[发明专利]一种高抗空化性能的诱导轮

说明书

本发明提供了一种高抗空化性能的诱导轮，所述诱导轮轮毂外侧至少设有2层互不连通的轴面流道，任意相邻的轴面流道之间通过流道分隔板隔离。任一所述轴面流道的横截流通面积沿流向逐渐减小；任意所述轴面流道的出口面积小于等于进口面积。任意所述轴面流道内至少设有1个叶片，不同所述轴面流道内的叶片进口边和叶片出口边分别交错布置，提高诱导轮出流的均匀性。所述叶片进口边后掠修圆处理，提高抗汽蚀性能。所述叶片为螺旋叶片，所述螺旋叶片的螺距为等螺距或变螺距或等螺距与变螺距的组合。本发明通过增加多个轴面流道数量来提高抗汽蚀性能。

技术领域

本发明涉及流体机械领域，特别涉及一种高抗空化性能的诱导轮。

背景技术

诱导轮多用于航空、航天、制冷等对空化要求高的场合。在航空、航天领域，由于航空航天飞行器需要在远离地面的高空或太空工作，受飞行器空间尺寸和结构质量的约束，推进剂供应系统的结构尺寸和质量受到严格限制。为了尽量减小结构尺寸和质量，推进剂泵需要较高的转速，而为了减轻贮箱增压系统的质量和规模，推进剂贮箱需要较低的压力。根据推进剂供应系统中的推进剂泵高转速和低入口压力的特点，要求推进剂泵需要具有非常高的抗空化性能。

目前，通常采用在离心叶轮前增设诱导轮的方法提高泵的抗空化性能，但提高幅度有限，而且在偏离设计点较远的工况时，受限于诱导轮自身的抗空化性能，其抗空化性能仍然不满足低入口压力下正常工作的要求。在航天喷气发动机中需要将液态氢或液态氧等极低温流体进行加压输送，为了维持其吸入性能需要设置诱导轮。在液体火箭发动机涡轮泵中，为获得更小的质量、更大的推质比，高速诱导轮离心泵中的诱导轮经常在潜在空化情况下工作。虽然流道内潜在空化情况对泵的稳态输出参数扬程、功率和效率不会产生明显的影响，但会改变系统的动态特性，并在特定条件下引起水力系统压力和流量的自激振荡，严重的空化振荡会降低可靠性，甚至导致破坏。

外国专利公开了一种用于将高粘性流体推入离心泵的诱导轮的设计，通过在诱导轮的螺旋叶片和诱导轮外壳之间形成非常紧密的间隙，并配置螺旋叶片，从而在流体通过装置流向泵时增加压力，来解决流体与诱导轮叶片一起旋转的问题。但是整个装置的效率不高，不能满足某些场合的需求。

外国专利公开了将诱导轮设置成多级，并通过增加诱导轮螺旋面的斜率来改变多级诱导轮的旋向，去除旋转动量，从而降低汽蚀余量。同时，在壳体内壁上设置有与诱导轮旋向相反的螺旋形沟槽，使得涡流在沟槽内流动，而非在叶顶间隙内流动，从而减少流体产生叶顶空化的几率。但该技术在高比转速的场合下性能曲线变得不稳定，这一问题值得商榷。

诱导轮的叶片对介质额做功是依靠叶片型线的升力来实现，完全不依靠离心力。诱导轮在旋转时，叶片产生一定的离心力，导致介质沿叶片产生径向流动分量，这种径向流使得其抗空化性能变差和机组性能下降。在相同流速下，诱导轮的几何尺寸越大，这种径向离心力作用就越强，这也是制约诱导轮进一步地提高诱导轮的抗空化性能、大型化的重要因素。若要上述问题，就需要消除或抑制叶片的离心力和径向流。

现有技术中存在离心泵的叶轮设计成双流道，离心叶轮利用离心力对介质做功，是将动能转化成压能，离心叶轮对介质的做功是通过叶片产生的离心力来实现的。双流道的设置使得叶轮流道内的径向流动得到了加强，从而加强了离心叶轮的离心力，双流道叶轮的设置减小了压力脉动，削弱了出流冲击，降低动静干涉造成的影响，但会增加排挤系数，造成离心泵叶轮流道堵塞，流速增大，导致其抗空化性能降低。

如图1所示，传统诱导轮是一种高比转速叶轮，只有存在一个轴面流道，不存在促进液体和气泡分离的离心力作用，其外特性的表现是，在空化过程中性能下降缓慢，无明显的突然下降阶段，即对性能无严重影响。衡量锈导轮空化性能的特征值是空化比转速C，如下面公式所示：

式中：n----诱导轮转速，单位r/min；

Q----通过诱导轮的流量，单位m³/s；