CN111779678A - 一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，包括两相流循环泵和一体式屏蔽电机；两相流循环泵包括泵壳、两相流叶轮、轴端螺母；泵壳内部安装两相流叶轮，两相流叶轮前端通过轴端螺母压紧；两相流叶轮与一体式屏蔽电机的电机轴的端部连接，两相流叶轮入口周围开有回流孔；一体式屏蔽电机采用全屏蔽结构，保证电机定子与转子组件隔离；气液两相流工质经过泵壳入口进入，通过两相流叶轮增压后，其中一部分通过泵壳出口流出，一部分经过两相流叶轮背后间隙进入一体式屏蔽电机内部并通过电机轴的中心孔回流至两相流叶轮入口形成循环，同时，还有一部分通过回流孔回流至两相流叶轮入口处。本发明具有轻质、长寿命、高可靠性，低噪音和振动的特点。

Description

一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵

技术领域

本发明属于温控循环泵技术领域，涉及一种循环泵。

背景技术

空间两相流体回路热控系统是利用工质在循环流动过程中的蒸发吸热和冷凝放热过程，进行热量收集、输运的热控系统。两相流体回路温控系统相比单相流体回路具有换热效率高、系统结构简单、控温点一致等优势。两相流体回路温控技术已经成为未来空间温控领域研究热点问题，引起国内外专家广泛关注。

常规循环泵仅适用与单相流体回路温控系统。当两相流系统中随着工质含气量增加，单相流体回路泵性能会急速下降，甚至发生损坏。根据前期研究情况可知，气液两相流造成泵性能下降的主要原因是气泡滞留在叶轮内部造成叶轮流道阻塞。

对于常规地面采用机械密封、填料密封的循环泵来说不可避免的存在轴封泄露的问题，而这种泄露在空间温控领域是不可接受的。因为泵在空间真空环境会加速工质的泄露，同时咋空间使用循环泵无法进行维修和更换，因此对密封性要求极高。

泵作为温控系统唯一动力源，其性能优劣直接影响两相流体回路温控系统的调节能力。但微小型两相离心泵，国内外尚未有成熟的设计方法。因此，研究泵多相流动机理、解决离心泵气液两相流流动稳定性问题和改善泵工作性能，具有重要的研究意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，适合航天器气液两相流体回路用，具有轻质、长寿命、高可靠性，低噪音和振动的特点，以克服常规单向流体回路泵在两相流系统中应用的难题，从而提高泵在两相流系统应用的稳定性。

本发明所采用的技术方案是：一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，包括两相流循环泵和一体式屏蔽电机；两相流循环泵包括泵壳、两相流叶轮、轴端螺母；泵壳通过法兰与一体式屏蔽电机连接，泵壳内部安装两相流叶轮，两相流叶轮前端通过轴端螺母压紧；两相流叶轮与一体式屏蔽电机的电机轴的端部连接，两相流叶轮入口周围开有回流孔；一体式屏蔽电机采用全屏蔽结构，保证电机定子与转子组件隔离；气液两相流工质经过泵壳入口进入，通过两相流叶轮增压后，其中一部分通过泵壳出口流出，一部分经过两相流叶轮背后间隙进入一体式屏蔽电机内部并通过电机轴的中心孔回流至两相流叶轮入口形成循环，同时，还有一部分通过回流孔回流至两相流叶轮入口处。

一体式屏蔽电机包括屏蔽套筒、电机定子、转子组件、前轴承、后轴承、转速传感器、轴承压盖、电机外壳及电连接器；转子组件包括磁钢、磁钢外套、电机轴；

电机轴为阶梯轴，沿中心轴开有中心孔，前后阶梯处分别安装前轴承、后轴承，中间部分安装磁钢，磁钢外部安装磁钢外套；电机轴尾部安装转速传感器用于检测电机转速；

屏蔽套筒为一端开口的金属套，其外部安装电机定子，内部安装转子组件，屏蔽套筒与磁钢外套之间存在间隙用于气液两相流工质通过；屏蔽套筒开口端安装轴承压盖压紧前轴承；电机定子外部安装电机外壳，电机外壳一端与屏蔽套筒端部连接，电机外壳另一端安装电连接器。

泵壳和电机壳体连接，泵壳在沿电机轴方向上设置泵壳入口，在与电机轴垂直方向上设置泵壳出口。

两相流循环泵还包括调整垫，前轴承两侧各安装一个调整垫用于调整两相流叶轮与泵壳之间的间隙。

两相流叶轮采用半开式及长短叶片复合叶轮。

两相流循环泵还包括密封圈；泵壳和电机壳体之间采用双道密封圈进行密封。

前轴承采用全陶瓷结构。

后轴承采用全陶瓷结构。

两相流叶轮采用较大的叶片出口角，叶片出口角的取值范围为30°～60°。

两相流叶轮进口宽度为单向流叶轮的1.2倍。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明中两相流叶轮采用较大的叶片出口角，可以一定程度的提高泵扬程；同时适当增加叶轮进口宽度，防止气体堵塞流道；通过在叶轮盖板上开设的回流孔的方式，将叶轮出口的高压流体引回叶轮内防止气体在叶轮内聚集。经过两相流优化设计后泵在含气量20％是性能明显提升。

(2)本发明采用一体式屏蔽电机、保证泵与外界完全隔绝，特别适用于真空系统，同时其无轴封，可以做到绝对无泄漏。两相流循环泵氦气检漏＜10^-7Pa·m³/s完全满足空间长时间使用的要求。

(3)本发明采用正循环内冷却方式进行电机冷却和轴承润滑。通过引一股叶轮背后高压流体进入电机内部，经过电机前轴承、定子组件和转子之间间隙、后轴承然后经过电机轴中心孔回到叶轮入口形成循环。通过此种内循环的冷却方式达到电机散热和轴承冷却的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的两相流转子组件示意图；

图3为本发明的两相流泵开发流程示意图；

图4为本发明与现有单向流体循环泵相比的结果对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

如图1～3所示，一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵：包括两相流循环泵和一体式屏蔽电机。两相流循环泵包括泵壳1、两相流叶轮2、轴端螺母3、调整垫4、密封圈5；一体式屏蔽电机包括屏蔽套筒12、电机定子11、转子组件19、前轴承14、后轴承15、转速传感器13、轴承压盖16、电机外壳17及电连接器18。转子组件19包括磁钢9、磁钢外套10、电机轴8。

两相流循环泵采用加大流量法和两相流工况优化分析的联合设计方法，从而保证超低比转速离心泵尽量提高效率的同时也能具有两相流适应。两相流循环泵通过特殊的两相流叶轮2的结构设计可以保证一定含气量的两相流工质顺利通过，不再叶轮内部产生聚集和堵塞的现象。

两相泵泵壳1通过法兰与电机通过螺钉连接，泵壳1和电机中间采用密封圈进行密封。泵壳1内部安装两相流叶轮2，两相流叶轮2前端通过轴端螺母3压紧。两相流叶轮2通过键与电机轴8连接。

一体式屏蔽电机采用一体式全屏蔽设计，保证电机定子11与转子组件19完全隔离。此种无需机械动密封结构，整体结构简单、两相流适用性强、可靠性高、无泄漏。

电机轴8加工成阶梯状，电机轴8沿中心轴开有中心孔，前后阶梯处分别安装前轴承14、后轴承15，中间部分安装转子磁钢9，磁钢9外部安装磁钢外套10。前轴承14、后轴承15采用全陶瓷结构。前轴承14前后各安装一个调整垫4用于调整两相流叶轮2与泵壳1之间的间隙。电机轴8尾部安装转速传感器13用于检测电机转速。

屏蔽套筒12为一端开口的金属套，其外部为电机定子11，内部为转子组件19，屏蔽套筒12一端安装轴承压盖16压紧前轴承14。电机定子11外部安装电机外壳17，电机外壳17一端通过螺钉与屏蔽套筒12连接。电机外壳17外部安装电连接器18。转子组件19和电机定子11通过屏蔽套筒12进行隔离并在屏蔽套筒12与转子组件19之间形成间隙用于冷却介质通过。

泵壳1通过螺钉7和垫片6和电机壳体17连接。泵壳1和电机壳体17之间采用双道密封圈5进行密封。

两相流叶轮2采用半开式及长短叶片复合叶轮，入口附近开有回流孔20，其作用是可以将叶轮后部高压流体回流至叶轮入口处，从而将此处聚集气体冲散，避免气体堵塞叶轮。两相流叶轮2采用较大的叶片出口角，叶片出口角的取值范围为30°～60°。两相流叶轮2进口宽度为单向流叶轮的1.2倍。

本发明的循环泵工作原理是通过电机带动两相流叶轮2高速旋转，通过两相流叶轮2对工质做功从而提高工质压力。具体工作过程结合图1所示，工作时，气液两相流工质(气液两相流工质为液氨)经过泵壳入口21进入，通过两相流叶轮2增压后，绝大部分通过泵壳出口22流出，其中一小部分经过两相流叶轮2背后间隙进入电机内部，通过前轴承14、屏蔽套筒12和转子组件19之间的间隙、经过后轴承15后通过电机轴8中心孔回流至两相流叶轮2入口形成循环1。循环1的作用是通过工质的循环进行电机和轴承的冷却，同时可以起到一定的轴承润滑的功能。同时还有一部分经过两相流叶轮2增压的高压工质(此部分工质经过增压后大部分为液相)，通过两相流叶轮2回流孔20回流至两相流叶轮2入口处，经回流孔20进入叶轮流道的流体对流道内流体的流动具有一定的影响，在阻止气液两相流形成泡状流方面起到重要作用。这是因为叶轮流道内的流体和从回流孔20进入的回流这两股流体的运动方向相反，且回流流体速度较大，在这一区域形成冲击造成的。这就为剪碎流体中的较大气泡创造了有利条件。由以上分析可知在叶轮盖板上开设回流孔20的方法对于改善离心泵叶轮内的气液两相流问题是有效可行的。

图4为本发明与现有单向流体循环泵相比的结果对比图。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，包括两相流循环泵和一体式屏蔽电机；两相流循环泵包括泵壳(1)、两相流叶轮(2)、轴端螺母(3)；泵壳(1)通过法兰与一体式屏蔽电机连接，泵壳(1)内部安装两相流叶轮(2)，两相流叶轮(2)前端通过轴端螺母(3)压紧；两相流叶轮(2)与一体式屏蔽电机的电机轴(8)的端部连接，两相流叶轮(2)入口周围开有回流孔(20)；一体式屏蔽电机采用全屏蔽结构，保证电机定子(11)与转子组件(19)隔离；气液两相流工质经过泵壳入口(21)进入，通过两相流叶轮(2)增压后，其中一部分通过泵壳出口(22)流出，一部分经过两相流叶轮(2)背后间隙进入一体式屏蔽电机内部并通过电机轴(8)的中心孔回流至两相流叶轮(2)入口形成循环，同时，还有一部分通过回流孔(20)回流至两相流叶轮(2)入口处。

2.根据权利要求1所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，一体式屏蔽电机包括屏蔽套筒(12)、电机定子(11)、转子组件(19)、前轴承(14)、后轴承(15)、转速传感器(13)、轴承压盖(16)、电机外壳(17)及电连接器(18)；转子组件(19)包括磁钢(9)、磁钢外套(10)、电机轴(8)；

电机轴(8)为阶梯轴，沿中心轴开有中心孔，前后阶梯处分别安装前轴承(14)、后轴承(15)，中间部分安装磁钢(9)，磁钢(9)外部安装磁钢外套(10)；电机轴(8)尾部安装转速传感器(13)用于检测电机转速；

屏蔽套筒(12)为一端开口的金属套，其外部安装电机定子(11)，内部安装转子组件(19)，屏蔽套筒(12)与磁钢外套(10)之间存在间隙用于气液两相流工质通过；屏蔽套筒(12)开口端安装轴承压盖(16)压紧前轴承(14)；电机定子(11)外部安装电机外壳(17)，电机外壳(17)一端与屏蔽套筒(12)端部连接，电机外壳(17)另一端安装电连接器(18)。

3.根据权利要求2所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，泵壳(1)和电机壳体17连接，泵壳(1)在沿电机轴(8)方向上设置泵壳入口(21)，在与电机轴(8)垂直方向上设置泵壳出口(22)。

4.根据权利要求3所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，两相流循环泵还包括调整垫(4)，前轴承(14)两侧各安装一个调整垫(4)用于调整两相流叶轮(2)与泵壳(1)之间的间隙。

5.根据权利要求4所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，两相流叶轮(2)采用半开式及长短叶片复合叶轮。

6.根据权利要求5所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，两相流循环泵还包括密封圈(5)；泵壳(1)和电机壳体17之间采用双道密封圈(5)进行密封。

7.根据权利要求6所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，前轴承(14)采用全陶瓷结构。

8.根据权利要求7所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，后轴承(15)采用全陶瓷结构。

9.根据权利要求8所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，两相流叶轮(2)采用较大的叶片出口角，叶片出口角的取值范围为30°～60°。

10.根据权利要求9所述的一种应用于空间两相流系统的超低比转速循环泵，其特征在于，两相流叶轮(2)进口宽度为单向流叶轮的1.2倍。

Images