CN101446301A - 小型高速空气涡轮泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型高速空气涡轮泵，包括壳体以及设置在壳体内的燃油泵、涡轮，所述燃油泵包括离心轮，所述涡轮包括涡轮转子和涡轮静子，所述壳体前端设置有进液口，其后端设置有进气口，其侧面设置有出液口和出气口，所述涡轮静子是利用斜切气流偏转膨胀的全进气叶栅式收缩喷嘴。本发明解决了现有技术中空气涡轮泵无法满足小尺寸空间下使用要求的缺点，本发明具有结构简单、重量轻、体积小、可大范围连续变工况工作等的优点。

Description

小型高速空气涡轮泵
技术领域
本发明涉及一种空气涡轮泵。
背景技术
整体式冲压发动机使用高温、低压、大调节比空气涡轮泵供油系统，但是安装发动机附件的空间为狭小的环形结构，这样涡轮泵的外径受到严格的尺寸限制。高转速可以减小泵的尺寸，但对于涡轮来说，由于进口压力很低，要流过一定的流量，就要保证涡轮静子一定的流通面积。由于尺寸的限制，涡轮不能按照常规的方法设计。
发明的内容
为了解决现有技术中空气涡轮泵无法满足小尺寸空间下使用要求的的缺点，本发明提供一种结构简单、重量轻、体积小、可大范围连续变工况工作的空气涡轮泵。
本发明采取的技术解决方案是：
一种小型高速空气涡轮泵，包括壳体以及设置在壳体内的燃油泵、涡轮，所述燃油泵包括离心轮，所述涡轮包括涡轮转子和涡轮静子，所述壳体前端设置有进液口，其后端设置有进气口，其侧面设置有出液口和出气口，其特殊之处在于：所述涡轮静子是利用斜切气流偏转膨胀的全进气叶栅式收缩喷嘴。
上述涡轮转子与诱导轮、离心轮通过中心轴固连，所述中心轴通过轴承与壳体连接，所述涡轮转子设置在轴承的一端，所述诱导轮和离心轮设置在轴承的另一端。
上述离心轮的前盖板和后盖板与壳体间设置有密封用浮动环；所述中心轴和涡轮之间的密封为弹簧式端面密封，所述弹簧式端面密封包括设置在中心轴上的动环以及设置在壳体内壁的静环座，所述静环座上设置有通过多个弹簧施压的静环，所述动环端面设置有与动环摩擦接触的石墨环。
上述离心轮由间隔布置的6个长叶片和12个短叶片构成。
上述离心轮的叶片为圆弧叶片。
上述燃油泵包括设置在离心轮前方的诱导轮。
上述诱导轮为变螺距诱导轮。
上述空气涡轮泵包括可供泵后浮动环泄漏煤油回流的内回路，所述内回路的一端开口于中心轴和涡轮之间的弹簧式端面密封处，另一端开口于壳体进液口内壁。
上述燃油泵包括设置在离心轮前方的诱导轮。
上述诱导轮为变螺距诱导轮。
本发明的优点是：
1、转速高、质量轻、体积小。当涡轮静子出口面积一定(即涡轮静子外径一定)时，本发明涡轮泵的收缩喷嘴比一般的收扩喷嘴能够流过更多的流量，因此能产生更大的功率。涡轮泵设计转速35000r/min，最高工作转速40000r/min，外廓尺寸为
Figure A200810185004D0004151018QIETU
115mm(外径)×250mm(长度)，重量为6kg。在国内现有空气涡轮泵中转速最高，质量最轻、体积最小。
2、总体结构紧凑、布局合理。涡轮与泵采用同轴、两端悬臂、背靠背的布局方式，泵入口可以与贮箱直接相连，涡轮入口可以与燃烧室扩张段的集气环直接相连，涡轮入口采用导流锥结构。利用泵后浮动环泄漏的煤油对两个轴承和端面密封进行冷却和润滑，然后通过壳体设置的内回路回到泵前，结构紧凑。
3、宽范围变工况。由于发动机工作空域和马赫数范围很大，推力变化很大，因而泵的流量变化范围大。为了提高小流量下泵的稳定性，本发明离心轮采用了较多叶片数、长短叶片间隔布置的结构。在大空域、宽马赫工作的冲压发动机中，涡轮泵具有很大的适应能力。涡轮入口温度变化500～950K，最高滞止温度950K，压力变化范围1～0.07MPa，涡轮入口最低压力0.07MPa，泵流量在9.0～0.2L/s之间变化；泵最大、最小流量调节比为45倍。涡轮泵转速可以稳定地从40000r/min连续变化到20000r/min。现有型号空气涡轮泵没有这么大范围连续变工况工作的，因而该空气涡轮泵具有高温、低压、大调节比的特点。
4、涡轮工质使用冲压空气，可用于超声速巡航弹用冲压发动机、大空域高马赫工作冲压发动机、超声速巡航弹或临近空间可重复使用飞行器，也可以用于临近空间可重复使用飞行器用冲压发动机。
5、泵前后盖板采用浮动环密封，无磨损，保证了产品的可靠性，还可以起到自动调整定心。泵与涡轮之间采用弹簧式端面密封，无泄漏，兼顾重复使用。
附图说明
图1是本发明涡轮泵的结构示意图；
图2是本发明涡轮泵的离心轮结构示意图；
图3是本发明涡轮泵的浮动环密封结构示意图；
图4是本发明涡轮泵的端面密封结构示意图；
图5是本发明涡轮泵的涡轮叶栅结构示意图；
其中：1-诱导轮，2-离心轮，21-前盖板，22-后盖板，23-长叶片，24-短叶片，3-壳体，4、5-轴承，6-端面密封，7-涡轮转子，71-涡轮转子叶栅，8-涡轮静子，81-涡轮静子叶栅，9-中心轴，10-浮动环；11-石墨环，12-弹簧，13-动环，14-静环，15-静环座，18-内回路；
图6是本发明的泵扬程特性曲线示意图；从曲线可知，泵在0.2～9L/s的流量宽范围保持了高扬程，扬程范围在9.2～8.3MPa之间，满足发动机宽范围变工况的需要；
图7是本发明泵的效率特性曲线示意图；从曲线可知，泵的效率随着流量增大而增大；小流量效率低的原因是：小流量容积效率较低，轴承、密封消耗功率所占比重较大。
具体实施方式
本发明是一种适用于大空域高马赫工作冲压发动机的高温、低压、大调节比的小型高速空气涡轮泵，包括壳体以及设置在壳体3内的燃油泵、涡轮，其中壳体3由泵壳体和涡轮排气壳体、涡轮进气壳体组合而成，壳体前端设置有进液口，其后端设置有进气口，其侧面设置有出液口和出气口，燃油泵包括离心轮2以及设置在离心轮2前方的变螺距诱导轮1，离心轮2由间隔布置的6个长圆弧叶片23和12个短圆弧叶片24构成；涡轮包括涡轮转子7和涡轮静子8，涡轮转子和涡轮静子上分别是设置有涡轮转子叶栅71和涡轮静子叶栅81，涡轮静子8是利用斜切气流偏转膨胀的全进气叶栅式收缩喷嘴；涡轮转子7与诱导轮1、离心轮2通过中心轴9固连，中心轴9通过轴承与壳体1连接，涡轮转子7设置在轴承的一端，诱导轮1和离心轮2设置在轴承的另一端；离心轮2的前盖板21和后盖板22与壳体3间设置有密封用浮动环10；中心轴9和涡轮之间的密封为弹簧式端面密封6，该弹簧式端面密封6包括设置在中心轴9上的动环13以及设置在壳体3内壁的静环座15，静环座15上设置有通过多个弹簧12施压的静环14，动环13端面设置有与动环13摩擦接触的石墨环11；空气涡轮泵包括可供泵后浮动环泄漏煤油回流的内回路18，该内回路18的一端开口于中心轴9和涡轮之间的弹簧式端面密封6处，另一端开口于壳体3进液口内壁；浮动环10泄漏的煤油对两个轴承4-5、端面密封10润滑冷却后通过内回路18回到泵前。
本发明原理：根据大空域宽马赫数工作冲压发动机特点，把原动机(空气涡轮)和执行机(燃油泵)设计成同轴、两端悬臂、背靠背的布局，泵采用轴向进口可以和贮箱直接相连。泵设计成离心式叶轮前置变螺距诱导轮，使它兼顾高扬程和高抗汽蚀性能，设计时兼顾小流量下的性能和大流量下的流通能力。涡轮采用全进气叶栅式收缩喷嘴，气流通过斜切膨胀，等通道冲击式涡轮。高扬程离心轮采用圆弧叶片，有6个长叶片和12个短叶片间隔布置。离心轮采用由前盖板和带叶片的叶轮钎焊而成，材料为锻铝材料；在工作的高转速下，离心轮可以将低压组元的扬程提高，满足发动机的需要。离心轮前设置了变螺距诱导轮，提高汽蚀性能。离心轮采用较多叶片数，减少小流量下的回流，提高稳定性。泵前后盖板采用浮动环密封，具有自动定心作用，可靠性高。诱导轮为变螺距形式，两个叶片，采用锻造铝合金数控加工，其功用是在很低的入口压力下保证泵不发生汽蚀。本发明的涡轮静子结构，它的功用是将冲压空气的内能和压力能转化为高速动能，从而推动涡轮转子旋转，涡轮转子进而带动泵工作；涡轮静子采用高温合金精密铸造。

Claims (10)

1、一种小型高速空气涡轮泵，包括壳体以及设置在壳体内的燃油泵、涡轮，所述燃油泵包括离心轮，所述涡轮包括涡轮转子和涡轮静子，所述壳体前端设置有进液口，其后端设置有进气口，其侧面设置有出液口和出气口，其特征在于：所述涡轮静子是利用斜切气流偏转膨胀的全进气叶栅式收缩喷嘴。
2、根据权利要求1所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述涡轮转子与诱导轮、离心轮通过中心轴固连，所述中心轴通过轴承与壳体连接，所述涡轮转子设置在轴承的一端，所述诱导轮和离心轮设置在轴承的另一端。
3、根据权利要求1或2所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述离心轮的前盖板和后盖板与壳体间设置有密封用浮动环；所述中心轴和涡轮之间的密封为弹簧式端面密封，所述弹簧式端面密封包括设置在中心轴上的动环以及设置在壳体内壁的静环座，所述静环座上设置有通过多个弹簧施压的静环，所述动环端面设置有与动环摩擦接触的石墨环。
4、根据权利要求3所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述离心轮由间隔布置的6个长叶片和12个短叶片构成。
5、根据权利要求4所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述离心轮的叶片为圆弧叶片。
6、根据权利要求5所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述燃油泵包括设置在离心轮前方的诱导轮。
7、根据权利要求6所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述诱导轮为变螺距诱导轮。
8、根据权利要求3所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述空气涡轮泵包括可供泵后浮动环泄漏煤油回流的内回路，所述内回路的一端开口于中心轴和涡轮之间的弹簧式端面密封处，另一端开口于壳体进液口内壁。
9、根据权利要求8所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述燃油泵包括设置在离心轮前方的诱导轮。
10、根据权利要求9所述的小型高速空气涡轮泵，其特征在于：所述诱导轮为变螺距诱导轮。
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