一種低比轉速部分流泵的製作方法

2023-09-17 23:17:40 2

專利名稱：一種低比轉速部分流泵的製作方法
技術領域：
本發明屬於渦輪泵領域，尤其涉及一種低比轉速部分流泵。
背景技術：
在渦輪泵領域，習慣採用常規的離心泵為推進劑組元增壓，實現輸送高壓推進劑 的目的。現有的低比轉速離心泵參見圖1，其具有以下缺陷1、葉輪外徑偏大、葉片出口寬 度很小、葉輪軸面流道狹長、流道的擴散較為嚴重，流道內部的逆向壓力梯度將促使壁面邊 界層的發展和分離，強化了射流-尾流結構，增加了尾流區，導致水力性能下降；2、機械損 失主要是圓盤摩擦損失，與葉輪外徑的5次方成正比，且比轉速越低，與圓盤摩擦損失越 大；3、單級低比轉速離心泵的容積損失主要是葉輪前、後密封環處的間 隙洩漏損失、隔舌處 的環流損失及葉輪出口較高的流體速度帶來的泵體內較大的水力摩擦損失。為提高泵的效率，常規的低比轉速離心泵設計中，採用加大流量設計法、增大葉片 出口角、在相鄰的長葉片之間增加短葉片等措施減小擴散損失和從葉輪出口到擴散管進口 的混合損失，改善葉輪及泵體內的水力性能。《低比轉速離心泵理論與設計》第35頁，(機 械工業出版社，1997年出版)。但低比轉速泵採用離心泵結構仍存在以下不足之處1、葉片 出口寬度小，葉輪的製造加工困難；2、離心泵效率較低，造成渦輪泵效率下降，渦輪燃氣供 應系統能源浪費；3、流量-揚程曲線易出現駝峰，運行工況不穩定，無法滿足較大範圍工況 調節的需求；4、需要設計葉輪的前、後密封環減小容積損失，增加了軸向尺寸和整個渦輪泵 的結構尺寸。

發明內容
本發明目的是提供一種新型低比轉速部分流泵，其解決了現有低比轉速離心泵存 在的上述不足之處，可以減小葉輪的徑向尺寸，而且由於葉輪沒有前後蓋板，因此無圓盤摩 擦損失，所以在低比轉速範圍內其效率比常規離心泵高；由於部分流泵沒有間隙特性，葉輪 不需要前後密封環，從而縮短軸向尺寸；另外，由於部分流泵的葉輪為開式結構，運轉過程 不會產生軸向力，減小了渦輪泵軸向力平衡的難題。本發明的技術解決方案是一種低比轉速部分流泵，包括進口組件1和殼體組件2，所述殼體組件包括殼體 14、葉輪6、誘導輪4、傳動軸9、導流套5以及擴散管13 ；所述葉輪6、誘導輪4、傳動軸9以 及導流套5設置在殼體14內；所述擴散管13設置在殼體14上且與殼體14連通；其特殊之 處在於所述進口組件1包括進口殼體11和進口管12 ；所述進口管12連接在進口殼體上； 所述部分流泵還包括設置在殼體14上的喉部16，所述殼體14通過喉部16與擴散管13連 通；所述擴散管13的中心線與殼體14上的環形流道20的外圓切線平行。上述葉輪6包括6至8個徑向葉片29，所述葉片29的前錐角為10_15度；所述葉 輪6的輪轂上圓周均布有多個軸向貫通的平衡孔17。上述進口組件1還包括圓周方向設置在進口殼體11上的環形集液環10 ；所述進口管12通過集液環10連接在進口殼體上；所述集液環10所圍住的進口殼體11的壁上設 置有多個圓周均布的徑向小孔18，所述進口殼體11的內壁上設置有可將徑向小孔18流出 的液體導流至誘導輪4進口處的導流板3，所述導流板3的型面與導流套5的型面相匹配。上述誘導輪4的輪轂比為0. 60-0. 75，汽蝕係數為0. 16-0. 25。上述誘導輪4的輪轂比為0. 73，汽蝕係數為0. 2。上述平衡孔17的數量為8個。 上述擴散管13為錐形管。上述導流套5通過螺紋連接設置在進口殼體11的內壁上；所述葉輪6通過設置在 輪轂上的平鍵7固定在傳動軸9上。本發明所具有的優點1、本發明低比轉速部分流泵增加了連接殼體和擴散管的喉部，可準確實現主泵的 流量控制和泵後冷卻流量的控制；具有比較平緩的流量-揚程性能曲線，彌補了常規的低 比轉速離心泵小流量下工作時工況不穩定的缺點，便於實現大範圍工況調節，突破了傳統 泵壓式變推力發動機推力變比限制。2、本發明擴散管中心線與蝸殼環形流道外圓切線平行，可以避免蝸殼流道內高速 旋轉的液體進入擴散器喉部時產生激烈的撞擊，導致脫流堵塞流道，從而使液體的能量損 失增加，提高泵的水力效率。3、本發明葉輪的葉片前錐角範圍為10-15度，減小了葉片出口的擴散，可抑止軸 向旋渦和二次流的產生。4、本發明的擴散管為錐形管，可實現出口液體的動能向壓力能的轉換。5、本發明部分流泵葉輪為全開式結構，葉輪沒有前、後蓋板，所以在高速運轉過程 中沒有圓盤摩擦損失；沒有間隙特性限制，也無前、後密封環洩漏引起的容積損失問題，低 比轉速泵的軸向尺寸小，提高了泵效率；同時，運轉過程不會產生軸向力，減小了渦輪泵軸 向力平衡的問題，減小了結構的軸向尺寸，結構簡單。6、本發明通過在輪轂上設置平衡孔17，可以實現分流的一部分推進劑對高速軸承 和密封的冷卻後在回到泵前，節省能源；同時，減小了葉輪的軸向力。


圖1是現有低比轉速離心泵泵體的結構示意圖；其中21_前蓋板，22-殼體， 23-後密封環，24-進口組件，25-前密封環，26-後蓋板，27-葉輪，28-誘導輪；圖2是本發明低比轉速部分流泵的結構示意圖；圖3是本發明的殼體組件的結構示意圖；圖4是本發明的葉輪與殼體匹配的結構示意圖；圖5是本發明的進口組件的結構示意圖；其中1_進口組件，2-殼體組件，3-導流板，4-誘導輪，5-導流套，6-葉輪，7-平 鍵，8-回流管路，9-傳動軸，10-集液環，11-進口殼體，12-進□管，13-擴散管，14-殼體， 15-焊接接管嘴，16-喉部，17-平衡孔，18-徑向小孔，19-壓緊螺母，20-環形流道，29-葉 片。
具體實施方式
本發明低比轉速部分流泵，如圖2所示，包括進口組件1和殼體組件2。如圖5所示，進口組件1由進口管12、集液環10、進口殼體11組成。由於受渦輪 偏置式總體結構限制，泵採用徑向進口，集液環10和進口管12焊接在進口殼體上，進口殼 體上環向設計了一定數量的徑向小孔18，確保集液環內的推進劑局均勻進入泵中。如圖2和圖3所示，殼體組件包括殼體14、喉部16、焊接接管嘴15以及擴散管13 ； 焊接接管嘴15焊接在殼體14 ；葉輪6、誘導輪4、傳動軸9以及導流套5設置在殼體14內； 喉部16設置在殼體14上；殼體14通過喉部16與擴散管13連通；擴散管13為錐形管。擴 散管為錐形管，其作用是實現葉輪出口推進劑動能到壓力能的轉換，依靠喉部面積準確實 現泵的流量控制。擴散管13的中心線與殼體14上的環形流道20的外圓切線平行。選取 擴散管中心線與蝸殼環形流道外圓切線平行，可以避免蝸殼流道內高速旋轉的液體進入擴 散器喉部時產生激烈的撞擊，導致脫流堵塞流道，從而使液體的能量損失增加，提高泵的水 力效率。葉輪6包括6至8個徑向葉片29，葉片29的前錐角為10-15度；葉輪6的輪轂上 圓周均布有8個軸向貫通的平衡孔17。葉輪在設計中選擇合適的葉片數，保證擴散器喉部 面積和葉輪出口面積之比符合面積比與比轉速之間的關係；選擇葉片前錐角10-15度，減 小了葉片出口的擴散，抑止軸向旋渦和二次流的產生。葉輪輪轂部分設計平衡孔，除平衡 剩餘的軸向力外，分流一部分流量實現對軸承的冷卻；導流套5通過螺紋連接設置在進口 殼體11的內壁上；葉輪6通過設置在輪轂上的平鍵7固定在傳動軸9上，實現與傳動軸之 間的扭力矩傳遞。誘導輪4的輪轂比為0. 60-0. 75，汽蝕係數為0. 16-0. 25 ；較佳輪轂比為 0. 73，較佳汽蝕係數為0. 2。通過合理選取輪轂比和汽蝕係數，保證了誘導輪的高性能，推進 劑經誘導輪增壓後確保主葉輪不發生汽蝕。葉輪與誘導輪之間採用插齒連接、葉輪與傳動 軸之間採用普通的平鍵連接實現力矩傳遞。葉輪6設置在殼體2的蝸殼內，由球軸承支撐 固定。球軸承依靠壓緊螺母19實現與殼體組件的連接。為使高速軸承正常工作，就必須給 軸承提供充足的冷卻潤滑液，其冷卻潤滑液就是泵本身輸送的推進劑。球軸承的冷卻和潤 滑這樣實現——誘導輪4後的一小部分推進劑，經誘導輪增壓後產生一定的揚程，從葉輪輪 轂的8個平衡孔17流入軸承前，實現對球軸承的冷卻和潤滑後，之後在壓差作用下，通過焊 接接管嘴15及回流管路8，回到泵前進口管內，形成定向流動。環形蝸殼的截面形狀採用矩 形，加工方便，結構簡單。誘導輪設置在傳動軸上，且位於導流套與傳動軸之間；導流套通過 螺紋連接安裝在進口組件上，其內徑與誘導輪外徑之間的間隙很小，防止誘導輪高速旋轉 過程中葉片與之相摩擦的同時，保證其密封性能。導流板3的型面與導流套5的型面相匹 配。推進劑進入環形集液環後經均布的小孔徑向進入泵入口，沿導流板和導流套的之間型 面均勻進入誘導輪，導流板的作用是防止脫流損失；為提高泵的抗汽蝕性能，設計了誘導輪 提高主葉輪入口壓力。進口組件與殼體組件採用螺栓連接，兩者之間採用密封圈密封。誘導輪4後的另一小部分推進劑，從葉輪6的輪轂上開有一定數量的平衡孔17，除 平衡剩餘的軸向力外，分流一部分推進劑實現對高速軸承、端面密封的冷卻，之後通過外回 流管路8回到泵前。本發明工作原理推進劑從進口組件1的進口管進入集液環，通過進口殼體均布 的環形孔流入泵前，經誘導輪增壓後，大部分推進劑進入葉輪，在葉輪內傳動軸的機械能轉 化為動能，與傳統離心泵不同的是，流經部分流泵葉輪的推進劑大部分象「剛體」一樣在葉輪內旋轉，只有流經擴散管喉部的部分推進劑才能進入殼體組件的擴散管中，在擴散管中 實現將推進劑的動能向壓力能的轉換，達到向推力室輸送高壓推進劑的目的，因此稱之為 部分 流泵。部分流泵的流量可通過擴散器的喉部尺寸實現精確控制。
權利要求
一種低比轉速部分流泵，包括進口組件(1)和殼體組件(2)，所述殼體組件包括殼體(14)、葉輪(6)、誘導輪(4)、傳動軸(9)、導流套(5)以及擴散管(13)；所述葉輪(6)、誘導輪(4)、傳動軸(9)以及導流套(5)設置在殼體(14)內；所述擴散管(13)設置在殼體(14)上且與殼體(14)連通；其特徵在於所述進口組件(1)包括進口殼體(11)和進口管(12)；所述進口管(12)連接在進口殼體上；所述部分流泵還包括設置在殼體(14)上的喉部(16)，所述殼體(14)通過喉部(16)與擴散管(13)連通；所述擴散管(13)的中心線與殼體(14)上的環形流道(20)的外圓切線平行。
2.根據權利要求1所述低比轉速部分流泵，其特徵在於所述葉輪(6)包括6至8個 徑向葉片(29)，所述葉片(29)的前錐角為10-15度；所述葉輪(6)的輪轂上圓周均布有多 個軸向貫通的平衡孔(17)。
3.根據權利要求1或2所述的低比轉速部分流泵，其特徵在於所述進口組件(1)還包 括圓周方向設置在進口殼體(11)上的環形集液環(10)；所述進口管(12)通過集液環(10) 連接在進口殼體上；所述集液環(10)所圍住的進口殼體(11)的壁上設置有多個圓周均布 的徑向小孔(18)，所述進口殼體(11)的內壁上設置有可將徑向小孔(18)流出的液體導流 至誘導輪(4)進口處的導流板(3)，所述導流板(3)的型面與導流套(5)的型面相匹配。
4.根據權利要求3所述低比轉速部分流泵，其特徵在於所述誘導輪(4)的輪轂比為 0. 60-0. 75，汽蝕係數為 0. 16-0. 25。
5.根據權利要求4所述低比轉速部分流泵，其特徵在於所述誘導輪(4)的輪轂比為 0. 73，汽蝕係數為0.2。
6.根據權利要求3所述的低比轉速部分流泵，其特徵在於所述平衡孔(17)的數量為 8個。
7.根據權利要求6所述的低比轉速部分流泵，其特徵在於所述擴散管(13)為錐形管。
8.根據權利要求7所述的低比轉速部分流泵，其特徵在於所述導流套(5)通過螺紋 連接設置在進口殼體(11)的內壁上；所述葉輪(6)通過設置在輪轂上的平鍵(7)固定在傳 動軸(9)上。
全文摘要
本發明涉及一種低比轉速部分流泵，包括進口組件和殼體組件，殼體組件包括殼體、葉輪、誘導輪、傳動軸、導流套以及擴散管；葉輪、誘導輪、傳動軸以及導流套設置在殼體內；擴散管設置在殼體上且與殼體連通；進口組件包括進口殼體和進口管；進口管連接在進口殼體上；部分流泵還包括設置在殼體上的喉部，殼體通過喉部與擴散管連通；擴散管的中心線與殼體上的環形流道的外圓切線平行。本發明解決了葉片出口寬度小，葉輪的製造加工困難、離心泵效率較低的技術問題，便於實現大範圍工況調節，提高泵的水力效率。
文檔編號F04D29/66GK101865160SQ20101022145
公開日2010年10月20日 申請日期2010年7月8日 優先權日2010年7月8日
發明者杜玉潔 申請人:中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所