雙支撐旋渦泵的設(shè)計研究*

□ 張康智 □ 陳萬強 □ 李祥陽 □ 王 芳

西安航空學(xué)院 軍工裝備研究所 西安 710077

特種車輛工況條件差，對旋渦泵的轉(zhuǎn)速要求高達14 000 r/min，傳統(tǒng)的旋渦泵無法滿足其使用性能，如目前國內(nèi)眾多旋渦泵轉(zhuǎn)速在1 450～2 900 r/min，其結(jié)構(gòu)均采用單支撐懸浮式的分離式結(jié)構(gòu)（圖1），雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、用料少的優(yōu)點，但是由于僅一端固定，受力變形大；裝配零件較多，使裝配誤差大，造成泵的整體尺寸變大以及傳動精度無法得到保證等問題。

雙支撐旋渦泵能夠滿足特種車輛使用要求，為此，對高性能新型雙支撐旋渦泵進行設(shè)計和研究，以期打破歐美等發(fā)達國家對我國此類技術(shù)的長期封鎖和產(chǎn)品壟斷。特種車輛用裝備系列產(chǎn)品的研制成功并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將提高我省高?？萍及l(fā)展水平在全國相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的知名度及其影響，成為陜西省特種車輛技術(shù)和工業(yè)化的支柱產(chǎn)業(yè)。

▲圖1 單支撐懸浮式旋渦泵結(jié)構(gòu)

1 雙支撐旋渦泵的特點

雙支撐旋渦泵采用了閉式葉輪、開式流道、高精度滾動軸承雙支撐結(jié)構(gòu)，電動機和泵體直接相連并傳遞動力。在保證壓力（揚程）和流量的前提下，泵的體積和質(zhì)量大幅度減小，工作可靠。泵的材料均選用不銹鋼并經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，具有很高的強度和耐磨性，并且抗振性和耐腐蝕性能良好。

1.1 雙支撐式旋渦泵結(jié)構(gòu)特點

（1）雙支撐式的整體式結(jié)構(gòu)是指葉輪、傳動軸是一個整體，其幾何尺寸小，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）葉輪封閉與流道相通。葉輪封閉是指葉片中間有隔板（圖2）；流道相通是指旋渦泵兩端直接打通進出口，所形成的流場是一個貫通的流場（圖3為貫通流場模型）。

1.2 雙支撐式旋渦泵結(jié)構(gòu)優(yōu)點

（1）保證葉輪與泵殼間隙的恒定性。葉輪的兩端的軸肩與高精度軸承精密配合，增加了葉輪運動的穩(wěn)定性。

（2）旋渦泵整體緊湊，減少了傳統(tǒng)旋渦泵的安裝誤差所帶來的影響。

（3）零件制造精度高。加工時以兩端中心孔定位來加工兩支撐及葉片，符合基準統(tǒng)一和基準重合原則，保證了葉輪的形位公差。

2 雙支撐旋渦泵葉輪關(guān)鍵尺寸設(shè)計

2.1 雙支撐旋渦泵關(guān)鍵尺寸的計算

▲圖2 雙支撐旋渦泵葉輪結(jié)構(gòu)模型

▲圖3 貫通流場模型

大多數(shù)旋渦泵的轉(zhuǎn)速范圍為 1 450～2 900 r/min，而特種車輛要求的旋渦泵轉(zhuǎn)速達14 000 r/min，由于特種車輛工況條件差，因此對旋渦泵還要求有高的可靠性。根據(jù)特種車輛的工作環(huán)境對旋渦泵進行結(jié)構(gòu)和尺寸改進，按照封閉式旋渦泵進行設(shè)計（圖4閉式旋渦泵流場截面圖），因為矩形流道能夠提供中、高比轉(zhuǎn)速，而且矩形截面流道泵的性能曲線較半圓形流道泵平緩，較梯形流道泵的揚程系數(shù)高。

▲圖4 雙支撐旋渦泵流場截面圖

2.1.1 雙支撐式旋渦泵葉輪外徑D計算

式中：u為葉輪圓周速度,m/s；ω為葉輪角速度，rad/s；t為時間，s。

2.1.2 雙支撐式旋渦泵葉輪流道參數(shù)計算

流道內(nèi)葉輪出口處液體的平均切向速度v與圓周速度有關(guān)：

式中：Kv為流道內(nèi)速度系數(shù)，對閉式葉輪來說其范圍是0.5～0.6 m/r，比轉(zhuǎn)速大時取大值O斷面面積A：

式中：Q為旋渦泵流量，L/s；ηv為泵容積效率。

2.1.3 雙支撐式旋渦泵葉輪寬度b計算

式中：ξ為旋渦泵的揚程系數(shù)；H為旋渦泵揚程，m；k為葉輪寬度系數(shù)，閉式旋渦泵葉輪寬度系數(shù)為：

2.1.4 雙支撐式旋渦泵流道水利尺寸計算

根據(jù)流道斷面面積和流道最佳尺寸比值來確定流道各相關(guān)尺寸，如圖4所示矩形流道旋渦泵一般采用如下尺寸。

2.1.5 雙支撐旋渦泵葉輪葉片數(shù)計算

葉片數(shù)改變了旋渦泵的揚程和功率，隨著葉片數(shù)增加，旋渦泵的揚程和功率明顯增大，但是當(dāng)葉片數(shù)達到一定值時，改善效果減弱。對于閉式葉輪，一般采用徑向直葉片，葉片在最大半徑上的間距與葉片高度之比通常為0.6～1。計算葉片數(shù)z：

▲圖5 雙支撐旋渦泵葉輪

式中：z為葉輪葉片數(shù)；l為葉片在最大半徑上的間距，m；經(jīng)計算，雙支撐式旋渦泵葉片數(shù)取30個。

2.1.6 雙支撐式旋渦泵割舌計算

開口高壓區(qū)和進口低壓區(qū)，可以用隔舌分開，隔舌的包容弧線長度約為葉片間距的3～10倍。

2.2 雙支撐旋渦泵葉輪設(shè)計結(jié)果

根據(jù)計算，得出雙支撐旋渦泵的相關(guān)尺寸參數(shù)，繪制出其主要零件葉輪的結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸（見圖5，圖中尺寸單位為mm），泵蓋和泵體的結(jié)構(gòu)可根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)的尺寸得出。

3 結(jié)論

在旋渦泵研究的理論基礎(chǔ)上，對旋渦泵進行了分析設(shè)計，與傳統(tǒng)的旋渦泵相比較具有小流量高揚程的特點，且增壓效果明顯，能滿足特征車輛的工況條件。對所設(shè)計的旋渦泵可使用Fluent軟件對其流場進行分析，并對設(shè)計結(jié)果進行優(yōu)化。

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