CN112460031A - 一种叶轮内置式高速离心泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种叶轮内置式高速离心泵，包括壳体和转轮，所述转轮可旋转安装在壳体内，其特征在于，还包括电机定子和电机转子，所述电机定子安装在壳体上，所述电机转子与转轮固定连接，所述转轮包括诱导轮和离心叶轮，所述诱导轮的外侧边缘设有外圈，所述诱导轮的外圈与所述电机转子的内圆固定连接；通过所述电机定子得电，使所述电机转子旋转；所述离心叶轮与诱导轮同步转动；所述转轮的转速不低于2800r/min。本发明克服了传统离心泵出水方向与泵的回转轴线垂直的问题，同时缩减传统离心泵的结构尺寸，减小转子轴向力，可以满足鱼雷等高速航行装置对喷水推进泵高扬程、大流量、运行稳定、结构紧凑的要求。

Description

一种叶轮内置式高速离心泵
技术领域
本发明涉及离心泵领域，特别涉及一种叶轮内置式高速离心泵。
背景技术
喷水推进是实现水上航速技术指标的重要保证，通过喷水推进泵喷射水流产生的反作用力推动船舶前进。做为喷水推进装置的核心部件，常见的泵型结构有轴流式、混流式和离心式。由于传统的离心泵出水方向与泵的回转轴线垂直，是的出水管道的布置复杂，且会由此出现较高的水力损失，因此很少采用。轴流泵结构简单紧凑，重量较轻，主要用于扬程较低、流量较大的场合。目前，高速舰船和两栖车大多采用轴流式喷水推进泵。但是，在一些高速航行的装置方面，比如鱼雷等高速航行装置，需要满足较大流量的同时，还要提供较高的扬程，而这是轴流泵难以满足的应用场合。另一方面，鱼雷等高速航行装置对推进器的结构紧凑性有着更高的要求，这也是传统的轴流式喷水推进泵难以满足的。要满足高扬程大流量的要求，最常见、运行最稳定的就是离心泵，尤其是转速在2800r/min以上的高速离心泵。因此，亟需提出一种新的离心泵结构，来克服传统离心泵出水方向与泵的回转轴线垂直的问题，同时还要缩小离心泵的结构尺寸，减小转子轴向力，来满足鱼雷等高速航行装置对各部件尺寸紧凑的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种叶轮内置式高速离心泵，取消了安装在传统离心泵泵轴一端的电机，而是直接将电机的转子内圆直接与诱导轮外圆固定，一方面减短了整体装置的结构长度，另一方面也可以实现泵的出水方向与回转轴线共线，方便后期喷水推进装置的出水管道布置。本发明的转轮采用了诱导轮与离心叶轮配合的结构，提高了本发明的抗汽蚀性能，以保证本发明可以在更高速的工况运行。电机转子的进出口端压力差可以平衡诱导轮与离心叶轮高速转动时产生的轴向力。诱导轮的外圆直接固定在电机转子内圆上，没有诱导轮叶顶间隙存在，降低了装置的内部泄漏，提高了整体装置的效率。本叶轮内置式高速离心泵具有结构紧凑、高速稳定运行、平衡轴向力、效率高等优点。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种叶轮内置式高速离心泵，包括壳体和转轮，所述转轮可旋转安装在壳体内，其特征在于，还包括电机定子和电机转子，所述电机定子安装在壳体上，所述电机转子与转轮固定连接，所述转轮包括诱导轮和离心叶轮，所述诱导轮的外侧边缘设有外圈，所述诱导轮的外圈与所述电机转子的内圆固定连接；通过所述电机定子得电，使所述电机转子旋转；所述离心叶轮与诱导轮同步转动；所述转轮的转速不低于2800r/min。
进一步，所述诱导轮和离心叶轮为一体式，所述诱导轮与离心叶轮之间没有间隙。
进一步，所述诱导轮和离心叶轮为分体式，所述诱导轮和离心叶轮分别与轴传动连接，所述电机转子带动诱导轮转动，所述诱导轮通过所述轴使离心叶轮同步转动。
进一步，所述电机定子与电机转子之间安装屏蔽套，所述屏蔽套一端与喇叭管连接，所述屏蔽套另一端与电机隔板连接，所述屏蔽套用于将电机定子与水体分离开。
进一步，还包括电机隔板，所述电机隔板的一端与诱导轮的外圈间隙配合，所述电机隔板的另一端安装在所述电机外壳与后置导叶之间。所述电机隔板与电机转子之间安装有机械密封，用来抑制外圈与电机隔板之间流动的介质直接流入电机腔内。
进一步，所述电机隔板与外圈之间的间隙值为壳体进口直径的0.001倍，当壳体进口直径的0.001倍值小于0.2mm时，取间隙值为0.2mm。
进一步，所述电机定子与电机转子之间安装屏蔽套，所述屏蔽套用于将电机定子与水体分离开。
进一步，所述诱导轮为轴流式叶轮。
进一步，所述诱导轮的叶片厚度满足如下公式：
δ＝HK1+K2
式中：δ为诱导轮的叶片厚度，H为诱导轮的流道宽度，K1为叶片厚度系数，取值范围为0.02～0.06，K2为叶片厚度修正系数，取值范围为1～3mm。
进一步，所述喇叭管、屏蔽套和电机转子一端构成高压腔，所述电机隔板、屏蔽套和电机转子另一端构成泄压腔；所述电机转子内设有导流槽，所述导流槽连通高压腔和离心叶轮出口，用于将离心叶轮出口间隙流引入高压腔；所述电机转子与屏蔽套之间设有环隙，所述环隙连通高压腔和泄压腔；所述电机隔板上设有泄压槽，所述泄压槽的一端连通泄压腔，另一端通过泄压管与外界相连；所述电机转子的进出口端压力差可平衡诱导轮与离心叶轮高速转动时产生的轴向力。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的叶轮内置式高速离心泵，通过在电机转子的进口端造成高压区，在电机转子的出口端造成低压区，平衡诱导轮与离心叶轮运行时产生的轴向力。
2.本发明所述的叶轮内置式高速离心泵，泵的出水方向与回转轴线共线，方便后期喷水推进装置的出水管道布置。
3.本发明所述的叶轮内置式高速离心泵，采用了诱导轮与离心叶轮配合的结构，提高了本发明的抗汽蚀性能，保证本发明可以在更高速的工况运行。
4.本发明所述的叶轮内置式高速离心泵相比对传统离心泵，具有更短的轴向距离以及更轻的电机，适用于鱼雷等结构紧凑的高速航行装置。
附图说明
图1为本发明所述的叶轮内置式高速离心泵整体结构图。
图2为本发明所述的转轮结构图。
图3为本发明所述的电机转子区域的介质流动示意图。
图中：
1-喇叭管；2-电机外壳；3-电机定子；4-电机转子；5-电机隔板；6-后置导叶；7-导轴承；8-第一动密封；9-转轮；10-轴；11-屏蔽套；12-第二动密封；13-双向推力轴承；14-机械密封；15-泄压管；1a-前置导叶；1b-导水锥；1c-高压腔；4a-导流槽；4b-环隙；5a-泄压槽；5b-泄压腔；901-诱导轮；902-离心叶轮；9a-外圈；δ-诱导轮的叶片厚度；H-诱导轮的流道宽度。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的叶轮内置式高速离心泵，包括喇叭管1、电机外壳2、电机定子3、电机转子4、电机隔板5、后置导叶6、导轴承7、转轮9、轴10和双向推力轴承13，所述转轮9固定在轴10上，轴10的两端分别安装有导轴承7和双向推力轴承13；所述喇叭管1安装在电机外壳2的一端，电机外壳2的另一端依次连接电机隔板5与后置导叶6，所述电机定子3固定在电机外壳2内部。所述转轮9的外圆与电机转子4的内圆固定连接，所述转轮9包括诱导轮901和离心叶轮902，所述诱导轮901的外侧边缘设有外圈9a，用于取消叶顶间隙；所述诱导轮901的外圈9a与所述电机转子4的内圆固定连接；所述离心叶轮902与诱导轮901同步转动。所述转轮9的转速不低于2800r/min。
所述诱导轮901的叶片厚度满足如下公式：
δ＝HK1+K2
式中：δ为诱导轮901的叶片厚度，H为诱导轮901的流道宽度，K1为叶片厚度系数，取值范围为0.02～0.06，K2为叶片厚度修正系数，取值范围为1～3mm。
所述转轮9的诱导轮901与离心叶轮902可以为一体，也可以分为两个体。所述诱导轮901和离心叶轮902为一体式，所述诱导轮901与离心叶轮902之间没有间隙。所述诱导轮901和离心叶轮902为分体式，所述诱导轮901和离心叶轮902分别与轴10传动连接，所述电机转子4带动诱导轮901转动，所述诱导轮901通过所述轴10使离心叶轮902同步转动。
所述电机隔板5的一端靠近转轮9的外圈9a。所述电机隔板5与电机转子4之间安装有机械密封14。所述电机隔板5与外圈9a之间的间隙值为进口直径的0.001倍，当进口直径的0.001倍值小于0.2mm时，取间隙值为0.2mm。所述喇叭管1内部加工有前置导叶1a与导水锥1b，所述导轴承7安装在导水锥1b的内部，在导轴承7靠近导水锥1b出口的位置还可以安装第一动密封8。所述电机定子3与电机转子4之间安装屏蔽套11，所述屏蔽套11一端与喇叭管1连接，所述屏蔽套11另一端与电机隔板5连接，所述屏蔽套11的作用是将电机定子3与水体分离开。所述双向推力轴承13的外环固定在后置导叶6的中间圆孔内，靠近圆孔出口的位置安装有第二动密封12。
所述电机转子4位于屏蔽套11、喇叭管1、外圈9a和电机隔板5构成的压力腔，所述电机转子4将压力腔分割成高压腔1c和泄压腔5b，所述喇叭管1、屏蔽套11和电机转子4一端构成高压腔1c，所述电机隔板5、屏蔽套11和电机转子4另一端构成泄压腔5b；所述电机转子4内设有导流槽4a，所述导流槽4a连通高压腔1c和离心叶轮902出口，用于将离心叶轮902出口间隙流引入高压腔1c；所述电机转子4与屏蔽套11之间设有环隙4b，所述环隙4b连通高压腔1c和泄压腔5b；所述电机隔板5上设有泄压槽5a，所述泄压槽5a的一端连通泄压腔，另一端通过泄压管15与外界相连；所述电机转子4的进出口端压力差可平衡诱导轮901与离心叶轮902高速转动时产生的轴向力。
安装方式：
首先是转子的安装：将机械密封14的静环安装在电机隔板5的外侧，将机械密封14的动环安装在电机转子4靠近出口的一侧。将电机隔板5放置在转轮9上，固定转轮9的外圆与电机转子4的内圆，保证机械密封14的动环与静环紧密配合。动密封包括填料密封与机械密封。当使用填料密封时，在轴10的一端安装双向推力轴承13，并固定在后置导叶6的中间圆孔内，后将填料密封安装在轴10与后置导叶6的中间圆孔内壁之间，保护双向推力轴承13不与流体介质接触。当使用机械密封时，在轴10的一端依次安装机械密封与双向推力轴承13，之后再将机械密封与双向推力轴承13固定在后置导叶6的中间圆孔内。之后，将转轮9穿过轴10，采用定位结构将转轮9固定在轴10上。
将电机定子3安装在电机外壳2的内部，采用定位结构将电机定子3固定在电机外壳2上，使用屏蔽套11将电机定子3包裹住。将电机定子3沿电机转子4的轴向放入，电机外壳2一端与电机隔板11、后置导叶6固定连接，另一端接喇叭管1。在电机外壳2外侧靠近出口端的位置打孔，将泄压管15穿过所述孔并与泄压槽5a连接，所述泄压管15与孔之间采用密封胶或者焊接的方式抑制外界的流体介质流入电机定子3周围的腔体内。
喇叭管1中间的导水锥1b内依次安装导轴承7与第一动密封8，在将喇叭管1套入并与电机外壳2连接的同时，将轴10穿入导水锥1b内，即完成安装。
为保证电机转子4的结构稳定性，还可以在保证导流槽4a流动能力的同时，在导流槽4a中加装定位销。
工作原理为：
电机运行时，电机转子4带动与之相连的转轮9转动，转轮9固定在轴10上，轴的两端分别通过导轴承7与双向推力轴承13固定在导水锥1b与后置导叶6的中间圆孔内部。导轴承7与双向推力轴承13的作用是约束转子的轴向位移与径向位移，保证装置的正常运行。转轮9包括诱导轮901与离心叶轮902，其中诱导轮901可以提高整体装置的抗汽蚀性能，用以保证转轮9实现更高转速下的稳定运行。流体介质在转轮9的旋转带动下，依次流经喇叭管1，转轮9与后置导叶6。
如图3所示，由于转轮9进出口存在较高的压力差，因此会引起介质通过转轮9外侧的间隙形成内泄漏，这是难以避免的。本发明通过加工在电机转子4上的第一导流槽4a，将所述内泄漏的流体介质直接引入电机转子4靠近进口位置的高压腔1c内，此时，高压腔内的流体介质将有两个流出渠道，一个是通过电机转子4与喇叭管1之间的间隙直接流入转轮9的入口，另一个是通过环隙4b流入泄压腔5b内。所述泄压腔5b内通过加工在电机隔板5上的泄压槽5a以及泄压管15与外界相连，所述泄压腔5b内保持较低的压力。进而，在电机转子4的两端行程由装置入口指向装置出口的轴向力，可以平衡诱导轮901与离心叶轮902高速转动时产生的轴向力。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种叶轮内置式高速离心泵，包括壳体和转轮(9)，所述转轮(9)可旋转安装在壳体内，其特征在于，还包括电机定子(3)和电机转子(4)，所述电机定子(3)安装在壳体上，所述电机转子(4)与转轮(9)固定连接，所述转轮(9)包括诱导轮(901)和离心叶轮(902)，所述诱导轮(901)的外侧边缘设有外圈(9a)，所述诱导轮(901)的外圈(9a)与所述电机转子(4)的内圆固定连接；通过所述电机定子(3)得电，使所述电机转子(4)旋转；所述离心叶轮(902)与诱导轮(901)同步转动；所述转轮(9)的转速不低于2800r/min。
2.根据权利要求1所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述诱导轮(901)和离心叶轮(902)为一体式，所述诱导轮(901)与离心叶轮(902)之间没有间隙。
3.根据权利要求1所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述诱导轮(901)和离心叶轮(902)为分体式，所述诱导轮(901)和离心叶轮(902)分别与轴(10)传动连接，所述电机转子(4)带动诱导轮(901)转动，所述诱导轮(901)通过所述轴(10)使离心叶轮(902)同步转动。
4.根据权利要求1-3任一项所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述壳体包括喇叭管(1)、电机外壳(2)和后置导叶(6)，所述电机外壳(2)一端与喇叭管(1)连接，所述电机外壳(2)另一端与后置导叶(6)，所述电机外壳(2)内安装电机定子(3)。
5.根据权利要求4所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，还包括电机隔板(5)，所述电机隔板(5)的一端与诱导轮(901)的外圈(9a)间隙配合，所述电机隔板(5)的另一端安装在所述电机外壳(2)与后置导叶(6)之间；所述电机隔板(5)与电机转子(4)之间安装有机械密封(14)。
6.根据权利要求5所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述电机隔板(5)与外圈(9a)之间的间隙值为壳体进口直径的0.001倍，当壳体进口直径的0.001倍值小于0.2mm时，取间隙值为0.2mm。
7.根据权利要求4所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述电机定子(3)与电机转子(4)之间安装屏蔽套(11)，所述屏蔽套(11)一端与喇叭管(1)连接，所述屏蔽套(11)另一端与电机隔板(5)连接，所述屏蔽套(11)用于将电机定子(3)与水体分离开。
8.根据权利要求1-3任一项所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述诱导轮(901)为轴流式叶轮。
9.根据权利要求1-3任一项所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述诱导轮(901)的叶片厚度满足如下公式：
δ＝HK1+K2
式中：δ为诱导轮(901)的叶片厚度，H为诱导轮(901)的流道宽度，K1为叶片厚度系数，取值范围为0.02～0.06；K2为叶片厚度修正系数，取值范围为1～3mm。
10.根据权利要求7所述的叶轮内置式高速离心泵，其特征在于，所述喇叭管(1)、屏蔽套(11)和电机转子(4)一端构成高压腔(1c)，所述电机隔板(5)、屏蔽套(11)和电机转子(4)另一端构成泄压腔(5b)；所述电机转子(4)内设有导流槽(4a)，所述导流槽(4a)连通高压腔(1c)和离心叶轮(902)出口，用于将离心叶轮(902)出口间隙流引入高压腔(1c)；所述电机转子(4)与屏蔽套(11)之间设有环隙(4b)，所述环隙(4b)连通高压腔(1c)和泄压腔(5b)；所述电机隔板(5)上设有泄压槽(5a)，所述泄压槽(5a)的一端连通泄压腔，另一端通过泄压管(15)与外界相连；所述电机转子(4)的进出口端压力差可平衡诱导轮(901)与离心叶轮(902)高速转动时产生的轴向力。
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