一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳的制作方法

本发明涉及液体火箭发动机涡轮泵，具体地说是一种应用于液力涡轮与泵共用同一个出口所采用的混合蜗壳设计方法。

背景技术：

1、涡轮泵系统是液体火箭发动机核心组件，其作用是将介质增压输送到下游部件，是整个液体火箭发动机内部介质流动的动力来源，还有一种涡轮泵是将介质预增压，导入主涡轮泵，避免主涡轮泵汽蚀。

2、涡轮泵系统的涡轮根据做功介质的不同分为气体涡轮和液力涡轮，对于由液力涡轮驱动的涡轮泵系统来说，如果涡轮介质与泵相同，并且出口压力相差不大，可以采用液力涡轮与泵共用同一个出口设计，即介质经过液力涡轮做功后，与泵出口的介质掺混后共同排出，这样可以精简零件数量，简化布局，使得结构更为紧凑。但是，两股介质掺混流动复杂，有很大的损失，降低了整个涡轮泵的效率，严重会干扰全局流场，进而影响涡轮和泵的做功能力。因此，如何减小涡轮和泵出口介质掺混损失是这种由液力涡轮驱动的涡轮泵系统关键技术。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，在液力涡轮驱动的涡轮泵系统中，减小液力涡轮与泵共用同一个出口介质掺混流动损失大的问题。

2、本发明解决技术的方案是：一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，该混合蜗壳包括第一蜗壳与第二蜗壳，第一蜗壳与第二蜗壳共轴，旋向相同，第二蜗壳的基圆小于第一蜗壳基圆，第二蜗壳被包围在第一蜗壳形成的螺旋空间内，第一蜗壳与第二蜗壳出口扩散段相交，第一蜗壳用于泵，第二蜗壳用于液力涡轮，或者第一蜗壳用于液力涡轮，第二蜗壳用于泵。

3、优选地，第一蜗壳和第二蜗壳的相贯角度ψ≤75°，所述相贯角度通过如下方法确定：

4、第一蜗壳与第二蜗壳相贯线在第一蜗壳基圆所在平面上的投影，记为相贯投影图形；

5、提取相贯投影图形中距离最远的两个点，记为a点和b点，并作a点与基圆圆心o的连线ao、b点与基圆圆心o的连线bo；

6、线段ao与连线bo的夹角，即为第一蜗壳和第二蜗壳的相贯角度。

7、优选地，所述第一蜗壳与第二蜗壳第8断面的夹角θ≤20°。

8、优选地，所述液力涡轮蜗壳的第8断面介质流速v8w与泵的第8断面介质流速v8p相等。

9、优选地，所述第一蜗壳与第二蜗壳涡室为圆形涡室。

10、优选地，所述第i断面轮廓中涡室的当量半径rdn与第8断面涡室的当量半径满足如下关系式：

11、

12、其中，n取1～7整数。

13、优选地，当第一蜗壳与第二蜗壳第i断面涡室圆心位于涡室进口边中垂线延长线上时，认为第一蜗壳与第二蜗壳为中置蜗壳，第i断面上涡室的圆弧半径rti,i＝1～8：

14、

15、其中，rdi为第i断面涡室的当量半径；l为蜗室的进口宽度；

16、第i断面上涡室圆弧的圆心与蜗壳进口边距离d1i：

17、

18、优选地，当第一蜗壳与第二蜗壳为圆形涡室，涡室圆心偏离进口边中垂线延长线上时，认为第一蜗壳与第二蜗壳为偏置蜗壳，第i断面上涡室的圆弧半径rti,i＝1～8：

19、rti＝rdi

20、其中，rdi为第i断面涡室的当量半径。

21、优选地，第i断面涡室圆弧的圆心与蜗壳进口边距离d1i，涡室圆弧的圆心与偏置单边距离d2i满足以下关系：

22、d1i＝d2i＝rti

23、涡室圆弧的圆心相对于进口边中垂线远离蜗壳轴线时，所述偏置单边是蜗壳进口边过靠近蜗壳轴线一侧端点的垂线；涡室圆弧的圆心相对于进口边中垂线靠近蜗壳轴线时，所述偏置单边是指蜗壳进口边过远离蜗壳轴线一侧端点的垂线。

24、优选地，第i断面上所述涡室圆弧与蜗壳进口边的两端端点之间通过第一闭合切线和第二闭合切线连接；

25、第一闭合切线为过蜗壳进口边靠近涡壳轴心的端点与涡室圆弧相切的线段；

26、第二闭合切线为偏置单边中线段，该线段一个端点为偏置单边与蜗壳进口边交点，另一个端点为偏置单边与涡室圆弧相切的切点；

27、从闭合顶点作截面圆的切线，称为闭合切线。所述闭合端点是指所述偏置单边对应端点另一侧的蜗壳进口边端点。

28、本发明与现有技术相比的有益效果是：

29、(1)、本发明提出一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳的设计方法,相比于不采用混合蜗壳的设计，本发明的方法能有效降低液力涡轮与泵出口介质掺混流动损失，从而提升整个系统的效率。

30、(2)、本发明提出了混合蜗壳的相贯角度和出口段相交角，并指出了这两个角度的取值范围，在该范围内，第一蜗壳与第二蜗壳流体交汇处产生的冲击损失较小，可以减小流动损失，提高了蜗壳效率。

31、(3)、本发明提出了液力涡轮蜗壳第8断面介质速度取值方法，该方法减小液力涡轮介质与泵介质的速度差，从而减小掺混损失，提高了蜗壳效率。

32、(4)、本发明提出了中置、偏置蜗壳的设计方法，该设计方法的蜗壳流动损失小，造型难度低，并且可以根据空间合理选择蜗壳型式及布局，提高空间利用率，使得混合蜗壳设计更加紧凑，减小了结构重量。

技术特征：

1.一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于包括第一蜗壳与第二蜗壳，第一蜗壳与第二蜗壳共轴，旋向相同，第二蜗壳的基圆小于第一蜗壳基圆，第二蜗壳被包围在第一蜗壳形成的螺旋空间内，第一蜗壳与第二蜗壳出口扩散段相交，第一蜗壳用于泵，第二蜗壳用于液力涡轮，或者第一蜗壳用于液力涡轮，第二蜗壳用于泵。

2.根据权利要求1所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于第一蜗壳和第二蜗壳的相贯角度ψ≤75°，所述相贯角度通过如下方法确定：

3.根据权利要求2所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于所述第一蜗壳与第二蜗壳第8断面的夹角θ≤20°。

4.根据权利要求2所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于所述液力涡轮蜗壳的第8断面介质流速v8w与泵的第8断面介质流速v8p相等。

5.根据权利要求2所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于所述第一蜗壳与第二蜗壳涡室为圆形涡室。

6.根据权利要求5所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于所述第i断面轮廓中涡室的当量半径rdn与第8断面涡室的当量半径满足如下关系式：

7.根据权利要求5所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于当第一蜗壳与第二蜗壳第i断面涡室圆心位于涡室进口边中垂线延长线上时，认为第一蜗壳与第二蜗壳为中置蜗壳，第i断面上涡室的圆弧半径rti,i＝1～8：

8.根据权利要求2所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于当第一蜗壳与第二蜗壳为圆形涡室，涡室圆心偏离进口边中垂线延长线上时，认为第一蜗壳与第二蜗壳为偏置蜗壳，第i断面上涡室的圆弧半径rti,i＝1～8：

9.根据权利要求8所述的一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于第i断面涡室圆弧的圆心与蜗壳进口边距离d1i，涡室圆弧的圆心与偏置单边距离d2i满足以下关系：

10.根据权利要求8所述一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，其特征在于第i断面上所述涡室圆弧与蜗壳进口边的两端端点之间通过第一闭合切线和第二闭合切线连接；

技术总结
本发明涉及一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳，该蜗壳包括第一蜗壳与第二蜗壳，第一蜗壳与第二蜗壳共轴，旋向相同，第二蜗壳的基圆小于第一蜗壳基圆，第二蜗壳被包围在第一蜗壳形成的螺旋空间内，第一蜗壳与第二蜗壳出口扩散段相交，第一蜗壳用于泵，第二蜗壳用于液力涡轮，或者第一蜗壳用于液力涡轮，第二蜗壳用于泵。本发明创新性地提出一种液力涡轮与泵共用混合蜗壳的设计方法,相比于不采用混合蜗壳的设计，本发明的方法能有效降低液力涡轮与泵出口介质掺混的流动损失，从而提升整个系统的效率。

技术研发人员：陈聿晨,林蓬成,李龙贤,张静,林奇燕,张乃舒,马浩东,金志磊,孙纪国,郑大勇,窦唯
受保护的技术使用者：北京航天动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4