一種串列軸流式噴水推進泵的設計

李臣

(江蘇海事職業(yè)技術學院 輪機電氣與智能工程學院,江蘇 南京 211170)

1 概述

噴水推進泵是一種不同于常規(guī)螺旋槳推進的船舶動力裝置,其產(chǎn)生的推力借助水泵噴出水流產(chǎn)生的反作用力來推動船舶前進,并通過調(diào)整噴水推進泵噴口的方向或角度來改變水流噴出的方向?qū)崿F(xiàn)船舶的前進或后退[1]。因此,這種機動靈活的噴水推進泵在無人艇、水翼艇、氣墊船以及觀光船等中小型船舶上得到了廣泛應用。目前,噴水推進泵的功率范圍較廣,其中由串列式軸流泵演化而來的噴水推進泵由于效率高,揚程大而得到研發(fā),串列式軸流泵通過發(fā)電機帶動串列的葉輪高速旋轉(zhuǎn)對液體產(chǎn)生的作用力使液體沿軸線方向輸送,液體輸出時產(chǎn)生的推力較高,從而獲得前進推進力[2]。王立祥[3]、傅建[4]等闡述了設計噴水推進串列式軸流泵的技術要求,并分析了前后葉輪的軸向距離與周向偏距等參數(shù)對泵性能的影響,如圖1 所示；孫壯壯[5]、趙宇[6]等利用數(shù)值和應用試驗設計的方法對雙葉輪串列式軸流泵的水力性能和內(nèi)部流動進行分析,得到了性能較好的串列式噴水推進泵。

圖1 串列式噴水推進泵的葉柵結構

然而現(xiàn)有的串列軸流式噴水推進泵在使用時存在一些弊端,例如電機安裝區(qū)域需穿插轉(zhuǎn)軸導致密封性變差,轉(zhuǎn)軸與穿插孔的圓周間隙難密封等問題,這嚴重影響發(fā)電機的安全運行。因此我們設計一種密封性良好的串列軸流式噴水推進泵。

2 串列式噴水推進泵的結構設計

本串列軸流式噴水推進泵包括泵的外殼(1),在泵的外殼的內(nèi)通過隔板(6)固定安裝電動機(7),同時該隔板將泵體結構分隔為兩個安裝區(qū)域,泵的外殼的頂部安裝有端蓋(4)通過橡膠墊(5)來封裝整體結構,這里的橡膠墊選用強力防水膠粘合的彈性橡膠圈,來提高端蓋與噴水推進泵外殼的密封效果,在隔板分隔的下部安裝區(qū)域內(nèi)固定轉(zhuǎn)軸(11)穿過隔板中部的通孔與上部分隔區(qū)的電動機剛性連接,同時在隔板的下部設置了機械密封裝置(10)以保證隔板的可靠密封。在轉(zhuǎn)軸下部的定位銷處安裝有兩排葉輪(12),需保證兩排葉輪的定位銷沿轉(zhuǎn)軸有90°的角度以避免發(fā)生共振。在泵的外殼上同時開有兩個水流管道(2),分別于與隔板下部安裝區(qū)的流體流動區(qū)域相連,以保證流體的正常流動,如圖2。

圖2 串列軸流式噴水推進泵的整體結構

在泵體的下部安裝空間的開口位置設置了一個帶有固定環(huán)的圓環(huán)(15),如圖3 所示。固定環(huán)(31)與圓環(huán)(15)之間通過四組連接桿(30)固定,為了保證固定環(huán)內(nèi)可靠的通過轉(zhuǎn)軸,在其內(nèi)部設置有密封件的不銹鋼滾珠軸承(32),將軸承的內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)軸的定位銷可靠的固定在一起,起到對轉(zhuǎn)軸的支撐和定位作用,同時也降低了轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的摩擦力,保證了電動機帶動葉輪的可靠運行。圓環(huán)的內(nèi)部設置有四組過濾網(wǎng)(33),分別固定安裝于圓環(huán)內(nèi)的扇形區(qū)域,當流體流過時,可以過濾對流體中的大部分雜質(zhì),防止其進入噴水推進泵內(nèi)腔內(nèi)。

圖3 底部固定圓環(huán)(15)結構圖

同時電動機(7)的外壁有兩組固定塊(8,9)分別通過可拆卸式連接螺栓將其固定在噴水推進泵殼體上,既保證了電動機可靠地固定在噴水推進泵上減小振動,又可以便于拆卸維修。在噴水推進泵的外殼上安裝有通過電磁開關控制的微型氣泵(16),它是通過兩組固定條(17)焊接上的,且它的輸出端固定連接有高壓輸氣管(18)以保證高壓氣體的輸入。

在噴水推進泵的外殼上還安裝有控制器(21)、氣壓傳感器(22)以及水壓傳感器(26)等等,氣壓傳感器和水壓傳感器的主要作用是實時監(jiān)測噴水推進泵微型氣泵管路內(nèi)的氣壓以及下部安裝區(qū)域內(nèi)液體的壓力,他們一般包括傳感器感應探頭和傳感器轉(zhuǎn)換元件,通過殼體上的透孔進入噴水推進泵內(nèi)部。

同時為了保證傳感器與透孔之間間隙的密封效果,通常在氣壓傳感器感應探頭(23)與第一個透孔之間的間隙內(nèi)安裝密封圈(25),在水壓傳感器感應探頭(27)與第二個透孔之間的間隙內(nèi)安裝密封圈(29)。

3 本泵的使用流程

本噴水推進泵的使用較為簡單,在使用時,首先啟動電動機,電動機產(chǎn)生的扭矩通過轉(zhuǎn)軸傳遞至兩個葉輪,帶動兩個葉輪的高速旋轉(zhuǎn)運動,從而推動流體沿軸線方向向后運動,產(chǎn)生一定的速度和壓力,該作用力同時反作用于轉(zhuǎn)軸與電動機之間的推力軸承,通過推力軸承將該作用力傳遞給噴水推進泵以及船體。在這其中隔板底部的機械密封裝置可以有效提高轉(zhuǎn)軸與隔板之間間隙的密封效果,加之設置了微型氣泵來向上部安裝區(qū)域內(nèi)增壓設置氣封裝置,以避免轉(zhuǎn)軸與通孔之間的間隙發(fā)生滲漏。

在噴水推進泵工作過程中傳感控制系統(tǒng)也起到了重要的作用,水壓傳感器感應探頭實時感應第二安裝區(qū)域內(nèi)的水壓壓力,將感應信號及時傳遞到水壓傳感器的轉(zhuǎn)換元件,并將感應信號轉(zhuǎn)換為水壓壓力的電信號并傳輸?shù)娇刂破?與此同時,氣壓傳感器的感應探頭實時感應第一安裝區(qū)域內(nèi)的氣壓壓力,將感應信號傳遞到氣壓傳感器的轉(zhuǎn)換元件并轉(zhuǎn)換為氣壓壓力的電信號并傳輸至控制器。當水壓壓力高于氣壓壓力時,控制器控制電磁閥(20)打開,啟動微型氣泵向第一安裝區(qū)域進行增加壓縮空氣,當?shù)谝话惭b區(qū)域內(nèi)氣壓壓力高于第二安裝區(qū)域的水壓壓力時,這時轉(zhuǎn)軸與透孔之間的間隙處就不會發(fā)生滲漏,從而保證了電動機的安全。

4 結論

與現(xiàn)有軸流泵相比,本文設計的串列軸流式噴水推進泵通過設置獨特的機械密封裝置,能夠有效改進轉(zhuǎn)軸與透孔之間間隙的密封效果,避免流體的滲漏,同時,在結構設計中配備了微型氣泵以增加第一安裝區(qū)域的氣壓壓力,來避免轉(zhuǎn)軸與透孔之間的圓周間隙的滲漏,這為提升電動機的防潮性能和可靠性提供了保障。另外在噴水推進泵工作過程中傳感控制系統(tǒng)也起到了重要的作用,水壓傳感器感應探頭實時感應第二安裝區(qū)域內(nèi)的水壓壓力,將感應信號及時傳遞到水壓傳感器的轉(zhuǎn)換元件,并將感應信號轉(zhuǎn)換為水壓壓力的電信號并傳輸?shù)娇刂破?與此同時氣壓傳感器的感應探頭實時感應第一安裝區(qū)域內(nèi)的氣壓壓力,將感應信號傳遞到氣壓傳感器的轉(zhuǎn)換元件并轉(zhuǎn)換為氣壓壓力的電信號并傳輸至控制器。當水壓壓力高于氣壓壓力時,控制器控制電磁閥(20)打開,啟動微型氣泵向第一安裝區(qū)域進行增加壓縮空氣,當?shù)谝话惭b區(qū)域內(nèi)氣壓壓力高于第二安裝區(qū)域的水壓壓力時,這時轉(zhuǎn)軸與透孔之間的結合位置就不會發(fā)生滲漏,從而保證了電動機的安全。盡管該串列式噴水推進泵性能并非最優(yōu),但是他在實際應用中的可靠性和液體泄漏大大減少,符合工程應用的需要。