CN108005912A - 一种高背压大流量超高速涡轮泵 - Google Patents

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宋显成
李振将
刘群
胡丽国
张淑敏
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Abstract

本发明属于发动机燃料泵技术领域，具体涉及一种高背压大流量超高速涡轮泵。本发明中，壳体与涡轮进气盖固定连接，壳体与涡轮进气盖形成一空腔为涡轮腔，涡轮腔内安装涡轮转子，涡轮转子的轴通过位于壳体内部两端的角接触轴承支撑与壳体装配一体，并能够在涡轮腔内高速自由旋转；在涡轮转子的轴另一端与泵叶轮连接；泵叶轮被多出油口泵头包络，多出油口泵头固定安装在壳体上。本发明突破了超高速涡轮泵通常的小流量泵油输出、低背压排气的局限，可满足超燃冲压发动机的燃料供应需求。

Description

一种高背压大流量超高速涡轮泵
技术领域
本发明属于发动机燃料泵技术领域，具体涉及一种高背压大流量超高速涡轮泵。
背景技术
随着高超速声速推进技术的发展，超燃冲压发动机技术日趋成熟。超燃冲压发动机的理想燃料泵为涡轮泵，而目前作为火箭发动机燃料泵的大尺寸低转速涡轮泵虽然技术较成熟，如美国普惠公司研制的大推力液体火箭发动机用涡轮泵，以及我国的航天六院十一研制的液体火箭发动机燃料输送用涡轮泵等，但受超燃冲压发动机结构体积小的局限，火箭发动机用涡轮泵难以实现其上的布局应用。因此，选用小尺寸超高速涡轮泵作为超燃冲压发动机的燃料泵就成为了最佳选择。
目前，超高速涡轮泵主要用于航天飞行器电液伺服系统中，是伺服液压能源系统核心动力部件。国际上，超高速涡轮泵以美国的‘三叉戟’远程战略导弹伺服系统应用为代表。在国内，航天一院十八所是航天伺服技术的专业单位，其超高速涡轮泵研制具有领先水平，所研制高集成度伺服涡轮泵已广泛应用于各类战略、战术武器型号以及运载火箭中，其总体指标接近国外。超高速涡轮泵具有体积小、转速高、比功率高、输出功率大等优点，极具作为超燃冲压发动机燃料泵的开发潜力。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种高背压大流量超高速涡轮泵，突破了超高速涡轮泵通常的小流量泵油输出、低背压排气的局限，可满足超燃冲压发动机的燃料供应需求。
本发明采用的技术方案：
一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，包括涡轮进气盖，涡轮泵壳体，涡轮转子，轴承，泵叶轮，多出油口泵头；壳体与涡轮进气盖固定连接，壳体与涡轮进气盖形成一空腔为涡轮腔，涡轮腔内安装涡轮转子，涡轮转子的轴通过位于壳体内部两端的角接触轴承支撑与壳体装配一体，并能够在涡轮腔内高速自由旋转；在涡轮转子的轴另一端与泵叶轮连接；泵叶轮被多出油口泵头包络，多出油口泵头固定安装在壳体上。
所述涡轮进气盖上钻有若干个进气喷管。
所述进气喷管沿半径等于涡轮叶片尺寸中径的圆周等角距布局，并与涡轮旋转面倾斜成一定角度。
所述泵叶轮与多出油口泵头形成泵腔。
所述多出油口泵头的泵叶轮外圆周加工四个切向出油口。
泵工作运转时，液体燃料沿着轴向进油口被吸入泵腔，在泵腔内被高速旋转的泵叶轮迅速增速增压，然后从多个出油口流出为发动机供油。
本发明的有益效果：
本发明提供一种高背压大流量超高速涡轮泵，能够突破了超高速涡轮泵通常的小流量泵油输出、低背压排气的局限，可满足超燃冲压发动机的燃料供应需求；本发明较现有超高速涡轮泵具有更高的涡轮速比和部分流泵比转速，涡轮气动效率和泵的液压效率均获得提高，从而整体发明具有更高的能量转化效率；本发明具有轻质紧凑、工艺简单、操作方便等优点。
附图说明
图1为本发明一种高背压大流量超高速涡轮泵剖视图；
图2为涡轮进气盖剖视图；
图3为多出油孔泵头剖视图；
图中：1-涡轮进气盖、2-螺钉、3-涡轮泵壳体、4-涡轮转子轴、5-轴承、6-泵叶轮、7-多出油口泵头、8-涡轮腔、9进油口、10-多进气喷嘴、11-多出油口、12-泵腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种高背压大流量超高速涡轮泵作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，包括涡轮进气盖1，涡轮泵壳体3，涡轮转子4，轴承5，泵叶轮6，多出油口泵头7；壳体3与涡轮进气盖1通过螺钉固定连接，壳体3与涡轮进气盖1形成一空腔为涡轮腔8，涡轮腔8内安装涡轮转子4，涡轮转子4的轴通过位于壳体3内部两端的角接触轴承5支撑与壳体3装配一体，并能够在涡轮腔8内高速自由旋转。在涡轮转子4的轴另一端通过一个与涡轮转向相同旋向的螺纹来连接泵叶轮6，使泵叶轮也能够与涡轮同轴固紧高速旋转；泵叶轮6被多出油口泵头7包络，多出油口泵头7通过螺栓固定安装在壳体3上。
如图2所示，涡轮进气盖1上钻有多个进气喷管10以实现对涡轮叶片吹气，从而驱动涡轮转子4转动做功
如图3所示，泵叶轮6与多出油口泵头7形成泵腔12，泵工作运转时，液体燃料沿着轴向进油口被吸入泵腔12，在泵腔内被高速旋转的泵叶轮6迅速增速增压，然后从多个出油口11流出为发动机供油。
涡轮进气盖1和多出油口泵头7为本发明实现的关键功能部件。有别于气体工质最终排往大气的现有超高速涡轮泵，本发明实现了超高速涡轮泵高背压低膨胀比(膨胀比约4，而通常超高速涡轮膨胀比约50-100)条件下的做功。低膨胀比意味着气体工质比功(单位质量工质的做功)较小，因此本发明的进气盖采用了增大进气喷管等效喉径及增加进气喷管数量的改进设计，从而增大工质流量实现了涡轮在高背压下的大功率做功。涡轮进气盖1上钻有4个进气拉法尔喷管10(通常超高速涡轮泵进气喷管数为1-3个，且喉径很小)，4个拉法尔喷管10沿半径等于涡轮叶片尺寸中径的圆周等角距布局，并与涡轮旋转面倾斜成一定角度，这样就保证了涡轮泵工作时各喷嘴出口恰好对准涡轮叶片叶身全部并以较小的攻角(气流方向与叶片中弧线进口端的切向的夹角)吹气驱动涡轮转子4。这样的进气结构即保持了超高速涡轮泵局部进气的紧凑精巧特点，又使涡轮具有在高背压下具有较高涡轮速比，增加了涡轮的气动效率，使其具有大轴功率输出的能力，并且实际应用中高背压通过循环管路中加装一个普通气流阀即可保证，无需在装置中再引入过多复杂结构，使操作更加方便。
多出油口泵头7的设计突破了现有的超高速部分流泵只能输出高扬程小流量油的局限，通过在泵叶轮外圆周加工四个切向出油口11(通常超高速部分流为1个出油口)，从而增大液压流量，同时又使得超高速涡轮泵适应较低供油扬程的要求。依据部分流泵流动原理，多出油口泵头设计同时还增大了超高速部分流泵的比转速(一般可增大到约70)，现有的超高速部分流泵的比转速约30-40，而本发明的部分流泵的比转速大于50小于100，是部分流泵效率峰值区间，因此多出油口泵头7也增加了泵的液压效率。除此之外，泵头装置的这种改进设计不但体积小，易于加工实现，而且还保持了整体超高速涡轮泵精巧紧凑的优势。
本发明的工作原理：
高温高压气体工质(本实例中为高温裂解煤油蒸气，压力大约为背压的4倍)由涡轮进气盖1进入，通过进气盖上4个拉法尔喷管10膨胀加速，形成具有较高背压的高速气流，冲击驱动涡轮叶片后以几乎可忽略的压降排出超高速涡轮泵，喷注到发动机燃烧室参与燃烧。被冲击的涡轮在超高速轴承5的支撑下，在泵壳体3内的涡轮腔8中高速旋转，同轴带动负载即泵叶轮6旋转，高速旋转的泵叶轮6将低压冷油工质从进油口9吸入泵腔12，在泵腔12中迅速增速增压，由多出油口泵头11排出为发动机供油，由此实现高温高压气体工质内能向燃料液压能的转化传递。

Claims (6)

1.一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，其特征在于：包括涡轮进气盖(1)，涡轮泵壳体(3)，涡轮转子(4)，轴承(5)，泵叶轮(6)，多出油口泵头(7)；壳体(3)与涡轮进气盖(1)固定连接，壳体(3)与涡轮进气盖(1)形成一空腔为涡轮腔(8)，涡轮腔(8)内安装涡轮转子(4)，涡轮转子(4)的轴通过位于壳体(3)内部两端的角接触轴承(5)支撑与壳体(3)装配一体，并能够在涡轮腔(8)内高速自由旋转；在涡轮转子(4)的轴另一端与泵叶轮(6)连接；泵叶轮(6)被多出油口泵头(7)包络，多出油口泵头(7)固定安装在壳体(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，其特征在于：所述涡轮进气盖(1)上钻有若干个进气喷管(10)。
3.根据权利要求2所述的一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，其特征在于：所述进气喷管(10)沿半径等于涡轮叶片尺寸中径的圆周等角距布局，并与涡轮旋转面倾斜成一定角度。
4.根据权利要求1所述的一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，其特征在于：所述泵叶轮(6)与多出油口泵头(7)形成泵腔(12)。
5.根据权利要求1所述的一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，其特征在于：所述多出油口泵头(7)的泵叶轮外圆周加工四个切向出油口(11)。
6.根据权利要求5所述的一种高背压大流量超高速燃料增压涡轮泵，其特征在于：泵工作运转时，液体燃料沿着轴向进油口被吸入泵腔(12)，在泵腔内被高速旋转的泵叶轮(6)迅速增速增压，然后从多个出油口(11)流出为发动机供油。
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