專利名稱：差速渦輪離心泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體機械中的離心泵。
離心泵是通用機械，廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。但是，現(xiàn)有離心泵存在兩個突出的問題一是其基礎(chǔ)理論很不完善，起不到應(yīng)有的理論指導(dǎo)作用。二是其基本結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致效率低，揚程不可調(diào)節(jié)，由此造成的能源浪費相當(dāng)可觀。
1、現(xiàn)行離心泵基礎(chǔ)理論及其存在問題現(xiàn)行離心泵理論，在無限多無限薄葉片的假設(shè)前提下，以歐拉渦輪方程為基礎(chǔ)(參見文獻1)，由此所得離心泵H＝f(Q)方程為(參見文獻2)H=U22g-U2g-ctgβ2F(1)]]>式中，H-離心泵單位重量流體能量(以下簡稱流體能量，俗稱揚程)μ2-葉輪圓周速度，β-葉片角，F(xiàn)-流道截面積，Q-流量，g-重力加速度，腳注2-表示葉輪出口端。
但是(1)式與試驗曲線的誤差很大，各國學(xué)者們修正了百余年，至今仍然效果不大。
本發(fā)明人認為，歐拉渦輪方程缺一項二分之一科氏慣性力矩，因此做了修正(詳見文獻3)。相應(yīng)的渦輪軸功方程為H= (V12-V22)/(2g) + (W22-W12)/(2g) (2)
式中，H-單位重量流體渦輪軸功，ν、ω-流體的絕對和相對速度，g-重力加速度，腳注1-表示葉輪進口端。
又認為，歐拉方程是渦輪方程，既或修正之后也完全不適用于泵，并推導(dǎo)出渦殼式離心泵實用H＝f(Q)方程(詳見文獻4)。將該方程適當(dāng)簡化后變?yōu)镠=V2τ2g-KQ22gF22(3)]]>式中，K-渦殼式壓出室形狀系數(shù)腳注τ-流體速度的切向(圓周)分量。
2、現(xiàn)有泵基本結(jié)構(gòu)不合理離心泵的全功能應(yīng)為將機械能轉(zhuǎn)化為流體能，并將此能量有效利用。在現(xiàn)有離心泵中，葉輪可將機械能轉(zhuǎn)化為流體能，但如何有效利用葉輪功，由于基礎(chǔ)理論不完善，采用了不合理的渦殼式壓出室(或?qū)~)結(jié)構(gòu)，由此造成了一系列的、長期以來難以克服的弊端，主要有1)、效率不高，突出表現(xiàn)在壓出室內(nèi)流體速度過高，能量損失過大。低比轉(zhuǎn)數(shù)時圓盤摩擦損失很大，高壓時容積損失相當(dāng)可觀。
2)、揚程不能調(diào)節(jié)，確定的泵在一定的轉(zhuǎn)速下，額定工況揚程是不變量。實際上，泵經(jīng)常偏離額定工況工作，由此造成的能源浪費也是很大的。
此外還有軸向力大，軸封要求高，型號繁多，離不開水力模型，提高轉(zhuǎn)速時，汽蝕性能變壞。由于轉(zhuǎn)速不宜過高，使得泵體笨重，費工費料等等。
本發(fā)明的目的是要提供一種差速渦輪離心泵，它能夠減小流體能損失并有效利用葉輪功，從而節(jié)約能量、提高效率。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的原動機通過差速箱(1)和軸Ⅰ(3)帶動泵輪(6)旋轉(zhuǎn)，泵輪(6)的功能與通常的離心泵葉輪一樣，將機械能轉(zhuǎn)化為流體能。在泵輪(6)出口端流體的沖擊作用下，渦輪(7)也將旋轉(zhuǎn)，渦輪的功能有三1)、將渦輪軸功通過軸Ⅱ(2)、差速齒輪箱(1)反饋到原動機上。
2)、限制泵輪入口端的流體負壓，當(dāng)泵輪、渦輪同步旋轉(zhuǎn)時，負壓等于零;泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速差愈大，負壓愈大。
3)、將泵、渦輪離心壓力差及渦輪出口端的流體動能輸出到導(dǎo)輪(壓出室)(10)內(nèi)。
導(dǎo)輪(10)靜止不動，其功能也有三1)、通過彎曲流道的擴壓和流體之間無旋渦沖擊將渦輪出口端的流體動能轉(zhuǎn)化為壓力能。
2)、承受高壓3)、通過出口端閥門向吐出管路輸送液體能。
通過泵輪、差速渦輪和導(dǎo)輪的共同作用，即可達到將機械能轉(zhuǎn)化流體能，并有效利用的目的。差速渦輪泵有效利用葉輪功的主要表現(xiàn)為消除了流體在流道內(nèi)的高速流動，從而減小了流體能損失，同時將渦輪軸功反饋到原動機上。
對于高壓泵采用減壓輪(9)，其功能為如果沒有減壓輪，泵輪出口端的高壓流體通過泵輪、渦輪之間的縫隙進入殼體內(nèi)，在該壓力作用下，流體通過泵輪入口端的縫隙返回吸入室，即造成了容積損失，壓力愈大、損失愈大。
因為減壓輪與泵輪同步旋轉(zhuǎn)，而且減壓輪的最小直徑小于導(dǎo)輪的入口直徑，因此完全消除了泵輪出口端的流體高壓離心方向進入殼體的可能性。只有離心壓力差，通過渦輪及減壓輪的向心方向進入殼體。這個壓力很小，由此引起的容積損失也很小，甚至可以忽略不計。說明減壓輪的作用是減小殼體內(nèi)的流體壓力，從而減小容積損失。
對于高速泵采用減速輪(8)，其功能為如果減速輪與軸Ⅱ之間的轉(zhuǎn)動阻力矩為零，作用在減速輪上的主動力矩為矩M1，阻力矩為M2。因為減速輪是惰輪，所以M1、M2均為圓盤摩擦流體力矩，且與轉(zhuǎn)速的平方成正比。
如果導(dǎo)輪的轉(zhuǎn)速為nT，減速輪的轉(zhuǎn)速大于nT/2，那么減速輪與渦輪之間的相對轉(zhuǎn)速小于減速輪與導(dǎo)輪之間的相對轉(zhuǎn)速。因此，必然M1＜M2，減速輪將減速旋轉(zhuǎn)。如果減速輪的轉(zhuǎn)速小于nT/2，那么與上相反，減速輪將加速旋轉(zhuǎn)。可見減速輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為nT/2。
顯然，增加減速輪之后，圓盤摩擦損失功率Nf(與轉(zhuǎn)速的立方成正比)將減小。但同時圓盤摩擦面積也將增加，不難知道，加一級減速輪，Nf減小到1/4;加二級減速輪(第二級安裝在渦輪與第一級減速輪中間)，Nf減小到1/9;加三級減速輪，Nf減小到1/16，以此類推。說明了減速輪的功能就是減小圓盤摩擦損失，相當(dāng)于減小了泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速。
對于高速泵采用雙葉輪動力軸封(4)，其功能為如果雙葉輪靜止不動，那么殼體外界流體進入吸入室的路線如附圖2中箭頭所示。當(dāng)雙葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，只要葉輪出口端的流體壓力大于吸入室(5)內(nèi)流體負壓的絕對值，那么流體不可能往雙葉輪(二者流道對稱)的向心方向流動，這就切斷了流體進入吸入室或流出殼體外的通道，即軸Ⅰ(3)已密封。
對高速旋轉(zhuǎn)軸，這種動力軸封是一種既簡單，又可靠的理想軸封。
其基本方程如下差速渦輪泵完成的單位重量流體能為Hm＝HB-Hr(4)式中B、T-分別表示泵輪和渦輪。
此處，泵、渦輪均為徑向直葉式為例。HB由(3)式?jīng)Q定。但因取消了渦殼，k＝0。又因受渦輪轉(zhuǎn)速的影響，(3)式將變?yōu)?br> HB=uB222g+(uB2-un)22g=uB222g[1+(1-i)2](5)]]>式中應(yīng)用了μ＝πDn/60-葉輪圓周速度。其中，D為葉輪直徑，n為葉輪轉(zhuǎn)速。
DB2＝DT1，i＝nT/nBHT由(2)式?jīng)Q定。但注意，(2)式中的ν1是即將進入葉輪的流體速度。因此，(2)式變?yōu)镠T=uB22-uB222g-(uB2-uT1)22g=uB222g[1-r2i2-(1-i)2](6)]]>式中，r＝DT2/DB2-渦輪半徑比。
將(5)、(6)式代入(4)式得Hm=uB222g[2(1-i)2+r2i2](7)]]>差速渦輪泵輸出的流體能，即泵實用揚程H與渦輪效率有關(guān)?？蓪懗蒆=uB222g[(1-i)2(1+i)+r2i2](8)]]>差速渦輪泵流量Q＝FπλμB2(9)式中，入-流量速度系數(shù)。一般取入μB2＝3～8m/s。
差速渦輪泵入口端最大負壓Hp=uB222g(1-i)2(10)]]>差速渦輪泵流體功率
NQ＝HrQ(11)式中，r-流體重度，差速渦輪泵軸功率N＝A+HmrQ (12)式中，A-近似常數(shù)，主要取決于零工況能量損失。
差速渦輪泵效率η= (NQ)/(N) = (HγQ)/(A+HmγQ)由上很容易知道，只要合理選取DB2、nB、r、i、F2及A，則可得任意所需H、Q及N，且高效率。
本發(fā)明因為采用了大幅度減小流體能損失并可有效利用葉輪功的泵輪、差速渦輪和導(dǎo)輪共同工作的結(jié)構(gòu);采用了基本消除容積損失的減壓輪結(jié)構(gòu)、大幅度減小圓盤摩擦損失的減速輪結(jié)構(gòu)和簡單可靠的雙葉輪動力軸封，所以使本發(fā)明具有以下優(yōu)點一、效率很高，可達90%以上，效率曲線無極值，最高效率取決于軸功率;
二、用途廣，可取代現(xiàn)有比轉(zhuǎn)數(shù)5～2000的各類葉片泵。
三、揚程可以調(diào)節(jié)，只要改變泵輪、渦輪差速比，即可改變揚程，必要時可采用有級或無級調(diào)節(jié)差速機構(gòu)。
四、軸向力小，高壓流體引起的軸向力基本自相平衡。
五、軸封簡單、可靠。
六、泵輪入口端負壓可以控制，汽蝕性能好。
發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下實施例及其附圖給出。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的差速渦輪離心泵的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是雙葉輪動力軸封結(jié)構(gòu)簡圖。
下面結(jié)合附圖詳細說明依據(jù)本發(fā)明提出的離心泵的結(jié)構(gòu)。
差速渦輪離心泵由差速齒輪箱(1)、軸Ⅱ(2)、軸Ⅰ(3)、軸封(4)、殼體(吸入室)(5)、泵輪(6)、渦輪(7)、減速輪(8)、減壓輪(9)和導(dǎo)輪(壓出室)(10)構(gòu)成。
泵輪(6)固定在軸Ⅰ(3)上，渦輪(7)固定在軸Ⅱ(2)上，軸Ⅰ、軸Ⅱ是同心軸，導(dǎo)輪(10)靜止不動。原動機通過差速齒輪箱(1)內(nèi)齒輪、軸Ⅰ(3)和軸Ⅱ(2)帶動泵輪(6)和渦輪(7)差速旋轉(zhuǎn)，渦輪(7)安裝在泵輪(6)出口端，導(dǎo)輪(10)安裝在渦輪(7)出口端。
減壓輪(9)固定在泵輪(6)上，并將渦輪(7)包容在里面。
泵輪減速輪(8)空套在泵輪(6)入口端，渦輪減速輪(8)空套在渦輪(7)的軸Ⅱ(2)上。
雙葉輪軸封(4)安裝在殼體(5)與軸Ⅰ(3)之間，葉輪Ⅰ(11)、Ⅱ(13)固定在軸Ⅰ(3)上，隔板(12)安裝葉輪Ⅱ、葉輪Ⅰ之間，并固定在殼體(5)上。
該發(fā)明適用于各種高壓，高速泵的場合。
若是低壓泵，可省去減壓輪(9)結(jié)構(gòu)。
若是低速泵，可省去減速輪(8)結(jié)構(gòu)。
參考文獻(1).理論力學(xué)教程，下冊第一分冊 洛強斯基著，人民教育出版社1962年。
(2).離心泵設(shè)計基礎(chǔ)，離心泵設(shè)計基礎(chǔ)編寫組編，機械工業(yè)出版社，1974年。
(3).“試論歐拉渦輪方程誤差很大的原因”，賴軒明，中國工程熱物理學(xué)會92年年會論文集，第六分冊(流體機械)。
(4)“探索離心泵實用H＝f(Q)方程”，賴軒明，《林業(yè)機械》1987年第4期。
權(quán)利要求
1.一種差速渦輪離心泵，由差速齒輪箱(1)、軸Ⅱ(2)、軸Ⅰ(3)、軸封(4)、殼體(5)、泵輪(6)、渦輪(7)、減速輪(8)、減壓輪(9)和導(dǎo)輪(10)構(gòu)成，其特征在于泵輪(6)固定在軸Ⅰ(3)上，渦輪(7)固定在軸Ⅱ(2)上，軸Ⅰ、軸Ⅱ是同心軸，渦輪(7)安裝在泵輪(6)出口端，導(dǎo)輪(10)安裝在渦輪(7)出口端，減壓輪(9)固定在泵輪(6)上，并將渦輪(7)包容在里面，一個減速輪(8)空套在泵輪(6)入口端，另一個減速輪(8)空套在渦輪(7)的軸Ⅱ(2)上，雙葉輪軸封(4)安裝在殼體(5)與軸Ⅰ(3)之間，葉輪Ⅰ(11)、Ⅱ(13)固定在軸Ⅰ(3)上，隔板(12)安裝在葉輪Ⅰ(3)和葉輪Ⅱ(12)中間，并固定在殼體(5)上。
全文摘要
一種差速渦輪離心泵，由差速齒輪箱(1)、軸II(2)、軸I(3)、雙葉輪動力軸封(4)、殼體(5)、泵輪(6)、差速渦輪(7)、減速輪(8)、減壓輪(9)和導(dǎo)輪(10)構(gòu)成。本發(fā)明由于采用了減少流體能損失并有效利用葉輪功的泵輪、差速渦輪和導(dǎo)輪共同工作的結(jié)構(gòu)，采用了基本消除容積損失的減壓輪結(jié)構(gòu)、減小圓盤摩擦損失的減速輪結(jié)構(gòu)和簡單可靠的雙葉輪動力軸封，使得該發(fā)明效率高、用途廣且揚程可調(diào)。
文檔編號F04D1/04GK1104725SQ93114570
公開日1995年7月5日 申請日期1993年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月18日
發(fā)明者賴軒明 申請人:賴軒明