CN112610505A - 一种航空用直流有刷电动燃油离心泵及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空用直流有刷电动燃油离心泵及其测试方法，解决了现有航空用直流有刷电动燃油离心泵及其测试方法密封性能低的技术问题。本发明包括相连的直流有刷电机和泵壳，泵壳内设置有与直流有刷电机的电机轴相连的叶轮，所述泵壳的泵油腔与电机轴伸出的端面之间设置有至少两级油封。本发明成本低、可靠性高、结构紧凑、零部件少、体积小、重量轻、功耗低，具有良好的测试性能和良好的整机密封性和电磁兼容性。

Description

一种航空用直流有刷电动燃油离心泵及其测试方法

技术领域

本发明涉及航空发动机燃油泵的技术领域，特别是指一种航空用直流有刷电动燃油离心泵及其测试方法。

背景技术

某新型飞行器要求发动机燃油系统用燃油泵具有高可靠性和高的飞行特性适应性，采用新型的燃油系统设计以控制发动机工作。由于燃油系统有多个工作工况点，其供电电压在21V至32V区间内波动，要求具有低成本、高电磁兼容适应性，同时要求燃油泵整机重量小于1.5kg且体积尽可能小。

目前，航空航天常用的发动机燃油泵有齿轮泵、离心泵和旋板泵，旋板泵结构复杂、耐异物能力差，很难满足高可靠性要求；齿轮泵相比于离心泵易损件多、耐异物能力差，且齿轮泵出口一般必须配安全阀以保障系统出口关死时齿轮泵不憋压损坏，导致结构复杂；离心泵由于结构简单、无易损件和出口关死压力特性好等优点，能很好实现高性能燃油系统的综合要求。

目前，对于供电电压大幅波动的使用环境，为了保证离心泵转速稳定，均采用直流无刷电机驱动。但是直流无刷电机需要配备控制器，导致体积大、重量大，难以满足新型飞行器燃油系统的指标要求；直流无刷电机由于存在电子电路，对复杂严格的电磁兼容环境适应性不好，需要专门设置电路器件，导致整机电子电路可靠性不高；直流无刷电机设置的电路器件导致产品成本大幅度提高，一般无刷电机的价格是直流有刷电机价格的5至10倍。因此，现有的直流无刷电机离心泵难以满足高可靠性、低成本、小体积等要求。

为了实现高可靠性、低成本、体积小、重量轻的要求，离心泵需采用直流直流有刷电机驱动。但是直流直流有刷电机内部有碳刷，为了保证其可靠工作，燃油泵工作时，高压燃油不能渗入其中，且在21V至32V的电压波动区间，要使电机转速（在波动电压下，电机转速会在8000rpm至13000rpm波动）满足发动机燃油泵出口压力和流量需求，因此，必须突破传统的设计思路，设计新型的电动燃油离心泵整机结构来满足上述需求。即：在21V至32V的输入电压波动下，使直流有刷电动离心泵的出口压力和流量满足需求、高油压下（0.45Mpa）燃油不会通过轴颈泄露至电机内部，提高整机耐高低温、耐冲击振动、耐高空特性和高电磁兼容的综合飞行环境适应性。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种航空用直流有刷电动燃油离心泵及其测试方法，解决了现有航空用直流有刷电动燃油离心泵及其测试方法密封性能低的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种航空用直流有刷电动燃油离心泵，包括相连的直流有刷电机和泵壳，泵壳内设置有与直流有刷电机的电机轴相连的叶轮，所述泵壳的泵油腔与电机轴伸出的端面之间设置有至少两级油封。

进一步地，所述泵壳的泵油腔与电机轴从直流有刷电机伸出的端面之间设置有一级油封和二级油封，一级油封为耐高压径向油封，所述二级油封为辅助径向油封，耐高压径向油封位于辅助径向油封与叶轮之间。

进一步地，所述直流有刷电机和泵壳通过转接筒相连，所述一级油封设置在转接筒的内壁与电机轴的外壁之间，一级油封背离叶轮的一侧设置有弹性挡圈。

进一步地，所述直流有刷电机的轴伸端设置有安装槽，安装槽内设置所述二级油封。

进一步地，所述转接筒包括左段和右段，直流有刷电机的轴伸端设置有卡接左段的外壁的左凹槽，泵壳内设置有卡接右段的外壁的右凹槽，左段的左端面顶接在左凹槽的底部，右段的右端面顶接在右凹槽的底部。

进一步地，所述转接筒包括左段和右段之间的中间段，中间段夹持在直流有刷电机与泵壳的连接端面之间，中间段的左端面与直流有刷电机之间、中间段的右端面与泵壳之间均设置有密封圈。

进一步地，所述左段的内径大于右段的内径，所述一级油封设置在左段的内壁与电机轴的外壁之间，所述叶轮的安装座的外壁与右段的内壁间隙配合。

进一步地，所述电机轴为阶梯轴，叶轮的安装座的底部与阶梯轴的轴肩之间设置调整垫片，叶轮通过平键与电机轴周向固定，电机轴的端部设置有轴向固定叶轮的压紧螺母，压紧螺母的旋进方向与电机轴旋转方向相反。

进一步地，所述直流有刷电机的尾部设置有电机后盖，电机后盖内设置有测速尾轴。

一种航空用直流有刷电动燃油离心泵的测试方法，所述直流有刷电机的电刷磨合到量后，直流有刷电机的各个零件装配完成后，在电机专用测试台上进行测试，扭矩仪加载到电机轴上测试直流有刷电机的输出扭矩，用测速仪对正测速尾轴测试直流有刷电机的输出转速，当输出扭矩和输出转速不满足要求时，调整电机内部参数直至满足要求；测试合格的直流有刷电机与泵壳装配完成，接于燃油试验系统，燃油从吸油口进入泵油腔，从出油口输出一定压力和流量的燃油，给直流有刷电机接通直流电源，将直流电源的电压调到指定值，拧掉电机后盖，调节吸油口压力值和出口加载阀以控制流量到指定值，用测速仪测直流有刷电机的测速尾轴，得到电机转速，并记录电流，用此值优化电机设计、装配和检验参数。

本发明的有益效果包括：

1.低成本：采用直流有刷电机电动离心泵设计，使飞行器燃油泵成本降低为不到原来的1/3，很好地适应低成本批量使用。

2.高可靠性：相比于同类的有刷电动燃油泵，该设计具有结构简单、摩擦副易损件少、便于使用维护等优点，不会发生运转机械故障。相比于容积式燃油泵，该设计对于泵出口突然关死适应性好，不会出现压力急剧升高造成产品过载损坏的风险，同时该设计纳污能力强，不会出现污物卡死风险。该设计采用两道径向油封冗余设计，可以保证泵内高压燃油（最高0.45Mpa）不会进入电机内部，提高产品可靠性。

3.体积小、重量轻和功耗低：该产品在满足航空发动机燃油系统技术指标前提下，总质量不大于1.5kg，总体积不大于61 mm *103 mm *166mm，很好地适应了航空航天领域对零部件体积、重量的苛刻要求。采用双径向油封冗余设计，摒弃传统的高扬程离心泵采用机械密封的设计，极大地降低了功耗，满足机载电源设备节能需求，同时相比机械密封，径向油封的结构尺寸和重量大大缩小。

4.良好的测试性能：飞行器供电电源为低压直流电，电压波动范围21V至32V，为了满足大的电压波动下直流有刷电机工作转速波动和叶轮结构参数适应，以输出系统要求的流量和压力，设计电机尾轴在泵连燃油系统实验中实时测速，根据实验值调整电机单机试验转速参数，保证批量生产时检验过的电机与泵装配一次装系统试验合格。

5.电机与泵体的结构和性能一体化设计：零部件少，结构简单，电机轴作为叶轮主轴，使结构紧凑。电机性能参数与泵体结构参数一体化设计和高的一致性，以满足21V至32V波动电压下泵出口压力和流量满足要求，电机采用一致性极高的磁钢材料，严控零件精度以保证电机性能参数一致性；离心泵泵壳、半开式叶轮为了保证结构参数一致性和轻量化高强度要求，采用高强度材料通过数控机械加工方法保证。并通过调整垫片微调离心泵叶轮叶顶间隙，调节离心泵出口压力和流量。

6.良好的整机密封性和电磁兼容性：离心泵泵体与电机采取可靠的端面密封圈密封，电机机体和电缆采用全密封设计，并且电机本体、电缆和航插采用屏蔽层设计以提高整机的电磁兼容性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的轴测图；

图2为图1中A-A面剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种航空用直流有刷电动燃油离心泵，如图1和图2所示，包括可拆卸连接有直流有刷电机9和泵壳1，泵壳1内设置有与直流有刷电机9的电机轴相连的叶轮2。所述电机轴为阶梯轴，阶梯轴上安装有叶轮2，叶轮2的安装座套设在阶梯轴的轴肩上且通过平键与阶梯轴周向固定，安装座的底部与阶梯轴的轴肩之间设置调整垫片5，阶梯轴的端部设置有轴向固定叶轮2的压紧螺母3，叶轮1与泵壳9的叶顶间隙通过调整垫片5进行调整，以实现离心泵性能的微调。压紧螺母3的旋进方向与电机轴旋转方向相反，叶轮高速旋转会使压紧螺母自旋紧，保证叶轮牢固地固定在电机输出轴的轴肩上。

所述直流有刷电机9和泵壳1之间通过转接筒4相连，转接筒4包括左段和右段及左段和与段之间的中间段。直流有刷电机9的轴伸端设置有卡接左段的外壁的左凹槽，泵壳1内设置有卡接右段的外壁的右凹槽，左段的左端面顶接在左凹槽的底部，右段的右端面顶接在右凹槽的底部。中间段夹持在直流有刷电机9与泵壳1的连接端面之间，中间段的左端面与直流有刷电机9之间、中间段的右端面与泵壳1之间均设置有密封圈11。

所述左段的内径大于右段的内径，左段的内壁与电机轴的外壁之间设置有一级油封，所述叶轮2的安装座的外壁与右段的内壁间隙配合。所述直流有刷电机9的轴伸端设置有安装槽，安装槽内设置有二级油封。即一级油封位于二级油封和叶轮2之间，且一级油封和二级油封实现对泵油腔与直流有刷电机9的隔离。

具体地，所述一级油封为耐高压径向油封6，所述二级油封为辅助径向油封8，耐高压径向油封6的耐压范围大于辅助径向油封8的耐压范围。一级油封背离叶轮2的一侧设置有弹性挡圈7，弹性挡圈7用于对耐高压径向油封6进行支撑。

本发明的工作原理为：直流有刷电机9带动叶轮2高速旋转，叶轮2将燃油加速后甩入泵壳1的蜗旋流道，压紧螺母3螺纹旋向与叶轮3转速反向，叶轮3高速旋转会使压紧螺母3自旋紧，保证叶轮2牢固地固定在输出轴的轴肩上，叶轮2中心油液被甩出形成真空，吸油口14油液被吸入并被叶轮2做功加速，甩入泵壳1蜗旋流道的油液滞止，转化为静压能，从出油口15输出一定压力和流量的燃油。从出油口15的高压燃油会通过叶轮2背面缝隙作用在耐高压径向油封6，在恶劣工况即使泄露一点燃油，会被辅助径向油封8阻挡，泄露至二级油封的燃油没有油压，能很好被阻隔，保证电机内部不进油。此外，这两级油封均为特制件，密封性和耐磨性好，密封旋转摩擦功耗小，能耐受-45℃至100℃以上的恶劣工况。

实施例2，一种航空用直流有刷电动燃油离心泵，所述直流有刷电机9的尾部设置有电机后盖12，电机后盖12内设置有测速尾轴13，用于测试优化。

本实施例的其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种航空用直流有刷电动燃油离心泵的测试方法，所述直流有刷电机的电刷磨合到量后，直流有刷电机的各个零件装配完成后，在电机专用测试台上进行测试，扭矩仪加载到电机轴上测试直流有刷电机9的输出扭矩，用测速仪对正测速尾轴12测试直流有刷电机9的输出转速，当输出扭矩和输出转速不满足要求时，调整电机内部参数直至满足要求；测试合格的直流有刷电机与泵壳装配完成，接于燃油试验系统，燃油从吸油口14进入泵油腔，从出油口15输出一定压力和流量的燃油，给直流有刷电机9接通直流电源，将直流电源的电压调到指定值，拧掉电机后盖12，调节吸油口14压力值和出口加载阀以控制流量到指定值，用测速仪测直流有刷电机9的测速尾轴，得到电机转速，并记录电流，用此值优化电机设计、装配和检验参数。

本实施例的他结构与实施例2相同。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空用直流有刷电动燃油离心泵，包括相连的直流有刷电机（9）和泵壳（1），其特征在于：所述泵壳（1）内设置有与直流有刷电机（9）的电机轴（10）相连的叶轮（2），泵壳（1）的泵油腔与电机轴（10）伸出的端面之间设置有至少两级油封。

2.根据权利要求1所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述泵壳（1）的泵油腔与电机轴（10）从直流有刷电机（9）伸出的端面之间设置有一级油封和二级油封，一级油封为耐高压径向油封（6），所述二级油封为辅助径向油封（8），耐高压径向油封（6）位于辅助径向油封（8）与叶轮（2）之间。

3.根据权利要求2所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述直流有刷电机（9）和泵壳（1）通过转接筒（4）相连，所述一级油封设置在转接筒（4）的内壁与电机轴（10）的外壁之间，一级油封背离叶轮（2）的一侧设置有弹性挡圈（7）。

4.根据权利要求3所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述直流有刷电机（9）的轴伸端设置有安装槽，安装槽内设置所述二级油封。

5.根据权利要求3或4所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述转接筒（4）包括左段和右段，直流有刷电机（9）的轴伸端设置有卡接左段的外壁的左凹槽，泵壳（1）内设置有卡接右段的外壁的右凹槽，左段的左端面顶接在左凹槽的底部，右段的右端面顶接在右凹槽的底部。

6.根据权利要求5所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述转接筒（4）包括左段和右段之间的中间段，中间段夹持在直流有刷电机（9）与泵壳（1）的连接端面之间，中间段的左端面与直流有刷电机（9）之间、中间段的右端面与泵壳（1）之间均设置有密封圈（11）。

7.根据权利要求6所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述左段的内径大于右段的内径，所述一级油封设置在左段的内壁与电机轴（10）的外壁之间，所述叶轮（2）的安装座的外壁与右段的内壁间隙配合。

8.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述电机轴（10）为阶梯轴，叶轮（2）的安装座的底部与阶梯轴的轴肩之间设置调整垫片（5），叶轮（2）通过平键与电机轴（10）周向固定，电机轴（10）的端部设置有轴向固定叶轮（2）的压紧螺母（3），压紧螺母（3）的旋进方向与电机轴（10）旋转方向相反。

9.根据权利要求8所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵，其特征在于：所述直流有刷电机（9）的尾部设置有电机后盖（12），电机后盖（12）内设置有测速尾轴（13）。

10.根据权利要求9所述的航空用直流有刷电动燃油离心泵的测试方法，其特征在于：所述直流有刷电机的电刷磨合到量后，直流有刷电机的各个零件装配完成后，在电机专用测试台上进行测试，扭矩仪加载到电机轴（10）上测试直流有刷电机（9）的输出扭矩，用测速仪对正测速尾轴（12）测试直流有刷电机（9）的输出转速，当输出扭矩和输出转速不满足要求时，调整电机内部参数直至满足要求；测试合格的直流有刷电机与泵壳装配完成，接于燃油试验系统，燃油从吸油口（14）进入泵油腔，从出油口（15）输出一定压力和流量的燃油，给直流有刷电机（9）接通直流电源，将直流电源的电压调到指定值，拧掉电机后盖（12），调节吸油口（14）压力值和出口加载阀以控制流量到指定值，用测速仪测直流有刷电机（9）的测速尾轴，得到电机转速，并记录电流，用此值优化电机设计、装配和检验参数。

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