CN103206411A

CN103206411A - 燃料系统增压泵蜗壳

Info

Publication number: CN103206411A
Application number: CN2013100169212A
Authority: CN
Inventors: A.L.斯托伊塞斯库; S.A.黑茨
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: US8974178B2; US20130183148A1; CN103206411B

Abstract

本发明涉及燃料系统增压泵蜗壳。公开的离心增压泵蜗壳包括在通道的长度上分布的与流动正交的截面表面。蜗壳包括狭义蜗壳、出口弯曲部和将狭义蜗壳流体地互连到出口弯曲部的扩散器。截面表面被定义为在一组数据中阐明的尺寸，这组数据包括用于狭义蜗壳的表N-1和N-2和用于蜗壳出口弯曲部的表N-3，其中N是同一值。

Description

燃料系统增压泵蜗壳

技术领域

本公开涉及飞行器喷射发动机安装的燃料离心增压泵，例如，特别涉及离心增压泵蜗壳。

背景技术

离心增压泵通常与主燃料泵封装在一起，主燃料泵通常是正排量齿轮泵类型，这两者由公共轴驱动。离开增压阶段的燃料经过过滤器和燃料油换热器，再进入主泵。压力损失由这些部件和相关的管道系统引入，同时热也被添加到燃料。馈给离心增压泵的燃料通过主框架管道系统来自主框架燃料箱。燃料箱通常与周围的大气压通风，或者在某些情况下，被加压到比周围大气压高几个psi。这些燃料箱设有浸没的泵送设备，这些泵送设备在一些情况下是由电机或涡轮机驱动的轴流泵，或者在其它情况下是喷射泵，统称为主框架增压泵。

在飞行过程中，燃料箱内的压力由于周围大气压的自然降低而随海拔高度逐渐减小。在正常操作状态下，业界标准要求主框架增压泵以高于燃料的真实蒸气压力最少5psi的压力向发动机安装的增压泵提供不间断的流动，并且没有V/L（蒸气液体比）或没有蒸气作为第二相存在。在异常操作下，这相当于不正常工作的主框架增压泵，在增压阶段泵的进口处的压力可能仅高于燃料真实蒸气压力2或3psi，而蒸气可能存在从而有高达0.45或更高的V/L比。术语的定义、推荐的测试实践、和燃料物理特征都在例如像协调研究委员会报告635、AIR1326、SAE ARP492、SAE ARP4024、ASTM D2779和ASTM D3827的业界规定和标准中概述。

在正常或异常操作期间，要求离心增压泵在整个飞行任务中所遇到的全部操作状态下都在主泵入口处维持足够的压力，使得主泵能够维持所要求的向燃料控制和计量单元的输出流动和压力从而实现连续的且不间断的发动机运行。对允许发动机安装的离心增压泵所传递的最大压力升高还有限制以不超过燃料油换热器的机械压力额定值，或者还有关于最小叶轮叶片间距的限制，使得像从维修介入遗落的螺栓之类的大杂质将通过并安全地被捕获在下游的过滤器中。所有这些要求以及满足从起飞期间的大流动到飞行怠速降落期间的细流的全部流动操作范围，并且燃料温度从-40F变化到300F,使得发动机安装的燃料泵的空气动力学设计受到严重的挑战。

蜗壳收集沿几乎切线方向并且以接近叶轮尖端切线速度的高速度离开叶轮的流动，并且将其引导到泵排出端口。从泵入口到叶轮出口端口，向流体添加能量的唯一元件就是叶轮。该能量由泵驱动器在所述轴处提供。成功的泵被期望在泵排出端口处以相对低速、以高于泵入口压力的所要求的压力升高并以最佳可能效率传送流动。

通常来说，叶轮自身展现出在75％和95％之间的高效率，这视在流动和运行速度方面的泵尺寸而定。离开叶轮出口端口的流动流，除了包含静压形式的势能以外，还因流体流的高速度而包含相当大数量的动能。因此，为了实现整个泵的高的整体效率，蜗壳必须提供高度的压力恢复，或者将尽可能多的动能转换为势能，或者静压。为了实现此目的，蜗壳截面沿着流动方向逐渐增大，这强迫流体流变慢，并且在此过程中，能量被恢复成压力形式。

蜗壳由三个不同的部分构成。第一部分，其包围叶轮出口端口，被称为狭义蜗壳。第二部分，其通常是笔直的逐渐变细段，并具有圆形的截面，被称为扩散器。最后的部分，其将流动从相对于叶轮轴线的法向平面转向到轴向，被称为出口弯曲部。对出口弯曲部的需要由给定应用的具体要求来规定。

发明内容

公开的增压泵蜗壳包括在通道的长度上分布的与流动正交的截面表面。蜗壳包括狭义蜗壳、出口弯曲部和将狭义蜗壳流体地互连到出口弯曲部的扩散器。截面表面被定义为在一组数据中阐明的尺寸，这组数据包括用于狭义蜗壳的表N-1和N-2和用于蜗壳出口弯曲部的表N-3，其中N是同一值。

附图说明

参照附图考虑下面的详细描述时，可进一步理解本公开，附图中：

图1是示例燃料传送系统的示意图。

图2是发动机安装的增压泵的截面图。

图3是增压阶段壳体盖的透视图，示出了在铣削操作中的蜗壳和工具刀具。

图4是增压阶段中心板的视图。这里也示出了工具刀具。

图5是增压蜗壳流体体积的透视图。

图6是蜗壳流体体积的另一透视图，其中画出轮廓的区域描述了狭义蜗壳、蜗壳出口弯曲部和扩散器。

图7A是蜗壳几何形状-尺寸标注方案。

图7B是图7A中示出的蜗壳几何形状-尺寸标注方案的另一方面，包括蜗壳出口弯曲部几何形状-尺寸标注方案。

图8A是沿图7A中线A-A截取的截面图。

图8B是沿图7A中线B-B截取的截面图。

图8C是沿图7B中的线C-C截取的截面图。

图9A是另一蜗壳几何形状-尺寸标注方案。

图9B是图9A中示出的蜗壳几何形状-尺寸标注方案的另一方面，包括蜗壳出口弯曲部几何形状-尺寸标注方案。

图10A沿图9A中的线A-A截取的截面图。

图10B是沿图9A中线B-B截取的截面图。

图10C是沿图9B中的线C-C截取的截面图。

图11A是又一个蜗壳几何形状-尺寸标注方案。

图11B是图11A中示出的蜗壳几何形状-尺寸标注方案的另一方面，包括蜗壳出口弯曲部几何形状-尺寸标注方案。

图12A是沿图11A中线A-A截取的截面图。

图12B是沿图11A中线B-B截取的截面图。

图12C是沿图11B中线C-C截取的截面图。

具体实施方式

在图1中图示了发动机安装的燃料传送系统的示例的示意图，例如用于飞行器。系统10包括燃料入口12，其在发动机机身界面处流体连接到机身管道系统。燃料借助机身安装的燃料泵被从飞行器燃料箱传送到该界面。增压泵14在将燃料提供给主泵18之前对燃料进行加压。通常，过滤器17和换热器16被安装在增压泵14和主泵18之间。来自主泵18的燃料被燃料计量单元20调节，燃料计量单元20将压力调节后的燃料提供给发动机22。

图2示出了示例的发动机安装的增压和主燃料泵的截面图，其具有对应于轴线Z的纵轴线。在图2中仅图示了增压泵14。增压泵14包括罩覆盖的由轴23旋转驱动的叶轮24，轴23通常由安装在发动机上的齿轮箱驱动。叶轮24被布置在增压壳体盖26和中心板28之间。前、后迷宫式密封件30、32分别密封在叶轮24和增压壳体盖26与中心板28之间。在示出的示例中后部侧面密封件46也被提供在中心板28和叶轮24之间。

轴23键连接到驱动齿轮34，驱动齿轮34被联接到并旋转地驱动从动齿轮36。驱动齿轮浮动轴承38和驱动齿轮固定轴承40支撑驱动齿轮34。从动齿轮浮动轴承42和从动齿轮固定轴承44支撑从动齿轮36。

在操作过程中，燃料流通过入口从增压泵壳体盖26的最右侧开口45进入从而轴向地从左向右地流动。燃料流此后首先进入旋转叶轮24的导流器部分53，在此处压力被升高并且存在于混合物中的最终的空气和蒸气相被压回到溶液中，使得到燃料流到达叶轮部分51时，混合物的绝大多数是液相。燃料流此后进入叶轮部分51，压力升高的大部分发生在此处，而燃料绝对速度被大大增加。燃料流在明显更大的压力下并以较大的速度沿着几乎切向方向在叶轮24的外径出口端口或周边62处离开叶轮24。在此位置处，流动流包含了基于实际静压的势能和由于高流速的适量动能。

蜗壳的目的是逐渐捕获这种流动流，逐步地减慢其速度并将其引导向增压泵排出端口。通过以平滑方式减慢流动流的速度并且不产生任何漩涡，流动流的大多数动能被转换成势能或压力。在增压泵的出口端口处，以比来自增压泵入口的压力高很多的压力并以通常在燃料系统管道系统中用来将燃料流传送到系统各处的相对慢的速度将流动传送到下游系统。

图5和6分别示出了蜗壳的流体区的透视图和正视图。蜗壳54由狭义蜗壳56、扩散器58和蜗壳出口弯曲部60组成。终端61包括出口端口63，其通常由消费者的要求确定。通常，狭义蜗壳56在叶轮24和蜗壳54之间的最小径向间隔处开始，并遵循围绕叶轮周边62的逐渐变大的截面面积发展，例如直至完整的360度。截面的形状逐渐变化以适应空间约束并且，或者，减轻制造约束。蜗壳54内的流体流速度在扩散器58的起始处被从离开叶轮24的高切线速度逐渐减小到该速度的约一半。狭义蜗壳56和扩散器部分58之间的界面被称作喉部。扩散器58是面积连续增加的笔直部分，在此处流体流速度被进一步减小到其在喉部处的值的一半或三分之一。蜗壳出口弯曲部60用于实现在扩散器58和泵出口端口63之间的过渡。通常，这个部分由双转弯组成。

图3和图4示出了增压泵盖26和中心板28，这两者都包含蜗壳通道的一部分。蜗壳可通过仅使用例如在四轴铣削中心上的一个刀具70而被机加工。蜗壳可被铸造或机加工。在一个示例中，蜗壳54被正交于泵旋转轴线（其为Z轴）的假想平面P分成两部分。第一部分被机加工成增压阶段壳体盖26，而第二部分被机加工在中心板28内，中心板28将增压泵与主泵分开。在一个示例中，蜗壳54的形状被设计成允许通过仅使用在四轴铣削机器上的一个端部铣削刀具而实现蜗壳通道的全部机加工，这减少了成本并增加的生产率。这种方法的结果是，维持了对蜗壳54的尺寸和形状的更好的控制，以及获得了更好的表面光洁度，这转化为更高的效率和压力恢复。

图7A-7B和8A-8C示出了限定蜗壳几何形状的典型截面。第一和第二壳体部分由增压泵壳体盖26和中心板28提供，并且沿着平面P相互配合，平面P垂直于叶轮24的旋转轴线Z。狭义蜗壳56的截面在图8A和8B中示出，并且由表N-1和N-2中的数据表示，其中N代表用于给定蜗壳的一组数据。也即，表1-1、1-2、1-3代表用于一个示例蜗壳（图7A-8C）的数据，表2-1、2-2、2-3代表用于另一示例蜗壳（图9A-10C）的数据，表3-1、3-2、3-3代表用于又一示例蜗壳（图11A-12C）的数据。

蜗壳54由内弧形壁72和外弧形壁74限定，内弧形壁72与外弧形壁74彼此径向间隔开。从轴线Z的半径“rbase”定义了内弧形壁72，并且在本公开中该半径被提供为与叶轮外径D2的比值（见图2）。零度起始点对应于表中的“‘0’截面编号”，并对应于狭义蜗壳56与扩散器58的相交处。表N-1和N-2中的截面被提供在“alpha”度位置处。

第一和第二轴向间隔开的壁76、78与内弧形壁72和外弧形壁74毗连，从而提供大致四边形截面。该四边形截面的角中的一个或多个可包括半径，这在一个示例中是0.032英寸（0.81mm）。在狭义蜗壳56的第一部分中，由图8a中的截面A-A表示，内弧形壁72和外弧形壁74具有共同的尺寸“b”，而第一和第二轴向壁76、78具有共同的尺寸“h”。尺寸b、h在本公开中被提供为与叶轮外径D2的比值。第二轴向壁78位于第一部分中的平面P中。

在狭义蜗壳56的第二部分中，由图8B中的截面B-B表示，提供了圆周向扩大的锥形区域。更具体地说，外弧形壁74包括尺寸“b2，而第一轴向壁_76包括尺寸“h1。”内第一弧形壁72包括第一和第二内部80、82，其中第一内部80毗连第一轴向壁76并包括尺寸“b1。”第二轴向壁78包括第一和第二轴向部分84、86，其中第一轴向部分84毗连外弧形壁74并包括尺寸“h2。”第二内部82和第二轴向部分86一起提供相对于h1和b2的凹陷台阶，而第二轴向部分86位于平面P内。尺寸b1、b2、h1、h2在本公开中被提供为与叶轮外径D2的比值。

蜗壳出口弯曲部60由图8C中的截面C-C图示，其由内和外弧形壁72、74以及第一和第二轴向壁76、78提供。“OFFSET Z”对应于与平面P的沿Z方向的轴向偏移，并且是第一和第二轴向壁76、78之间的轴向中点。扩散器58由将来自狭义蜗壳56的截面0/36互连到蜗壳出口弯曲部60的“截面1”的直线限定。扩散器58中的内弧形壁72正交于在0/360截面号中获得的平面，该平面垂直于流动方向。蜗壳出口弯曲部60中的内弧形壁72沿着半径R位于蜗壳出口弯曲部60中，而不是在半径“rbase”中。截面提供在在“beta”度位置处截取的截面号处。

图9A-9B和10A-10C示出了定义另一蜗壳几何形状的典型的截面。第一和第二轴向间隔开的壁176、178与内弧形壁172和外弧形壁174毗连，从而提供大致四边形截面。这个四边形截面的角中的一个或多个可包括半径，其在一个实施例中是0.032英寸（0.81mm）。在狭义蜗壳156的第一部分中，由图10A中的截面A-A表示，内弧形壁172和外弧形壁174具有共同的尺寸“b”，而第一和第二轴向壁176、178具有共同的尺寸“h”。第二轴向壁178在第一部分中位于平面P中。

在狭义蜗壳156的第二部分中，由图10B中的截面B-B表示，提供了圆周向扩大的锥形区域。更具体地说，外弧形壁174包括尺寸“b2，而第一轴向壁擾176包括尺寸“h1。”内弧形壁172包括第一和第二内部180、182，其中第一内部180毗连第一轴向壁176并包括尺寸“b1。”第二轴向壁178包括第一和第二轴向部分184、186，其中第一轴向部分184毗连外弧形壁174并包括尺寸“h2。” 第一作用部分184形状是弧形的并且由半径181提供，在该示例中半径181是1.250英寸（31.75mm）。第二内部182和第二轴向部分186一起提供相对于h1和b2的凹陷台阶，并且第二轴向部分186位于平面P内。

蜗壳出口弯曲部160由图10C中的截面C-C示出，其由内弧形壁172和外弧形壁174以及第一和第二轴向壁176、178提供。第一弧形壁176是弧形的并且由半径187提供，半径187在该示例中是0.125英寸（3.18mm）。 “OFFSET Z”对应于与平面P的沿Z方向的轴向偏移，并且是第一和第二轴向壁176、178之间的轴向中点。扩散器158由将来自狭义蜗壳156的截面0/36互连到蜗壳出口弯曲部160的“截面1”的直线限定。扩散器158中的内弧形壁172正交于在0/360截面号中获得的平面，该平面垂直于流动方向。蜗壳出口弯曲部160中的内弧形壁172沿着半径R位于蜗壳出口弯曲部160中，而不是在半径“rbase”中。截面提供在在“beta”度位置处截取的截面号处。

图11A-11B和12A-12C示出了定义另一蜗壳几何形状的典型的横截面。第一和第二轴向间隔开的壁276、278与内弧形壁272和外弧形壁274毗连，从而提供大致四边形截面。第二弧形壁274包括位于中心的圆形凹部283，其在一个示例中由0.156英寸（3.97mm）的半径提供。这个四边形截面的角中的一个或多个可包括半径，其在一个实施例中是0.032英寸(0.81mm)。在狭义蜗壳256的第一部分中，由图12A中的截面A-A表示，内弧形壁272和外弧形壁274具有共同的尺寸“b”，而第一和第二轴向壁276、278具有共同的尺寸“h”。第二轴向壁278在第一部分中位于平面P中。

在狭义蜗壳256的第二部分中，由图12B中的截面B-B表示，提供了圆周向扩大的锥形区域。更具体地说，外弧形壁274包括尺寸“b2，而第一轴向壁_276包括尺寸揾“h1。”第一弧形壁272包括第一和第二内部280、282，其中第一内部280毗连第一轴向壁276并包括尺寸“b1。”第二轴向壁278包括第一和第二轴向部分284、286，其中第一轴向部分284毗连外弧形壁274并包括尺寸“h2。”第二内部282和第二轴向部分286一起提供相对于h1和b2的凹陷台阶，而第二轴向部分286位于平面P内。第二弧形壁274维持狭义蜗壳256的第二部分中的圆形凹部285，其在一个示例中由0.156英寸（3.97mm）的半径提供。

蜗壳出口弯曲部260由图12C中的截面C-C示出，其由内弧形壁272和外弧形壁274以及第一和第二轴向壁276、278提供。“OFFSET Z”对应于与平面P的沿Z方向的轴向偏移，并且是第一和第二轴向壁276、278之间的轴向中点。扩散器258由将来自狭义蜗壳256的截面0/36互连到蜗壳出口弯曲部260的“截面1”的直线限定。扩散器258中的内弧形壁272正交于在0/360截面号中获得的平面，该平面垂直于流动方向。蜗壳出口弯曲部260中的内弧形壁272沿着半径R位于蜗壳出口弯曲部260中，而不是在半径“rbase”中。截面提供在在“beta”度位置处截取的截面号处。这个四边形截面的角中的一个或多个可包括半径，其在一个实施例中是0.156英寸（3.97mm）。

定义了蜗壳和出口弯曲部几何形状的表N-1、N-2和N-3提供了根据图7A-12C的保留四位小数的关键尺寸的值。在表中提供的尺寸都受到在表面轮廓方面的＋/-0.010英寸的典型制造公差的影响，这种公差已被考虑过并被认为是可接受的，从而维持了这些部件的机械和空气动力学功能。因此，部件的机械和空气动力学功能没有由制造瑕疵和公差损害，这些在不同的实施例中可能比在所公开的表中公开的值更大或更小。如本领域技术人员意识到的，制造公差可被确定以实现所制造的部件相对于在所公开的表中公开的理想部件轮廓点的期望均值和标准偏离。

表1-1

表1-2

表1-3

Figure 2013100169212100002DEST_PATH_IMAGE003

表2-1

表2-2

表2-3

表3-1

表3-2

表3-3

在所有表中，“section number”指的是“截面编号”或“截面号”。

虽然已经公开的示例实施例，但是本领域技术人员将认识到某些改进也在权利要求的范围内。由此，应当研读下面的权利要求以确定真实的范围和内容。

Claims

1.一种离心增压泵蜗壳，其包括：

壳体，其提供在定义流体通道的蜗壳的长度上分布的与流动正交的横截面表面，蜗壳包括狭义蜗壳、出口弯曲部和将狭义蜗壳流体互连到出口弯曲部的扩散器，横截面表面被定义为在一组数据中阐明的尺寸，该组数据包括用于狭义蜗壳的表N-1和N-2以及用于蜗壳出口弯曲部的表N-3，其中N是同一值。

2.如权利要求1所述的离心增压泵蜗壳，其中所述壳体由第一和第二壳体部分提供，该第一和第二壳体部分沿着平面彼此配合，所述平面位于蜗壳内。

3.如权利要求2所述的离心增压泵蜗壳，其中第一壳体部分提供与蜗壳流体连通的中心开口。

4.如权利要求3所述的离心增压泵蜗壳，包括布置在壳体内的叶轮，蜗壳围绕叶轮，并且叶轮包括布置在所述开口内的导流器。

5.一种离心增压泵，其包括：

包括中心开口的壳体；

布置在所述壳体内的蜗壳，所述蜗壳与所述中心开口流体连通，并提供在定义流体通道的蜗壳的长度上分布的与流动正交的横截面表面，蜗壳包括狭义蜗壳、出口弯曲部和将狭义蜗壳流体互连到出口弯曲部的扩散器，横截面表面被定义为在一组数据中阐明的尺寸，该组数据包括用于狭义蜗壳的表N-1和N-2以及用于蜗壳出口弯曲部的表N-3，其中N是同一值；以及

布置在壳体内的叶轮，叶轮包括叶轮部分和导流器部分，叶轮具有外周并且蜗壳围绕该外周，导流器部分被设置在所述中心开口中。

6.如权利要求5所述的离心增压泵，其中所述壳体由第一和第二壳体部分提供，该第一和第二壳体部分沿着平面彼此配合，所述平面位于蜗壳内。

7.一种制造离心增压泵蜗壳的方法，其包括：

给壳体中的通道提供在定义流体通道的蜗壳的长度上分布的与流动正交的横截面表面，蜗壳包括狭义蜗壳、出口弯曲部和将狭义蜗壳流体互连到出口弯曲部的扩散器，横截面表面被定义为在一组数据中阐明的尺寸，该组数据包括用于狭义蜗壳的表N-1和N-2以及用于蜗壳出口弯曲部的表N-3，其中N是同一值。

8.如权利要求7所述的方法，其中提供步骤包括在壳体中铣削所述通道，其中所述壳体至少包括第一和第二壳体部分。

9.一种组装离心增压泵的方法，其包括：

围绕着叶轮紧固第一和第二壳体部分，其中所述第一和第二壳体部分提供包围叶轮的蜗壳，蜗壳包括在定义流体通道的蜗壳的长度上分布的与流动正交的横截面表面，蜗壳包括狭义蜗壳、出口弯曲部和将狭义蜗壳流体互连到出口弯曲部的扩散器，横截面表面被定义为在一组数据中阐明的尺寸，该组数据包括用于狭义蜗壳的表N-1和N-2以及用于蜗壳出口弯曲部的表N-3，其中N是同一值。