專(zhuān)利名稱：一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種水泵，特別涉及一種用錐形輪轂并置兩個(gè)葉輪的水泵，屬于 水力機(jī)械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
實(shí)現(xiàn)高速小型化一直是流體機(jī)械研究發(fā)展的趨勢(shì)，在航空、航天和水中與水面兵 器等高科技和關(guān)系國(guó)家安全的領(lǐng)域具有不可替代的意義。要實(shí)現(xiàn)高速小型化，從流體機(jī)械 的流體動(dòng)力設(shè)計(jì)方面，需要解決高負(fù)荷葉片的高效率設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)于以液體為介質(zhì)的流體 機(jī)械——水力機(jī)械而言，還要解決因高負(fù)荷而帶來(lái)的空化問(wèn)題。應(yīng)用多級(jí)形式是實(shí)現(xiàn)高效 和高空化性能完成能量轉(zhuǎn)換的方法之現(xiàn)階段，對(duì)于需要較大功率而又有空間限制的應(yīng)用場(chǎng)合，通常采用雙級(jí)軸流泵的 技術(shù)方案。常規(guī)雙級(jí)軸流泵如圖1所示，包括輪轂、首級(jí)葉輪、首級(jí)導(dǎo)葉、次級(jí)葉輪、次級(jí)導(dǎo) 葉。由于在首級(jí)葉輪和次級(jí)葉輪之間設(shè)置了首級(jí)導(dǎo)葉，使得泵的軸向尺寸延長(zhǎng)、重量增大， 從而無(wú)法滿足對(duì)噴水推進(jìn)系統(tǒng)重量和尺寸上的使用要求。因此，在空間受限或重量受限時(shí)， 雙級(jí)軸流泵的空間布置非常困難。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可大幅度減小軸向尺寸的水 泵，并改善其工作性能。本實(shí)用新型提供了一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，包括輪轂、首級(jí)葉輪、次級(jí)葉 輪、導(dǎo)葉，與現(xiàn)有的雙極軸流泵不同，本實(shí)用新型的首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪、導(dǎo)葉順序設(shè)置在輪 轂上，在首級(jí)葉輪和次級(jí)葉輪之間不設(shè)置導(dǎo)葉。由于本實(shí)用新型使用串列的布置形式，在首 級(jí)葉輪和次級(jí)葉輪之間不設(shè)置導(dǎo)葉，可減小噴水推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸和重量。本實(shí)用新型所述輪轂為變輪轂比的錐型輪轂。通常，輪轂比是根據(jù)比轉(zhuǎn)速確定的。 本實(shí)用新型采用的變輪轂比設(shè)計(jì)可以使得串列泵的揚(yáng)程和效率有所提高。首、次級(jí)葉輪安放角對(duì)串列泵的能量特性、空化性能曲線影響顯著。由于泵的入口 來(lái)流工況相對(duì)穩(wěn)定，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，首級(jí)葉輪設(shè)計(jì)成不可調(diào)式?？紤]到串列泵首級(jí)葉輪和次 級(jí)葉輪之間的影響，經(jīng)過(guò)首級(jí)葉輪后的流動(dòng)變化較為復(fù)雜，同時(shí)為了擴(kuò)大泵的高效區(qū)，次級(jí) 葉輪設(shè)計(jì)成可調(diào)葉輪，即葉片的安放角可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)能量迭加原理，在忽略兩級(jí)葉輪相互影響的情況下，串列泵兩級(jí)葉輪提供的 揚(yáng)程之和為總揚(yáng)程。串列泵通常揚(yáng)程系數(shù)很高，在兩級(jí)葉輪承擔(dān)同等的揚(yáng)程并且葉片數(shù)目 相同的情況下，首級(jí)葉輪發(fā)生空化的危險(xiǎn)大于次級(jí)葉輪。為此需要對(duì)葉輪的載荷進(jìn)行適當(dāng) 的分配。為了減小首級(jí)葉輪發(fā)生空化的危險(xiǎn)，載荷分配時(shí)適當(dāng)減小了首級(jí)葉輪的負(fù)荷，這樣 較大限度的減小了首級(jí)葉輪發(fā)生空化的可能。同時(shí)由于保證總揚(yáng)程的需要，在減少首級(jí)葉 輪載荷的同時(shí)必然會(huì)引起次級(jí)葉輪載荷的增加。前后葉輪載荷的分配比例關(guān)系，尚沒(méi)有比 較明確的說(shuō)法?？紤]到前后葉輪比轉(zhuǎn)速和葉片選擇的需要，本實(shí)用新型確定了前后葉輪負(fù)荷之比為4 6，即首級(jí)葉輪提供總揚(yáng)程的40%，次級(jí)葉輪提供總揚(yáng)程的60%。試驗(yàn)結(jié)果證 明，本實(shí)用新型的流量與揚(yáng)程曲線不再存在駝峰，揚(yáng)程隨流量的增加而單調(diào)變化，這對(duì)于推 力調(diào)節(jié)具有重要的意義，而且本實(shí)用新型所產(chǎn)生的效率與流量曲線在很寬廣的區(qū)域內(nèi)具有 幾乎不變的效率，而不是像一般的泵一樣高效區(qū)很窄。有益效果本實(shí)用新型使用串列的布置形式，可減小噴水推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸和重量。通過(guò)采用 變輪轂比的錐型輪轂，并且將載荷在兩個(gè)葉輪上優(yōu)化匹配，改善了水泵的能量特性，實(shí)現(xiàn)了 空化性能的提高。本實(shí)用新型具有流量大、結(jié)構(gòu)緊湊、空間尺寸小、能量特性優(yōu)、抗空化性能 好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1是常規(guī)雙級(jí)軸流泵結(jié)構(gòu)圖。圖2是雙葉輪串列泵總體結(jié)構(gòu)圖；圖3是雙葉輪串列泵輪轂圖；圖4是首級(jí)葉輪軸面-平面投影圖；圖5是首級(jí)葉輪軸測(cè)圖；圖6是次級(jí)葉輪軸面-平面投影圖；圖7是次級(jí)葉輪軸測(cè)圖；圖8是導(dǎo)葉軸面-平面投影圖；圖9是導(dǎo)葉軸測(cè)圖。其中，1為常規(guī)雙級(jí)軸流泵首級(jí)葉輪，2為常規(guī)雙級(jí)軸流泵首級(jí)導(dǎo)葉，3為常規(guī)雙級(jí) 軸流泵次級(jí)葉輪，4為常規(guī)雙級(jí)軸流泵次級(jí)導(dǎo)葉，5為雙葉輪串列泵首級(jí)葉輪，6為雙葉輪串 列泵次級(jí)葉輪，7為雙葉輪串列泵導(dǎo)葉，8為雙葉輪串列泵錐形擴(kuò)散管，9為雙葉輪串列泵導(dǎo) 水錐。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，具體說(shuō)明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵的總體結(jié)構(gòu)圖，它由以 下五部分組成，5為首級(jí)葉輪，6為次級(jí)葉輪，7為導(dǎo)葉，8為錐形擴(kuò)散管，9為導(dǎo)水錐。從圖中 可以看出，首級(jí)葉輪葉片數(shù)為3、次級(jí)葉輪葉片數(shù)為6、導(dǎo)葉葉片數(shù)為11，首級(jí)葉輪、次級(jí)葉 輪變輪轂比。圖3是雙葉輪串列泵輪轂圖，從圖中可以看出葉輪輪轂是錐型變輪轂比設(shè)計(jì)。首 級(jí)葉輪安放角不可調(diào)、次級(jí)葉輪安放角可調(diào)。輪轂比是輪轂直徑與葉輪外徑的比值，是軸流式葉輪的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)效率、強(qiáng) 度、結(jié)構(gòu)和空化性能均有較大影響。在本實(shí)施例中，采用的是變輪轂比的錐型輪轂。通常， 輪轂比是根據(jù)比轉(zhuǎn)速確定的。本實(shí)施例中，由于串列泵前后級(jí)葉輪比轉(zhuǎn)速不同，故選用變 輪轂比設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中兼顧了前后葉輪，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)首級(jí)葉輪輪轂比范圍為 0. 333-0. 4，次級(jí)葉輪輪轂比范圍為0. 4-0. 467時(shí)，串列泵可以獲得最佳的揚(yáng)程和效率。本實(shí)施方式的首級(jí)葉輪設(shè)計(jì)成不可調(diào)式，次級(jí)葉輪為可調(diào)式。為了實(shí)現(xiàn)次級(jí)葉輪可調(diào)，在次級(jí)葉輪中可采用半調(diào)式(實(shí)現(xiàn)葉片角度不連續(xù)調(diào)節(jié))或全調(diào)式(實(shí)現(xiàn)葉片角度 連續(xù)調(diào)節(jié))。全調(diào)式是在泵軸內(nèi)部安裝調(diào)節(jié)油管，在輪轂體內(nèi)布置葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。半調(diào)式是 將葉片用螺母固定在輪轂體上，在葉片的根部刻有基準(zhǔn)線，而在輪轂體上刻有相應(yīng)的角度 線，當(dāng)需要調(diào)節(jié)葉片角度時(shí)，必須先停機(jī)，然后松開(kāi)螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)到葉片所需要的角度，然后再 用螺母固定。圖4、圖5是首級(jí)葉輪軸面-平面投影圖和首級(jí)葉輪軸測(cè)圖，兩圖比較完整地描述 了首級(jí)葉輪的形狀。從圖中，我們可以看出首級(jí)葉輪葉片數(shù)目為3，輪轂比可變，葉片扭曲程 度較大。圖6、圖7是次級(jí)葉輪軸面-平面投影圖和次級(jí)葉輪軸測(cè)圖，兩圖比較完整地描述 了次級(jí)葉輪的形狀。從圖中，我們可以看出次級(jí)葉輪葉片數(shù)目為6，輪轂比可變。本實(shí)施方式中，考慮到前后葉輪比轉(zhuǎn)速和葉片選擇的需要，確定了前后葉輪負(fù)荷 之比為4 6，即首級(jí)葉輪提供總揚(yáng)程的40%，次級(jí)葉輪提供總揚(yáng)程的60%。葉柵稠密度是葉輪的重要幾何參數(shù)，直接影響到泵的效率和抗汽蝕性能的優(yōu)劣。 葉片稠密度的大小，表示葉片總面積的大小。葉片稠密度減小，葉片總面積減小，摩擦面積 減小，可以提高效率；但另一方面葉片工作面與背面的壓力差會(huì)增加，將使汽蝕性能變壞。 反之，增大，能量損失將增加，降低效率。因此葉柵稠密度選取應(yīng)綜合考慮，力求使損失最小 和汽蝕性能最佳。葉片數(shù)的多少與葉柵稠密度密切相關(guān)。對(duì)既定的設(shè)計(jì)參數(shù)，葉柵稠密度 的選擇應(yīng)使葉柵工作在最優(yōu)工況附近。對(duì)泵而言，葉柵稠密度不僅影響效率，而且對(duì)空化性 能有很大的影響，也是葉片強(qiáng)度的決定性因素之一。葉片數(shù)目與載荷分配有密切關(guān)系。本實(shí)用新型有前后葉輪，應(yīng)根據(jù)前后葉輪的比轉(zhuǎn)速分別選取葉片數(shù)，同時(shí)基于兩 級(jí)葉輪間葉片相位角保持恒定，從而減少液流脈動(dòng)力方面考慮，將次級(jí)葉輪的葉片數(shù)取為 首級(jí)葉輪葉片數(shù)的兩倍。這樣本實(shí)施例中首級(jí)葉輪葉片數(shù)為3，次級(jí)葉輪葉片數(shù)為6。圖8、圖9是導(dǎo)葉軸面-平面投影圖和導(dǎo)葉軸測(cè)圖，兩圖比較完整地描述了導(dǎo)葉的 形狀。本實(shí)用新型中所設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉葉片數(shù)目為11，葉片扭曲程度較小。導(dǎo)葉的主要作用是 消除從葉輪流出液體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能。對(duì)于軸流泵，其導(dǎo)葉一般 能夠回收大約10%左右的動(dòng)能。需要注意的是，與常規(guī)雙級(jí)軸流泵相比，串列泵的揚(yáng)程雖然 也是由兩級(jí)葉輪疊加所得，但雙級(jí)軸流泵在兩級(jí)葉輪之間有了一個(gè)整流的導(dǎo)葉，次級(jí)葉輪 進(jìn)口液流可以視作無(wú)預(yù)旋，經(jīng)過(guò)次級(jí)葉輪的做功以后，流出次級(jí)葉輪液流的周向誘導(dǎo)速度 的大小與單級(jí)軸流泵的基本相同，只是壓力明顯增加；而雙葉輪串列泵則不然，流出次級(jí)葉 輪液流的周向誘導(dǎo)速度，即流入導(dǎo)葉的周向誘導(dǎo)速度等于兩級(jí)葉輪產(chǎn)生的周向誘導(dǎo)速度 之和，其數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單級(jí)軸流泵或常規(guī)雙級(jí)軸流泵，其作用實(shí)際上等同于兩個(gè)導(dǎo)葉的 共同作用。由于經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉整流后出口周向誘導(dǎo)速度變?yōu)榱悖虼?，串列泵?dǎo)葉轉(zhuǎn)換的環(huán)量很 尚O為了縮小泵的軸向長(zhǎng)度，常將導(dǎo)葉和擴(kuò)散管合為一體，稱為導(dǎo)葉體，在本實(shí)用新型 中，如圖2中標(biāo)示7和9。確定導(dǎo)葉的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，與葉輪室和出水管的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一考慮。 本實(shí)施例中采用圓柱型導(dǎo)葉體，錐角為0。導(dǎo)葉體的總長(zhǎng)度L建議取(1.4-1.5)D，從而可以 在考慮了性能要求的基礎(chǔ)上，使軸向長(zhǎng)度較小。本實(shí)施例中取1.47D，D為導(dǎo)葉的直徑。導(dǎo) 葉的葉片數(shù)一般多于葉輪葉片數(shù)，二者要互為質(zhì)數(shù)，取導(dǎo)葉葉片數(shù)11。本實(shí)施方式極大的減小了噴水推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸和重量，并且改善了水泵的能量特性，實(shí)現(xiàn)了空化性能的提高。本實(shí)施方式可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合，比如兩棲車(chē)輛的水上推進(jìn)系 統(tǒng)、船舶動(dòng)力、魚(yú)雷快艇等。 最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡 管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以 對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和 范圍。
權(quán)利要求1.一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，包括輪轂、首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪、導(dǎo)葉，其特征在 于首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪、導(dǎo)葉順序設(shè)置在輪轂上，在首級(jí)葉輪和次級(jí)葉輪之間不設(shè)置導(dǎo)葉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，所述輪轂為 變輪轂比的錐型輪轂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，首級(jí)葉輪輪 轂比范圍為0. 333-0. 4，次級(jí)葉輪輪轂比范圍為0. 4-0. 467。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，首 級(jí)葉輪為不可調(diào)式葉輪，次級(jí)葉輪為可調(diào)式葉輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，首 級(jí)葉輪的載荷小于次級(jí)葉輪的載荷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，首級(jí)葉輪和 次級(jí)葉輪負(fù)荷之比為4 6。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，首級(jí)葉輪的 載荷小于次級(jí)葉輪的載荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，首級(jí)葉輪和 次級(jí)葉輪負(fù)荷之比為4 6。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于，次 級(jí)葉輪的葉片數(shù)取為首級(jí)葉輪葉片數(shù)的兩倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，其特征在于， 導(dǎo)葉體的總長(zhǎng)度為1. 4D-1. 5D，其中D為導(dǎo)葉的直徑。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種帶錐型輪轂的雙葉輪串列泵，包括輪轂、首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪、導(dǎo)葉，本實(shí)用新型的首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪、導(dǎo)葉順序設(shè)置在輪轂上，在首級(jí)葉輪和次級(jí)葉輪之間不設(shè)置導(dǎo)葉，所述輪轂為變輪轂比的錐型輪轂，首級(jí)葉輪為不可調(diào)式葉輪，次級(jí)葉輪為可調(diào)式葉輪。本實(shí)用新型使用串列的布置形式，可減小噴水推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸和重量。通過(guò)采用變輪轂比的錐型輪轂，并且將載荷在兩個(gè)葉輪上優(yōu)化匹配，改善了水泵的能量特性，實(shí)現(xiàn)了空化性能的提高。本實(shí)用新型具有流量大、結(jié)構(gòu)緊湊、空間尺寸小、能量特性優(yōu)、抗空化性能好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F04D29/18GK201896785SQ20102067146
公開(kāi)日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者張敏弟, 王國(guó)玉, 王小波, 黃彪 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)