CN110594199A

CN110594199A - 一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵

Info

Publication number: CN110594199A
Application number: CN201910920988.6A
Authority: CN
Inventors: 王晓放; 于茜; 张野; 鲁业明; 边超; 周方明; 李忠贺
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2019-12-20

Abstract

一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，包括泵轴、叶轮室及位于叶轮室入口端的进水流道，所述叶轮室内设有叶轮和导轮；在进水流道沿泵轴的周向分布有多条变截面进水管道，变截面进水管道沿水流方向由上至下依次设有椭圆进口管段、过渡唇口管段、圆形直管段、过渡弯管段及扇环形出口段，并使椭圆进口管段高于扇环形出口段，且椭圆进口管段到扇环形出口段的口径呈渐缩状；多条变截面进水管道的扇环形出口段在叶轮室的进口端围成与所述叶轮室相连通的圆环形流体出口，以使变截面进水管道的流道、叶轮的流道、导轮的流道依次连通。本发明具有高效率、高比转速、高推力的水力性能的同时具有抗空化能力强、振动小，水下辐射噪声低等优点。

Description

一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵

技术领域

本发明涉及叶片泵技术领域，尤其是一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵。

背景技术

喷水推进泵是不同于传统螺旋桨推进的推进方式，它利用推进泵喷出水流的反作用力推动航体前进，被广泛应用于鱼雷、潜艇等高速水下航体的动力系统中，其设计的优劣直接关系到航体的巡航能力和机动性能。

研究表明，喷水推进泵工作时，有7％～9％的轴功率损会失在进水流道内，其与船体之间的相互作用对推进效率的影响甚至可以达到20％以上。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，进口流速比（IVR）来综合衡量喷水推进泵进水流道的工作状态。一般喷水推进泵比转速越高，IVR越小，设计工况下，公开文献中的喷水推进泵的汽蚀比转速均低于1300，所对应的进水流道IVR均大于0.8，但对于喷水推进泵比转速大于1300，进水流道IVR小于0.8时的喷水推进泵进水流道结构甚为罕见。与高IVR的进水流道结构不同的是，空化、出流均匀度低及涡旋畸变的规避是高比转速喷水推进泵进水流道设计的最大挑战。传统喷水推进器（如水面快艇、舰船等水上航体推进器）的进水流道的设计形式通常为单一独立入水口，不能满足水下航体对高速推进泵进水流道在稳定性、低噪声、高效引流等方面的严格要求，因此，针对于水下航体，亟待一种多元约束条件下，能有效避免大尺度流动分离、抗空化能力强、出流均匀性好、低噪声等优点设计要求的多入水口进水流道结构形式。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、避免大尺度流动分离、抗空化能力强、出流均匀性好且具有高效率、高比转速、高推力的具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，包括泵轴、叶轮室及位于叶轮室入口端的进水流道，所述叶轮室内设有叶轮和导轮；导轮位于叶轮的出口端并使导轮与叶轮同轴固定在泵轴上，在所述进水流道内沿泵轴的周向分布有多条变截面进水管道，所述变截面进水管道包括沿水流方向由上至下依次连接的椭圆进口管段、过渡唇口管段、圆形直管段、过渡弯管段及扇环形出口段；所述椭圆进口管段高于扇环形出口段，且椭圆进口管段到扇环形出口段的口径呈渐缩状；所述椭圆进口管段为两端截面均为椭圆形的管段，椭圆进口管段上端口的椭圆形截面的面积大于下端口的椭圆形截面的面积；过渡唇口管段的上端截面为与椭圆进口管段的下端截面相配适的椭圆形，下端截面为圆形；过渡弯管段的上端截面为与圆形直管段相配适的圆形，下端截面为扇环形；多条变截面进水管道的扇环形出口段在叶轮室的进口端围成与所述叶轮室相连通的圆环形流体出口，以使变截面进水管道的流道、叶轮的流道、导轮的流道依次连通。

所述变截面进水管道以泵轴为对称中心并沿泵轴的周向呈中心对称分布。

所述变截面进水管道的数量为6条，相邻两条变截面进水管道在过渡圆管段下端交汇处呈20~30°夹角。

所述圆形直管段与水平方向的倾斜角度为30~50°。

过渡弯管段的弯管圆心角为30~45°。

所述叶轮为轴流式叶轮，该叶轮叶片轮盖侧的间隙尺寸为0.5~2 mm，叶轮的轴向长度为60~100 mm，叶轮进口宽度为28~52 mm，叶轮直径为93~113 mm，叶轮外径为175~233mm；叶轮叶片前缘为向前凸起的直线，叶轮叶片轮盘侧包角为70~100°，叶轮叶片轮盖侧包角为110~130°。

所述导轮的轴向长度为45~62 mm，导轮的出口宽度为12~28 mm，导轮的出口轮盘直径为6~18 mm；导轮叶片的进水边与出水边均为直线；导轮叶片轮盘侧包角为50~110°，导轮叶片轮盖侧包角为40~80°。

本发明的有益效果在于：本发明结构简单，主要包括叶轮、导轮及多条变截面进水管道，变截面进水管道为绕泵轴的周向对称均布的变截面式管道，该变截面进水管道通过沿水流方向由上至下依次设置的椭圆进口管段、过渡唇口管段、圆形直管段、过渡弯管段及弧形出口段，形成从椭圆形-圆形-弯管形-圆环形的截面变化，配合椭圆进口管段与弧形出口段的高度差及弯管圆心角的配置，实现高效均匀引流的目的。通过变截面进水管道的流道、叶轮的流道、导轮的流道依次连通，使变截面进水管道、叶轮和导轮之间具备良好的适配性，能够有效降低动静干涉效应，规避涡旋、空化等畸变流场。进水流道的椭圆进口管段、过渡唇口管段的结构设计，能够高效引流且减弱局部涡旋流动，过渡弯管段下端的扇环形开口的四角为尖角设计，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。本发明具有高效率、高比转速、高推力的水力性能的同时具有抗空化能力强、振动小，水下辐射噪声低等优点。

附图说明

图1是本发明的结剖面结构示意图。

图2是本发明的外观结构示意图。

图3是本发明中变截面进水管道的结构示意图。

图4是本发明中叶轮叶片的结构示意图。

图5是本发明中导轮叶片的结构示意图。

图中：1-泵轴、2-叶轮、3-导轮、4-变截面进水管道、5-椭圆进口管段、6-过渡唇口管段、7-圆形直管段、8-过渡弯管段、9-扇环形出口段、10-圆环形流体出口、11-叶轮叶片、12-导轮叶片、5a-椭圆进口管段上端口的椭圆形截面、 5b-椭圆进口管段下端口的椭圆形截面、11a-叶轮叶片前缘、11b-叶轮叶片轮盖侧、11c-叶轮叶片轮盘侧、11d-叶轮叶片的出水边、12a-导轮叶片的进水边、12b-导轮叶片轮盘侧、12c-导轮叶片轮盖侧、12d-导轮叶片的出水边。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：

图1是本发明一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵的结构示意图。一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，包括泵轴1、叶轮室及位于叶轮室入口端的进水流道。叶轮室内设有叶轮2和导轮3，其中叶轮2为轴流式叶轮（图中叶轮为半开结构）和导轮3，导轮3为轴流式导轮；导轮3位于叶轮2的出口端（即泵喷出口端）并使导轮3与叶轮2同轴固定在泵轴1上，在进水流道内沿泵轴1的周向均匀分布有多条变截面进水管道4。具体地，变截面进水管道4以泵轴1为对称中心并沿泵轴1的周向呈中心对称分布。并使多条变截面进水管道4的扇环形出口段9在叶轮室的进口端围成与叶轮室相连通的圆环形流体出口10（如图2所示），以使变截面进水管道4的流道、叶轮2的流道、导轮3的流道依次连通。

图3示出了变截面进水管道4的具体结构。该变截面进水管道4沿水流方向由上至下依次设有椭圆进口管段5、过渡唇口管段6、圆形直管段7、过渡弯管段8及扇环形出口段9，并使椭圆进口管段5高于扇环形出口段9，且椭圆进口管段5到扇环形出口段9的口径呈渐缩状；椭圆进口管段5为两端截面均为椭圆形的管段，椭圆进口管段5上端口的椭圆形截面5a的面积大于下端口的椭圆形截面5b的面积；过渡唇口管段6的上端截面为与椭圆进口管段5的下端截面相配适的椭圆形、下端截面为圆形；过渡弯管段8的上端截面为与圆形直管段7相配适的圆形，下端截面为扇环形。

优选采用以下参数设置的变截面进水管道4：进水流道的轴向长度为L₁=280~350mm，进水流道的进口直径为d₀=420~480 mm，泵轴1的直径为d₁=45~55 mm；椭圆进口管段5上端面的椭圆形：长半轴为70~90mm，短半轴为30~55mm；椭圆进口管段5中下端面的椭圆形：其长半轴为50~60mm，短半轴为25~35mm；过渡唇口管段6的下端面的圆形半径为18~25mm；过渡弯管段8的上端面的圆形半径为18~25mm；扇环形出口段9的下端面的扇环形为六分之一圆环，圆环的内径40~60mm，圆环的外径70~100 mm。圆形直管段7与水平方向的倾斜角度为Z₁=30~50°；过渡弯管段8的弯管圆心角为Z₂=30~45°，内径为r₁=150~250 mm。

为了更好的发挥出本发明的效果，优选采用以下数值范围：优选如图2所示，采用6条变截面进水管道4，相邻两条变截面进水管道4在过渡圆管段下端交汇处的夹角为Z₃=20~30°。

叶轮叶片11为四个，叶轮叶片11绕泵轴1的周向对称均布在叶轮2的流道中，如图4所示：该叶轮叶片轮盖侧11b的间隙尺寸为t₁，叶轮2的轴向长度为L₂，叶轮2进口宽度为w₁，叶轮2的直径为d₂，叶轮2的外径为d₃；叶轮叶片前缘11a为向前凸起的直线，凸出长度优选为5 mm，叶轮叶片11的出水边11d为直线,叶轮叶片轮盘侧11c包角为Y₁，叶轮叶片轮盖侧11b包角为Y₂。其中，L₂=60~100 mm，w₁=28~52 mm，d₂=93~113 mm，d₃=175~233 mm，t₁=0.5~2 mm，Y₁=70~100°，Y₂=110~130°。

如图5所示：导轮3的流道中设有五个绕泵轴1的周向对称均布的导轮叶片12，导轮3的轴向长度为L₃，导轮3的出口宽度为w₂，导轮3的出口轮盘直径为d₄；导轮叶片12的进水边12a与出水边12d均为直线；导轮叶片轮盘侧12b包角为X₂，导轮叶片轮盖侧12c包角为X₁。其中，L₃=45~62 mm，w₂=12~28 mm，d₄=6~18 mm，X₁=40~80°，X₂=50~110°。

当本发明随机选用以下尺寸时：

变截面进水管道4： L₁=320 mm，d₀=450 mm， d₁=50 mm，Z₁=40°，Z₂=35°、r₁=200 mm，Z₃=20°；

椭圆进口管段5上端面的椭圆形：长半轴为80mm，短半轴为52mm；

椭圆进口管段5中下端面的椭圆形：其长半轴为50mm，短半轴为30mm；

过渡唇口管段6的下端面的圆形半径为18mm；

过渡弯管段8的上端面的圆形半径为18mm；

扇环形出口段9的下端面的扇环形为六分之一圆环，圆环的内径50mm，圆环的外径85mm。

叶轮2：L₂=88 mm，w₁=40 mm，d₂=100 mm，d₃=210 mm，t₁=1mm， Y₂=121°，Y₁=75 °

导轮3：L₃=57 mm，w₂=16 .5 mm，d₄=10mm，X₁=76 °，X₂=55 °。

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。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，包括泵轴、叶轮室及位于叶轮室入口端的进水流道，所述叶轮室内设有叶轮和导轮；导轮位于叶轮的出口端并使导轮与叶轮同轴固定在泵轴上，其特征在于，在所述进水流道内沿泵轴的周向分布有多条变截面进水管道，所述变截面进水管道包括沿水流方向由上至下依次连接的椭圆进口管段、过渡唇口管段、圆形直管段、过渡弯管段及扇环形出口段；所述椭圆进口管段高于扇环形出口段，且椭圆进口管段到扇环形出口段的口径呈渐缩状；所述椭圆进口管段为两端截面均为椭圆形的管段，椭圆进口管段上端口的椭圆形截面的面积大于下端口的椭圆形截面的面积；过渡唇口管段的上端截面为与椭圆进口管段的下端截面相配适的椭圆形，下端截面为圆形；过渡弯管段的上端截面为与圆形直管段相配适的圆形，下端截面为扇环形；多条变截面进水管道的扇环形出口段在叶轮室的进口端围成与所述叶轮室相连通的圆环形流体出口，以使变截面进水管道的流道、叶轮的流道、导轮的流道依次连通。

2.根据权利要求1所述的一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，其特征在于，所述变截面进水管道以泵轴为对称中心并沿泵轴的周向呈中心对称分布。

3.根据权利要求2所述的一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，其特征在于，所述变截面进水管道的数量为6条，相邻两条变截面进水管道在过渡圆管段下端交汇处呈20~30°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，其特征在于，所述圆形直管段与水平方向的倾斜角度为30~50°。

5.根据权利要求1所述的一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，其特征在于，过渡弯管段的弯管圆心角为30~45°。

6.根据权利要求1所述的一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，其特征在于，所述叶轮为轴流式叶轮，该叶轮叶片轮盖侧的间隙尺寸为0.5~2 mm，叶轮的轴向长度为60~100 mm，叶轮进口宽度为28~52 mm，叶轮直径为93~113 mm，叶轮外径为175~233 mm；叶轮叶片前缘为向前凸起的直线，叶轮叶片轮盘侧包角为70~100°，叶轮叶片轮盖侧包角为110~130°。

7.根据权利要求1所述的一种具有变截面进水管道式进水流道的喷水推进泵，其特征在于，所述导轮的轴向长度为45~62 mm，导轮的出口宽度为12~28 mm，导轮的出口轮盘直径为6~18 mm；导轮叶片的进水边与出水边均为直线；导轮叶片轮盘侧包角为50~110°，导轮叶片轮盖侧包角为40~80°。