（4c）包角为C2；其中，L3=50~60mm，b3=15~23mm，d4=8~13mm，C1=90~102°，C2=35~50°。
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