CN102650285B

CN102650285B - 用于齿轮泵的轴承面几何结构

Info

Publication number: CN102650285B
Application number: CN201210043605.XA
Authority: CN
Inventors: W.倪; S.S.沙; T.P.沃尔格伦
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: US9677559B2; US20120219449A1; CN102650285A

Abstract

本发明涉及用于齿轮泵的轴承面几何结构。具体地，一种轴承包括具有指状切口的桥台几何结构，所述指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从轴轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间，以降低气蚀和压力波纹。

Description

用于齿轮泵的轴承面几何结构

技术领域

本公开涉及泵，更具体地涉及用于气体涡轮发动机的燃料齿轮泵。

背景技术

燃料齿轮泵通常用于为飞机上的气体涡轮发动机或其它系统提供燃料流和压力。齿轮泵必须在宽的系统操作范围上运行并且为各种功能提供关键的流和压力。通常，这些泵通过轴从附件齿轮箱接收旋转功率。

在双齿轮级泵中，旋转功率通过输入轴和联接轴从一个齿轮级传递到另一个齿轮级。每个齿轮级包括由轴承支撑的齿轮。在轴承所提供的其他特征中，齿轮轴承面几何结构使得可能损坏泵部件的气蚀和压力波纹最小化。

发明内容

根据本公开的一个示例性方面的轴承包括具有指状切口的桥台几何结构，所述指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间。

根据本公开的一个示例性方面的齿轮泵包括沿第一轴线延伸的第一轴、沿所述第一轴线安装到所述轴的第一齿轮、以及支撑所述第一齿轮的第一轴承，所述第一轴承具有第一桥台几何结构，所述第一桥台几何结构具有指状切口，所述指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从所述第一轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间。

根据本公开的一个示例性方面的在齿轮泵中安装齿轮的方法包括沿轴线用第一轴承支撑第一齿轮，所述第一轴承具有第一桥台几何结构，所述第一桥台几何结构具有指状切口，该指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从所述轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间。

附图说明

本领域技术人员将从所公开的非限制性实施例的以下详细描述中明白各种特征。详细描述的附图可简要介绍如下：

图1是齿轮泵的方框图，其由附件齿轮箱驱动以将诸如燃料的流体传输到气体涡轮；

图2是齿轮泵的端视图；

图3是齿轮泵沿图2中的线3-3剖切的剖面图；

图4是齿轮泵沿图2中的线4-4剖切的剖面图；

图5是壳体被移除情况下的齿轮泵的透视图；

图6是壳体被移除情况下的齿轮泵的另一透视图；

图7是壳体被移除情况下的齿轮泵的另一透视图；

图8是从与图5相同的透视方向的齿轮泵的透视图；

图9是从与图7相同的透视方向的齿轮泵的透视图；

图10是从与图6相同的透视方向的齿轮泵的透视图；

图11是齿轮泵的主级的扩大侧视图；

图12是图11的主级的端视图；

图13是沿图12的线13-13剖切的主级的剖面图；

图14是沿图11的线14-14剖切的主级的剖面图；

图15是沿图11的线15-15剖切的主级的剖面图；

图16是主驱动轴承的透视图；

图17是主驱动轴承的放大端视图，示出根据本公开的主级桥台几何结构；

图18是主驱动轴承的放大端视图，示出根据本公开的主级桥台几何结构；

图19是原动驱动轴承的放大端视图，示出根据本公开的原动级桥台几何结构；

图20是原动驱动轴承的放大端视图，示出根据本公开的原动级桥台几何结构。

具体实施方式

图1示意性示出了齿轮泵20，其由附件齿轮箱22驱动以将诸如燃料的流体传输到气体涡轮24。应当理解，本申请不限于与特定系统联合使用。因此，虽然为了说明方便而将本申请示出和描述为在飞机燃料泵中实施，但应当理解的是，其也可在许多其它流体系统中实施。另外，虽然所公开的是双级齿轮泵，但其它机器也将由此受益。

参照图2，齿轮泵20通常包括壳体30，其包括输入轴组件32和联接轴组件34以驱动主级36和原动级（motive stage）38（图3和图4）。旋转功率被从气体涡轮24传递到附件齿轮箱22，然后通过输入轴组件32传递到齿轮泵20。在所公开的非限制性实施例中，输入轴组件32与附件齿轮箱22联系并且从其接收润滑剂，而联接轴组件34用燃料来润滑。

参照图3，输入轴组件32被限定成沿输入轴轴线A，并且联接轴组件34被限定成沿平行于输入轴轴线A的联接轴轴线B。主级36通常包括主驱动齿轮40、主从动齿轮42、主驱动轴承44和主从动轴承46。原动级38通常包括原动驱动齿轮50、原动从动齿轮52、原动驱动轴承54和原动从动轴承56（图4）。

主驱动齿轮40与主从动齿轮42处于啮合接合，并且原动驱动齿轮50与原动从动齿轮52处于啮合接合（图5-7）。输入轴组件32通过主级36驱动联接轴组件34以驱动原动级38。增压级58也被输入轴组件32驱动以限定具有叶轮和集成的进口段（inducer）的离心泵。

级36、38、58通常独立地工作。每个级36、38、58包括分离的入口和排口（图8-10）。当啮合的齿轮40、42和50、52旋转时，流体的各自体积被从主级入口MI传输到主级排口MD并从原动级入口mI传输到原动级排口mD，使得主级36传输主燃料流而原动级38供应原动燃料流。主级入口MI和主级排口MD以及原动级入口mI和原动级排口mD被分别通过各自的齿轮级36、38沿着大致直线路径引导。

在所公开的非限制性实施例中，飞机燃料系统向增压级入口BI提供流和压力。增压级排放物的一部分被导引在原动级入口mI的内侧。增压级排放物的其余部分被从齿轮泵20排放到飞机燃料系统，然后返回到主级入口MI。原动级排口mD与飞机燃料系统连通。主级排口MD也与飞机燃料系统连通以提供至少两个主要功能：致动和发动机燃烧流。也可能有替代的或另外的相对小的流方向和功能，但是本文不需要进一步公开其详细描述。

参照图11，主级36将主驱动齿轮40和主从动齿轮42定位在各自成对的主驱动轴承44和主从动轴承46之间。主级轴承44、46包括各自成组的一个静止轴承44S、46S和一个压力负载轴承44P、46P（图13），然而每组的面（图14）邻近于与其直接相邻的各自的齿轮40、42（图15），从而将各自齿轮40、42夹在中间。

齿轮40、42的每一个的相同侧上的主级轴承44、46紧密邻近于彼此并且结构性地或整体地结合到一起成为当从平行于轴轴线A、B的方向看时类似“数字8”的结构。主级轴承44、46的轴承面与主级齿轮40、42的轴向端面匹配。轴承面支撑轴向载荷并且包含齿轮啮合附近的面几何结构。该面几何结构具有特定的几何特征，以引导和密封来自入口通道的燃料流进入齿轮，当其旋转时适当地填充齿轮齿凹穴，并且然后释放并引导燃料流流出齿轮齿凹穴进入排放通道。具体注意，最接近齿轮啮合的轴承面几何结构有时被称为桥台几何结构（bridge land geometry）60。主级入口MI接收流体进入主级桥台几何结构60以引导流体流围绕齿轮40、42，以便通过主级桥台几何结构的另一侧上的主级排口MD排放。

主级轴承几何结构

参照图14，主驱动轴承44和主从动轴承46沿各自的界面表面62、64邻接，其限定了主级桥台几何结构60并垂直于界面表面62、64延伸（图16）。在所公开的非限制性实施例中，界面表面62、64是平表面。

参照图17，主驱动轴承44的主级桥台几何结构60限定了主驱动入口几何结构66I，其在最小气蚀的情况下接收并至少部分地引导来自主级入口MI的流。主驱动入口几何结构66I包括指状切口68，其大致沿入口流体流的方向凹陷并且大致平行于界面表面62。指状切口68位于第一入口表面70和第二入口表面72之间，第一入口表面70和第二入口表面72通常在指状切口68内相交。第一入口表面70和第二入口表面72限定了等于或通常大于90度的角。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，指状切口68限定了0.060-0.160英寸（1.5-4.1 mm）的宽度ISWM以及0.110英寸（2.8 mm）的名义宽度。指状切口68的中心从输入轴轴线A偏移0.715-0.815英寸（18.2-20.7 mm）的径向距离ISRM，名义距离为0.765英寸（19.4 mm）。在该公开的非限制性尺寸的实施例中，ISWM/ISRM的比率被限定在0.074-0.224之间。所公开的比率促进了主级齿轮啮合处的临界流体交换。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，第一入口表面70从线L1偏移0.623-0.823英寸（15.8-20.9 mm）的距离DMI1，线L1与水平线成22-32度的角AMI1，在27度的角AMI1时，名义距离DMI1为0.723英寸（18.4 mm）。

主驱动轴承44的主级桥台几何结构60还限定主驱动排口几何结构66D，其在最小气蚀的情况下排放并至少部分地引导流进入主级排口MD。主驱动排口几何结构66D包括第一排口表面74和第二排口表面76，第一排口表面74和第二排口表面76通常在与指状切口68相对的位置相交。第一排口表面74和第二排口表面76限定了等于或通常大于90度的角。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，第一排口表面74从线L2偏移0.623-0.823英寸（15.8-20.9 mm）的距离DMD2，线L2与水平线成5-15度的角AMD2，在10度的角AMD2时，名义距离DMD2为0.723英寸（18.4 mm）。

参照图18，主从动轴承46的主级桥台几何结构60限定了主从动入口几何结构78I，其在界面表面62、64处与主驱动入口几何结构66I匹配，并且在最小气蚀的情况下接收并至少部分地引导来自主级入口MI的流。主从动入口几何结构78I包括通常相交的第一入口表面80和第二入口表面82。第一入口表面80和第二入口表面82限定了等于或通常大于90度的角。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，主从动轴承46的第一入口表面80从线L3偏移0.623-0.823英寸（15.8-20.9 mm）的距离DMI3，线L3与水平线成22-32度的角AMI3，在27度的角AMI3时，名义距离DMI3为0.723英寸（18.4 mm）。

主从动轴承46的主级桥台几何结构60还包括主从动排口几何结构78D，其在界面表面62、64处与主驱动排口几何结构66D匹配，并且在最小气蚀的情况下排放并至少部分地引导流进入主级排口MD。主从动排口几何结构78D包括第一排口表面84和第二排口表面86，第一排口表面84和第二排口表面86通常相交并且限定了等于或通常大于90度的角。

在所公开的非限制性尺寸的实施例中，第一排口表面84从线L4偏移0.623-0.823英寸（15.8-20.9 mm）的距离DMD4，线L4与水平线成5-15度的角AMD4，在10度的角AMD4时，名义距离DMD4为0.723英寸（18.4 mm）。也就是说，第一入口表面70在几何上相同于第一入口表面80，并且第一排口表面74在几何上相同于第一排口表面84。

原动级轴承几何结构

如主级36，原动级38包括类似的最接近原动级齿轮啮合的轴承面几何结构，其也被称为桥台几何结构。应当理解的是，所公开的几何结构可以在许多其他流体系统中实施。

参照图19，原动驱动轴承54的原动级桥台几何结构90限定了原动驱动入口几何结构92I，其在最小气蚀的情况下接收并至少部分地引导来自原动级入口mI的流。原动驱动入口几何结构92I包括指状切口94，其大致沿入口流体流的方向凹陷并且大致平行于界面表面100。指状切口94位于第一入口表面96和第二入口表面98之间，第一入口表面96和第二入口表面98通常在指状切口94内相交。第一入口表面96和第二入口表面98限定了等于或通常大于90度的角。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，指状切口94限定了0.05-0.150英寸（1.3-3.8 mm）的宽度ISWm以及0.100英寸（2.5 mm）的名义宽度。指状切口94的中心从输入轴轴线B偏移0.512-0.612英寸（13.0-15.5 mm）的径向距离ISRm，名义距离为0.562英寸（14.3 mm）。在该公开的非限制性尺寸的实施例中，ISWm/ISRm的比率被限定在0.082-0.293之间。所公开的比率促进了原动级齿轮啮合处的临界流体交换。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，第一入口表面96从线L5偏移0.416-0.616英寸（10.6-15.6 mm）的距离DmI5，线L5与水平线成23-33度的角AmI5，在28度的角AmI5时，名义距离DmI5为0.516英寸（13.1 mm）。

原动驱动轴承54的原动级桥台几何结构90还限定原动驱动排口几何结构92D，其在最小气蚀的情况下排放并至少部分地引导流进入原动级排口mD。原动驱动排口几何结构92D包括第一排口表面106和第二排口表面108，第一排口表面106和第二排口表面108通常在与指状切口94相对的位置相交。第一排口表面106和第二排口表面108限定了等于或通常大于90度的角。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，第一排口表面106从线L6偏移0.416-0.616英寸（10.6-15.6 mm）的距离DmD6，线L6与水平线成6-16度的角AmD6，在11度的角AmD6时，名义距离DmD6为0.516英寸（13.1 mm）。

参照图20，原动从动轴承56的原动级桥台几何结构90包括原动从动入口几何结构110I，其在界面表面100、102处与原动驱动入口几何结构92I匹配，并且在最小气蚀的情况下接收并至少部分地引导来自原动级入口mI的流。原动从动入口几何结构110I包括通常相交的第一入口表面112和第二入口表面114。第一入口表面112和第二入口表面114限定了等于或通常大于90度的角。

在一个公开的非限制性尺寸的实施例中，原动从动轴承56的第一入口表面112从线L7偏移0.416-0.616英寸（10.6-15.6 mm）的距离DmI7，线L7与水平线成23-33度的角AmI7，在28度的角AmI7时，名义距离DmI7为0.516英寸（13.1 mm）。

原动从动轴承56的原动级桥台几何结构90还包括原动从动排口几何结构110D，其在界面表面100、102处与原动驱动排口几何结构92D匹配，并且在最小气蚀的情况下排放并至少部分地引导流进入原动级排口mD。原动从动排口几何结构110D包括第一排口表面116和第二排口表面118，第一排口表面116和第二排口表面118通常相交并且限定了等于或通常大于90度的角。

在所公开的非限制性尺寸的实施例中，第一排口表面116从线L8偏移0.416-0.616英寸（10.6-15.6 mm）的距离DmD8，线L8与水平线成6-16度的角AmD8，在11度的角AmD8时，名义距离DmD8为0.516英寸（13.1 mm）。也就是说，第一入口表面96在几何上相同于第一入口表面112，并且第一排口表面106在几何上相同于第一排口表面116。

主级桥台几何结构60和原动级桥台几何结构90促进了齿轮啮合处的临界流体交换。当局部流体压力降低到低于流体的真实蒸气压力时出现气蚀，并且形成流体气泡，然后局部流体压力的突然增加导致气泡剧烈地塌陷回到溶液中。当在固体表面上或附近出现气蚀时，高强度的塌陷力或者气蚀损伤功率（类似于冲击波）可导致高表面应力并且引发表面的局部损坏，这通常称为蚀损斑。该损坏可最终侵蚀齿轮、轴承和壳体部件并且降低系统性能。齿轮啮合处的流体交换导致局部流体压力变化，从而轴承面几何结构被设计成保持局部流体压力尽可能高（优选地高于流体的真实蒸气压力），尤其是当齿轮啮合区通向入口端口时，以便最小化气蚀。

压力波纹也由齿轮啮合处的流体交换引起并且使得局部流体压力增加或减少，这可增加气蚀并且可导致对系统的其他不利影响。因此，所公开的主级桥台几何结构60和原动级桥台几何结构90也被设计成最小化压力波纹。

使用数值计算和计算流体动力学（CFD）分析软件，对整个轴承面几何结构进行分析和限定，其中，特定的齿轮组、壳体通道以及其他系统部件几何结构均为用作分析的部分。基于特定的性能要求，轴承面几何结构被优化成在整个操作范围上最小化气蚀和压力波纹，并且满足所有其他要求。另外，轴承面几何结构被设计成促进其特征的制造，这降低了轴承制造成本。

特定的轴承面几何结构与特定齿轮组、壳体通道和其他系统部件几何结构匹配，并优化了泵的性能，同时最小化了燃料系统中的气蚀和压力波纹。这将会降低齿轮、轴承、壳体和其他系统部件的损坏，从而维持泵和系统的性能并且增加部件的运转寿命。被最小化的压力波纹和气蚀损伤功率强度将会产生更稳定的燃料系统，其可以被更容易且更准确地监视和控制。

应当理解的是，在遍及几副附图中，相同的附图标记指示对应的或相似的元件。还应当理解的是，虽然在所示实施例中公开了具体的部件布置，但其它布置也将由此受益。

虽然示出、描述和请求保护了具体的步骤序列，但应当理解的是，除非另有所指，可以以任何顺序、分开地或组合地实施这些步骤，并且仍将从本公开受益。

前面的描述是示例性的，而非被其内的限制所限定。本文公开了各种非限制性实施例，然而本领域普通技术人员可认识到根据上述教导的各种修改和变形将会落入所附权利要求的范围内。因此应当理解但是，在所附权利要求的范围内，本公开可以不同于所具体描述地实施。为此，应当研究所附权利要求以确定真实范围和内容。

Claims

1.一种轴承，包括：

具有指状切口的桥台几何结构，所述指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从轴承的轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间，其中，所述指状切口大致沿入口流体流的方向凹陷。

2.如权利要求1所述的轴承，其中，所述ISW/ISR的比率在0.074-0.224之间。

3.如权利要求1所述的轴承，其中，所述ISW/ISR的比率在0.082-0.293之间。

4.如权利要求1所述的轴承，其中，所述宽度ISW在1.5-4.1 mm之间。

5.如权利要求1所述的轴承，其中，所述宽度ISW是2.8 mm的名义宽度。

6.如权利要求1所述的轴承，其中，所述宽度ISW在1.3-3.8 mm之间。

7.如权利要求1所述的轴承，其中，所述宽度ISW是2.5 mm的名义宽度。

8.如权利要求1所述的轴承，其中，所述指状切口大致平行于界面表面，在所述界面表面处，第二轴承邻接所述轴承。

9.如权利要求1所述的轴承，其中，所述指状切口位于第一入口表面和第二入口表面之间，所述第一入口表面和第二入口表面在所述指状切口内相交。

10.一种齿轮泵，包括：

沿第一轴线延伸的第一轴；

沿所述第一轴线安装到所述轴的第一齿轮；和

支撑所述第一齿轮的第一轴承，所述第一轴承具有第一桥台几何结构，所述第一桥台几何结构具有指状切口，所述指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从所述第一轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间，其中，所述指状切口大致沿入口流体流的方向凹陷。

11.如权利要求10所述的齿轮泵，还包括：

沿平行于所述第一轴线的第二轴线延伸的第二轴；

沿所述第二轴线安装到所述第二轴的第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮处于啮合接合；和

支撑所述第二齿轮的第二轴承，所述第二轴承具有邻近于所述第一桥台几何结构的第二桥台几何结构。

12.如权利要求11所述的齿轮泵，还包括所述第一轴承内的入口表面和所述第二轴承内的入口表面，所述第一轴承内的入口表面在几何上布置成与所述第二轴承内的入口表面相同。

13.如权利要求11所述的齿轮泵，还包括所述第一轴承内的入口表面和所述第二轴承内的入口表面，所述第一轴承内的入口表面和所述第二轴承内的入口表面以相同的角布置。

14.如权利要求13所述的齿轮泵，还包括所述第一轴承内的排口表面和所述第二轴承内的排口表面，所述第一轴承内的排口表面和所述第二轴承内的排口表面以相同的角布置。

15.如权利要求11所述的齿轮泵，其中，所述第一轴承在界面表面处与所述第二轴承接触，以限定“数字8”。

16.一种在齿轮泵中安装齿轮的方法，包括：

沿轴线用第一轴承支撑第一齿轮，所述第一轴承具有第一桥台几何结构，所述第一桥台几何结构具有指状切口，该指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从所述轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间，其中，所述指状切口大致沿入口流体流的方向凹陷。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

沿所述轴线用第二轴承支撑所述第一齿轮，所述第二轴承具有第二桥台几何结构，所述第二桥台几何结构具有指状切口，该指状切口限定宽度ISW，所述宽度ISW的中心从所述轴线偏移径向距离ISR，ISW/ISR的比率在0.074-0.293之间。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

沿所述轴线将所述第一轴承和所述第二轴承的轴承面匹配到所述第一齿轮的相对的轴向端面。