CN1122755C - 大引导能力的泵的导流装置 - Google Patents

Abstract

大容量引导泵的导流装置，包括一箱体，该箱体围绕着导流转子，该转子包含数个叶片，叶片相对于箱体留有间隙。叶片外围部分与箱体之间的间隙具有增加值，其大于正常间隙值，正常间隙所在的区域位于导流转子上游的箱体内侧壁圆筒形的第一部分的延伸段，并且进入箱体内侧壁的部分，该部分与所述的圆筒形的第一部分相邻接，导流转子的上游部分与叶片的前缘之间具有一交错长度，增加值间隙与正常值间隙的比值大于10。

Description

大引导能力的泵的导流装置

本发明涉及大引导能力的泵的导流装置，该装置包含一箱体结构，其围绕着导流转子，该转子具有数个叶片，叶片相对于箱体留有间隙。

目前已存在各种类型的大引导能力的泵，或称为涡轮泵，这些泵被认为是专门用来为低温实验液体进行增压的，比如为向火箭发动机进给的推进剂成分进行增压。

在这些泵上安装有第一进口转子部件，称为“导流装置”。

当涡轮泵的导流装置在相对高的流率系数下工作时，便会遇到超同步气穴现象的出现。

用φ表示机器的流率系数，φ₀表示对应于导流装置匹配点的流率系数(也就是说，在流体以一个与叶片和机器箱体之间的夹角相等同的平均角度流入导流装置的情形)，来自欧洲，美国和日本的各种导流装置都是在流率比φ/φ₀接近于0.6处进行工作的。而在此工作区，会遇到超同步气穴现象。在用于VULCAIN1火箭发动机的液态氢泵的导流装置中，此现象尤为明显；同样，该现象也出现在用于VULCAIN1火箭发动机的液态氧泵的导流装置中。

因此，当导流装置的进口压力降低时，可观察到一个转动气穴现象阶段，在此阶段中，能够引起大量的振动和对轴的径向力。气穴现象的类型取决于液体在导流装置各叶片通道中汽化的方式。所述的振动幅度在超同步频率F_s大约是机器转动频率F₀的1.2倍时最为显著，这时，超同步频率F_s显著地向同步频率F₀移动，因为此时导流装置的输入压力明显降低。

图6所示的是ψ＝f(τ)所表示的图式曲线1，其中ψ表示导流装置的无量纲压力增量，τ表示无量纲进口压力值。

可以看出，曲线1具有一个相对水平的部分10，随着τ值的降低，出现一个下沉区11和上升区12，其对应于转动气穴现象阶段所表示的区域。在上升区12和下沉区11之间，存在一区域，在其内曲线的斜率dψ/dτ的值为负值。在此区域内，由管道和泵组成的整个系统处于不稳定状态。该曲线的13部分对应于由导流装置所提供的压力增量的下降幅度，这是在当τ值变得很小的时候所发生的。

在已有的提案中，特别在已公开的日本专利申请第No.5-33 2300号提案中所提及的那样，要求在导流装置的周围修改泵箱体的形状，以试图消除超同步频率现象。因此，正如图2和图4所示的那样，箱体前端部分24的内径从进口导流转子23的叶片36开始沿着上游倾斜部分43逐渐缩减，以便使区域26的直径D2小于位于进口导流转子上游的箱体部分27的内侧壁直径D1，直径D2保持大于转子23的直径Dt，以使在区域26内的箱体24的内筒壁与转子23之间留有间隙J1。这样，在转子23的直径Dt与箱体直径为D1的部分27之间所存在的间隙J2就大于转子23与箱体区域26之间的间隙J1。在背景技术的产品中，间隙J2大约是间隙J1的两倍左右。然而，试验表明，在这种情况下，扩大的来自转子上游箱体的内径部分不足以保证在所有情况下不发生转动气穴现象，并消除超同步频率。

因此，由日本专利申请JP-A-5 332 300推荐的技术方案不能确保由于气穴现象所引起的相对于箱体或转子的振动。正因为如此，泵的元件，诸如轴承之类，会有被损坏的危险，以及泵进口处液体压力必须保持高于其最小值以防止气穴现象重新产生的危险。不幸的是，迫切需要减小泵进口处液体的压力，以使贮存在火箭和箱体内的液体压力尽可能小，以尽可能地减轻和简化箱体和泵及其导流装置的机械结构。

本发明试图弥补上述的缺陷，并提供一个能够用于大引导能力的泵的导流装置，使得该装置在其工作流率范围内消除超同步频率，以避免超同步气穴现象的发生，以此来减小任何出现的高幅振动所造成的危险。

上述目的是这样实现的，即：大引导能力的泵的导流装置包括箱体，该箱体围绕一个导流转子，该转子具有数个叶片，叶片相对于箱体留有间隙，其特征在于：叶片外围部分与箱体之间的间隙有一增大了的数值，该增大了的数值大于正常间隙的值；该正常间隙所在区域位于该导流转子上游的箱体内侧壁的圆筒形的第一部分的延伸区，并且与所述的圆筒形的第一部分相邻接，且包含了导流转子的上游部分；该部分与叶片前缘存在一定的交错长度；具有增加值的间隙与正常值间隙之间的比值大于10。

正常值间隙的数值范围在导流装置的叶片的圆周部分半径的0.4％至1％之间。

实例表明，正常值间隙的范围在0.4mm至0.9mm之间，而具有增加值的间隙的数值范围在5mm到10mm内。所述交错长度从叶片前缘开始沿导流转子的轴向延伸，其值在叶片的轴向长度的15％至20％的范围内。

本发明的其它特点和优点在下述的实施例中通过实例与附图予以说明：

图1显示了在导流转子周围与箱体形状有关的关键特征；

图2类似于图1，所不同的是它显示了背景技术产品中进口导流转子的箱体形状；

图3显示了适用于该项发明的背景技术产品中涡轮泵的轴向截面图；

图4是扩大了的轴向截面图，它显示图3中包括导流装置的进口部分；

图5是图4所示的进口部分的端面图；

图6所示的是ψ＝f(τ)的曲线，表示了无量纲压力增量ψ随着无量纲化的导流装置的进口压力τ变化的情况，该导流装置可用于诸如常规泵之类；

图7所示的是ψ＝f(τ)的三种曲线，其中的两种对应于背景技术中导流装置，第三种曲线则对应于与该项发明有关的导流装置；

图8显示的是，对于不同的导流装置所出现的超同步频率场，这些场是通过流率系数φ/φ₀和导流装置进口处的压力τ所定义的平面(φ/φ₀，τ)来定义的；

图9显示了特征频率线随着已知常规导流装置的无量纲进口压力τ变化的情况，特别是用于显示超同步频率线出现的情况；

图10显示特征频率线随着安装上该项发明的导流装置的进口压力τ变化的情况，依据图1所示的结构型式，超同步频率线可被完全消除；和

图11显示的是特征频率线随着安装上背景技术产品的导流装置的进口压力τ变化的情况，比如图2所示的装置，尤其显示了超同步频率线出现的情况。

参见图3至图5，这里描述了一个已知的导流装置，特别值得提及的是，正如日本专利申请号No.5-332 330(KOKAI)所公开的那样，该装置适用于大引导能力的泵21，比如涡轮泵，以为向火箭发射器进给的推进剂进行增压，如液态氢剂。

大引导能力的泵21具有一个叶轮29，其被安装在一转轴28上；该转轴28的尾部带有一个或多个涡轮机30的轮子31。该转轴28通过至少一个以上的轴承33安置于相对于泵体32的箱体上。导流转子23安置在轴34的前端，该轴由支持叶轮的转轴28延伸而来，并且可与轴承46一起工作。导流转子23可由，比如，一套三个螺旋形状的叶片36组成；该组叶片安置在中间部分35，以确保其处于轴34的前端。由图3和图4可以看出，中间部分35做为进口导流转子23的浆毂，其半径可在该进口导流转子23的进口和出口之间增值。

可在箱体24的进口端39设置凸缘44，以便能够安装在液体箱或者液体输入管道上。连接于箱体24的固定叶片45可被安置在进口导流转子23和叶轮之间。

通过这种方式，在图3所示的涡轮泵21中，进口导流转子23，箱体24可以按常规方式安置在该泵的进口端，并且为该泵合理地配备叶轮29，所述的导流装置具备的结构可以防止由转动气穴现象所引起的振动。为了达到此目的，在分离转子流路的箱体进口端设置内径为D1的扩张部分27，该内径D1大于围绕转子23的叶片36所在区域26的内径D2。

各种测试所比较的结果显示了箱体所具备的这种形状无疑有助于将超同步转动气穴现象减小至很小的程度，但并不是完全消除超同步频率线及其相应的辐射振动。

该发明提出一种箱体形状，其不同于由图2至图5所描述的已有箱体的参考形状，它能够完全可靠地消除超同步频率线。这种新型的箱体形状在图1中得到显示，以便与图2所描述的已知箱体形状相比较。可以看到，此项发明涉及到改进的导流装置，该装置适用于各种大引导能力的泵，因此它不局限于以图3至图5为参考事例所描述的特定的泵结构。

在图1的结构形式中，箱体124内侧壁的圆筒形头部127位于进口导流转子123的上游，其直径的确大于箱体124内侧壁圆筒形第二部分126的直径，该126部分处于与进口导流转子123上的叶片126相对齐的位置。然而，在圆筒形头部127与第二部分126之间并没有圆锥体截头形状的过渡区，并且箱体124内侧壁的圆筒形头部127本身是由附加的圆筒形部分127A延伸而来(与图2所示的区域43相比较)，其直径与圆筒形头部127的直径相同，且与叶片136前缘有d11的距离，以致于所增加的间隙J12不仅位于进口导流转子123的上游，而且在d11的间隔内与进口导流转子123的上游部分相交错。另外，依据本发明的另一特征，结合上述的特征，就有增加值间隙J12存在于该导流装置叶片136的外围与箱体124内侧壁127和127A部分之间，而该间隙与正常值间隙J11之比大于10，J11是箱体124内侧壁126部分与导流装置叶片136外围之间的间隙。正常值间隙的值范围在导流叶片圆周部分半径的0.4％至1％之间。

在所示的例子中，正常值间隙J11的值范围在0.4mm与0.9mm之间，而增加值间隙J12的值范围在5mm至10mm之间。

典型的情况是间隙J11可能是0.4mm左右，而间隙J12值在6mm左右。

从导流叶片136前缘开始，沿进口导流转子123轴向延伸的交错长度d11，其值范围在导流叶片轴长度的15％至20％之间。

因此，不管该叶片的前缘形状如何，在该导流装置的工作流率的整个范围内都能消除超同步频率线，假定箱体具有的形状能够使增加的间隙区域与转子部分有显著的交错长度d11，并且J12与J11之比值较大，比如大于10的话。

图10显示了特征频率线随导流装置的进口压力τ变化的情况，该导流装置可用于具备本发明的涡轮泵上。由此可看出，正常的方式是线61对应于该机器的转动频率F₀，与其在一起的是在低压情况下的次级同步线62。由此可观察到，次级同步线62对应于次级同步气穴现象，它仅仅出现在低压区，因而，不会产生与已有导流装置中的超同步频率线同样的障碍。

通过比较，图9和图11显示了特征频率线随导流装置的进口压力τ变化的情况，首先是对于具有正常间隙的已有导流设备的涡轮泵，其次是对于配备有导流装置的涡轮泵，如参照图2至图5所定义的导流装置。

在图9中，可以看到除了线53、54和56对应于机器的转动频率F₀之外，噪声55围绕所述的转动频率F₀的周围，还存在其它众多的线对应于可能产生振动的转动气穴现象。因此，可以看到超同步线57位于频率F_s值为转动频率F₀的1.1至1.2倍之处。该超同步线57出现在进口压力τ值的大部分范围之内，在实际中这是常出事故的区域。在图11中，还可以看到线58和60出现在转动频率F₀的两倍之处。出现其它麻烦的线51和58对应于转动频率F₀和超同步频率F_s的组合之中，同样它们出现在图表9中。因此，线51对应于频率值为4(F_s-F₀)的情况。同样也可以看到次级同步线52。

在图11中，以同样的方式，可以清晰地看到，超同步线77位于进口压力值相对高和相对宽的范围，除了一组其它相关线72至76和78至80之外，这两种相关线可用图9中分析线52至56和58至60的同样方式进行分析。

将图10与图9和图11相比较，可以看到在使用了该项发明的箱体形状之后，干涉振动被削减的程度。

同样，考察一下图7中ψ＝f(τ)表示的曲线族的情况，该组曲线首先由用于配备该项发明的导流装置的涡轮泵所建立的曲线301，用于具有正常间隙的背景技术中介绍的涡轮泵的曲线101，以及通过具有图2至图5所示的箱体形状的涡轮泵所建立的曲线201组成。可以看出，曲线101和201都保持了图6所示的曲线1的形状，在连接平稳部分110，210之处，下沉线111、211位于上升线112、212之后，而其前面又有下沉线113、213，这是在减小导流装置的进口压力的情况下得到的。

相比之下，曲线301对应于本发明的导流装置，它显示了当导流装置进口压力减小时，该曲线具有平稳部分310，它可一直延续至曲线终止为止，具有小量升降幅或零幅增量。因此，也就不再存在一个斜率dψ/dτ为负值的区域，这样就确保了包含该泵、输入和输出管道的整个系统所具有的稳定性。因此，正是由于127A部分所定义的箱体洞腔与叶片136的交叠部分的结合，及其相关联的高比值J12/J11，才使得超同步气穴现象在整个有效流率范围消失。

如果用φ表示机器的流率系数，可以观察到超同步气穴现象被限制在(φ，τ)平面内(参见图8)。

因此，当τ值较高时，几乎不存在气穴现象(对应于图6和图7的水平段)，如果τ值接近于导流装置的可接受的极限值，那么重对称性会产生于导流装置的各叶片通道上，以形成很强的气穴现象，并伴随着该装置压力增升性能的急剧下降(其对应于图6和图7曲线的下沉部分)。

另外，如果能理想地改变机器的流率系数φ，便会出现一点最小的流率点，低于此点，则超同步气穴现象便会消失。相似地，也存在一最大流率点，高于此点超同步气穴现象也会消失。

图8显示了两组值REF和B，分别对应于具有正常间隙的箱体形状和图2所示的箱体形状，参数J1、J2和d1的各种值，如下表I所示：

箱体类型    J1(mm)    J2(mm)        d1(mm)

REF          0.4        0.4           --

B            0.64       2.0         1.28

图8并没有显示对应于导流装置具有本发明的箱体形状的区域场，在其内有超同步频率线。当J11＝0.4mm；J12＝6mm，和d11＝12mm时超同步频率线已被消除。

Claims (4)

1.用于大引导能力的泵的导流装置，其包括泵壳(124)，该泵壳围绕一个导流转子(123)，该转子(123)具有数个叶片(136)，该叶片(136)相对于泵壳(124)留有间隙(J11)，其特征在于：

叶片(136)外围部分与泵壳(124)之间的间隙(J12)有一大于正常间隙(J11)的增加值，间隙(J11)位于导流转子(123)上游的泵壳(124)内侧壁的圆筒形的第一部分(127)的延伸区域内，并且也位于泵壳(124)的内侧壁的一部分(127A)上，该部分与所述的圆筒形的第一部分(127)相邻接，并且覆盖了导流转子(123)的上游部分，该部分与导流转子(123)的叶片(136)和前缘有交错长度(d11)，该交错长度(d11)沿导流转子(123)的轴线方向延伸；具有增加值的间隙(J12)与正常值间隙(J11)的比值大于10。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，正常值间隙的数值范围在导流装置的叶片的圆周部分的半径的0.4％至1％之间。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，正常值间隙(J11)的数值范围在0.4mm至0.9mm之间，而增加值间隙(J12)的数值范围在5mm至10mm之间。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，交错长度(d11)从叶片(136)的前缘开始沿导流转子(123)的轴向延伸，其数值在导流装置的叶片的轴向长度的15％至20％之间。

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