雙支撐旋渦泵的設計研究*

□ 張康智 □ 陳萬強 □ 李祥陽 □ 王 芳

西安航空學院 軍工裝備研究所 西安 710077

特種車輛工況條件差，對旋渦泵的轉速要求高達14 000 r/min，傳統的旋渦泵無法滿足其使用性能，如目前國內眾多旋渦泵轉速在1 450～2 900 r/min，其結構均采用單支撐懸浮式的分離式結構（圖1），雖然具有結構簡單、用料少的優點，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計和研究，以期打破歐美等發達國家對我國此類技術的長期封鎖和產品壟斷。特種車輛用裝備系列產品的研制成功并實現產業化，將提高我省高校科技發展水平在全國相關領域內的知名度及其影響，成為陜西省特種車輛技術和工業化的支柱產業。

▲圖1 單支撐懸浮式旋渦泵結構

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構，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，泵的體積和質量大幅度減小，工作可靠。泵的材料均選用不銹鋼并經適當的熱處理，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 雙支撐式旋渦泵結構特點

（1）雙支撐式的整體式結構是指葉輪、傳動軸是一個整體，其幾何尺寸小，結構如圖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 雙支撐式旋渦泵結構優點

（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定性。

（2）旋渦泵整體緊湊，減少了傳統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鍵尺寸設計

2.1 雙支撐旋渦泵關鍵尺寸的計算

▲圖2 雙支撐旋渦泵葉輪結構模型

▲圖3 貫通流場模型

大多數旋渦泵的轉速范圍為 1 450～2 900 r/min，而特種車輛要求的旋渦泵轉速達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。根據特種車輛的工作環境對旋渦泵進行結構和尺寸改進，按照封閉式旋渦泵進行設計（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計算

流道內葉輪出口處液體的平均切向速度v與圓周速度有關：

式中：Kv為流道內速度系數，對閉式葉輪來說其范圍是0.5～0.6 m/r，比轉速大時取大值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；H為旋渦泵揚程，m；k為葉輪寬度系數，閉式旋渦泵葉輪寬度系數為：

2.1.4 雙支撐式旋渦泵流道水利尺寸計算

根據流道斷面面積和流道最佳尺寸比值來確定流道各相關尺寸，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計算

葉片數改變了旋渦泵的揚程和功率，隨著葉片數增加，旋渦泵的揚程和功率明顯增大，但是當葉片數達到一定值時，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z：

▲圖5 雙支撐旋渦泵葉輪

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

2.1.6 雙支撐式旋渦泵割舌計算

開口高壓區和進口低壓區，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計結果

根據計算，得出雙支撐旋渦泵的相關尺寸參數，繪制出其主要零件葉輪的結構及相關尺寸（見圖5，圖中尺寸單位為mm），泵蓋和泵體的結構可根據葉輪結構的尺寸得出。

3 結論

在旋渦泵研究的理論基礎上，對旋渦泵進行了分析設計，與傳統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。對所設計的旋渦泵可使用Fluent軟件對其流場進行分析，并對設計結果進行優化。

［1］ 李華聰,王斌,李喜榮，等.高速航空旋渦泵的設計研究［J］.機械設計與制造,2009（8）:30-32.

［2］ 陳萬強,李祥陽,郭文君,等.雙支撐整體式葉輪側隙的保證［J］.輕工機械,2012（10）:202-203.

［3］ 袁丹青.旋渦泵的研究現狀與展望［J］.排灌機械，2008，26（6）:63-68.

［4］ 周文彬，楊敏官，張杰.旋渦泵的現狀與發展方向淺析［J］.水泵技術，2007（6）:13.

［5］ 趙萬勇，張凡，王振，等.旋渦泵的研究現狀與發展方向［J］.中國農村水利水電，2010（4）:70-73.