燃料系統增壓泵蝸殼的製作方法

2023-04-30 10:42:41 1

專利名稱：燃料系統增壓泵蝸殼的製作方法
燃料系統增壓泵蝸殼技術領域
本公開涉及飛行器噴射發動機安裝的燃料離心增壓泵，例如，特別涉及離心增壓泵蝸殼。
背景技術：
離心增壓泵通常與主燃料泵封裝在一起，主燃料泵通常是正排量齒輪泵類型，這兩者由公共軸驅動。離開增壓階段的燃料經過過濾器和燃料油換熱器，再進入主泵。壓力損失由這些部件和相關的管道系統引入，同時熱也被添加到燃料。饋給離心增壓泵的燃料通過主框架管道系統來自主框架燃料箱。燃料箱通常與周圍的大氣壓通風，或者在某些情況下，被加壓到比周圍大氣壓高几個psi。這些燃料箱設有浸沒的泵送設備，這些泵送設備在一些情況下是由電機或渦輪機驅動的軸流泵，或者在其它情況下是噴射泵，統稱為主框架增壓泵。
在飛行過程中，燃料箱內的壓力由於周圍大氣壓的自然降低而隨海拔高度逐漸減小。在正常操作狀態下，業界標準要求主框架增壓泵以高於燃料的真實蒸氣壓力最少5psi的壓力向發動機安裝的增壓泵提供不間斷的流動，並且沒有V/L (蒸氣液體比)或沒有蒸氣作為第二相存在。在異常操作下，這相當於不正常工作的主框架增壓泵，在增壓階段泵的進口處的壓力可能僅高於燃料真實蒸氣壓力2或3psi，而蒸氣可能存在從而有高達0.45或更高的V/L比。術語的定義、推薦的測試實踐、和燃料物理特徵都在例如像協調研究委員會報告 635、AIR1326、SAE ARP492、SAE ARP4024、ASTM D2779 和 ASTM D3827 的業界規定和標準中概述。
在正常或異常操作期間，要求離心增壓泵在整個飛行任務中所遇到的全部操作狀態下都在主泵入口處維持足夠的壓力，使得主泵能夠維持所要求的向燃料控制和計量單元的輸出流動和壓力從而實現連續的且不間斷的發動機運行。對允許發動機安裝的離心增壓泵所傳遞的最大壓力升高還有限制以不超過燃料油換熱器的機械壓力額定值，或者還有關於最小葉輪葉片間距的限制，使得像從維修介入遺落的螺栓之類的大雜質將通過並安全地被捕獲在下遊的過濾器中。所有這些要求以及滿足從起飛期間的大流動到飛行怠速降落期間的細流的全部流動操作範圍，並且燃料溫度從-40F變化到300F，使得發動機安裝的燃料泵的空氣動力學設計受到嚴重的挑戰。
蝸殼收集沿幾乎切線方向並且以接近葉輪尖端切線速度的高速度離開葉輪的流動，並且將其引導到泵排出埠。從泵入口到葉輪出口埠，向流體添加能量的唯一元件就是葉輪。該能量由泵驅動器在所述軸處提供。成功的泵被期望在泵排出埠處以相對低速、以高於泵入口壓力的所要求的壓力升高並以最佳可能效率傳送流動。
通常來說，葉輪自身展現出在75%和95%之間的高效率，這視在流動和運行速度方面的泵尺寸而定。離開葉輪出口埠的流動流，除了包含靜壓形式的勢能以外，還因流體流的高速度而包含相當大數量的動能。因此，為了實現整個泵的高的整體效率，蝸殼必須提供高度的壓力恢復，或者將儘可能多的動能轉換為勢能，或者靜壓。為了實現此目的，蝸殼截面沿著流動方向逐漸增大，這強迫流體流變慢，並且在此過程中，能量被恢復成壓力形式。
蝸殼由三個不同的部分構成。第一部分，其包圍葉輪出口埠，被稱為狹義蝸殼。第二部分，其通常是筆直的逐漸變細段，並具有圓形的截面，被稱為擴散器。最後的部分，其將流動從相對於葉輪軸線的法向平面轉向到軸向，被稱為出口彎曲部。對出口彎曲部的需要由給定應用的具體要求來規定。發明內容
公開的增壓泵蝸殼包括在通道的長度上分布的與流動正交的截面表面。蝸殼包括狹義蝸殼、出口彎曲部和將狹義蝸殼流體地互連到出口彎曲部的擴散器。截面表面被定義為在一組數據中闡明的尺寸，這組數據包括用於狹義蝸殼的表N-1和N-2和用於蝸殼出口彎曲部的表N-3，其中N是同一值。


參照附圖考慮下面的詳細描述時，可進一步理解本公開，附圖中: 圖1是示例燃料傳送系統的示意圖。
圖2是發動機安裝的增壓泵的截面圖。
圖3是增壓階段殼體蓋的透視圖，示出了在銑削操作中的蝸殼和工具刀具。
圖4是增壓階段中心板的視圖。這裡也示出了工具刀具。
圖5是增壓蝸殼流體體積的透視圖。
圖6是蝸殼流體體積的另一透視圖，其中畫出輪廓的區域描述了狹義蝸殼、蝸殼出口彎曲部和擴散器。
圖7A是蝸殼幾何形狀-尺寸標註方案。
圖7B是圖7A中不出的蝸殼幾何形狀-尺寸標註方案的另一方面，包括蝸殼出口彎曲部幾何形狀-尺寸標註方案。
圖8A是沿圖7A中線A-A截取的截面圖。
圖8B是沿圖7A中線B-B截取的截面圖。
圖8C是沿圖7B中的線C-C截取的截面圖。
圖9A是另一蝸殼幾何形狀_尺寸標註方案。
圖9B是圖9A中示出的蝸殼幾何形狀-尺寸標註方案的另一方面，包括蝸殼出口彎曲部幾何形狀-尺寸標註方案。
圖1OA沿圖9A中的線A-A截取的截面圖。
圖1OB是沿圖9A中線B-B截取的截面圖。
圖1OC是沿圖9B中的線C-C截取的截面圖。
圖1lA是又一個蝸殼幾何形狀-尺寸標註方案。
圖1lB是圖1lA中示出的蝸殼幾何形狀-尺寸標註方案的另一方面，包括蝸殼出口彎曲部幾何形狀-尺寸標註方案。
圖12A是沿圖1lA中線A-A截取的截面圖。
圖12B是沿圖1lA中線B-B截取的截面圖。
圖12C是沿圖1lB中線C-C截取的截面圖。
具體實施方式
在圖1中圖示了發動機安裝的燃料傳送系統的示例的示意圖，例如用於飛行器。系統10包括燃料入口 12，其在發動機機身界面處流體連接到機身管道系統。燃料藉助機身安裝的燃料泵被從飛行器燃料箱傳送到該界面。增壓泵14在將燃料提供給主泵18之前對燃料進行加壓。通常，過濾器17和換熱器16被安裝在增壓泵14和主泵18之間。來自主泵18的燃料被燃料計量單元20調節，燃料計量單元20將壓力調節後的燃料提供給發動機22。
圖2示出了示例的發動機安裝的增壓和主燃料泵的截面圖，其具有對應於軸線Z的縱軸線。在圖2中僅圖示了增壓泵14。增壓泵14包括罩覆蓋的由軸23旋轉驅動的葉輪24，軸23通常由安裝在發動機上的齒輪箱驅動。葉輪24被布置在增壓殼體蓋26和中心板28之間。前、後迷宮式密封件30、32分別密封在葉輪24和增壓殼體蓋26與中心板28之間。在示出的示例中後部側面密封件46也被提供在中心板28和葉輪24之間。
軸23鍵連接到驅動齒輪34，驅動齒輪34被聯接到並旋轉地驅動從動齒輪36。驅動齒輪浮動軸承38和驅動齒輪固定軸承40支撐驅動齒輪34。從動齒輪浮動軸承42和從動齒輪固定軸承44支撐從動齒輪36。
在操作過程中，燃料流通過入口從增壓泵殼體蓋26的最右側開口 45進入從而軸向地從左向右地流動。燃料流此後首先進入旋轉葉輪24的導流器部分53，在此處壓力被升高並且存在於混合物中的最終的空氣和蒸氣相被壓回到溶液中，使得到燃料流到達葉輪部分51時，混合物的絕大多數是液相。燃料流此後進入葉輪部分51，壓力升高的大部分發生在此處，而燃料絕對速度被大大增加。燃料流在明顯更大的壓力下並以較大的速度沿著幾乎切向方向在葉輪24的外徑出口埠或周邊62處離開葉輪24。在此位置處，流動流包含了基於實際靜壓的勢能和由於高流速的適量動能。
蝸殼的目的是逐漸捕獲這種流動流，逐步地減慢其速度並將其引導向增壓泵排出埠。通過以平滑方式減慢流動流的速度並且不產生任何漩渦，流動流的大多數動能被轉換成勢能或壓力。在增壓泵的出口埠處，以比來自增壓泵入口的壓力高很多的壓力並以通常在燃料系統管道系統中用來將燃料流傳送到系統各處的相對慢的速度將流動傳送到下遊系統。
圖5和6分別示出了蝸殼的流體區的透視圖和正視圖。蝸殼54由狹義蝸殼56、擴散器58和蝸殼出口彎曲部60組成。終端61包括出口埠 63，其通常由消費者的要求確定。通常，狹義蝸殼56在葉輪24和蝸殼54之間的最小徑向間隔處開始，並遵循圍繞葉輪周邊62的逐漸變大的截面面積發展，例如直至完整的360度。截面的形狀逐漸變化以適應空間約束並且，或者，減輕製造約束。蝸殼54內的流體流速度在擴散器58的起始處被從離開葉輪24的高切線速度逐漸減小到該速度的約一半。狹義蝸殼56和擴散器部分58之間的界面被稱作喉部。擴散器58是面積連續增加的筆直部分，在此處流體流速度被進一步減小到其在喉部處的值的一半或三分之一。蝸殼出口彎曲部60用於實現在擴散器58和泵出口埠 63之間的過渡。通常，這個部分由雙轉彎組成。
圖3和圖4示出了增壓泵蓋26和中心板28，這兩者都包含蝸殼通道的一部分。蝸殼可通過僅使用例如在四軸銑削中心上的一個刀具70而被機加工。蝸殼可被鑄造或機加工。在一個示例中，蝸殼54被正交於泵旋轉軸線(其為Z軸)的假想平面P分成兩部分。第一部分被機加工成增壓階段殼體蓋26，而第二部分被機加工在中心板28內，中心板28將增壓泵與主泵分開。在一個示例中，蝸殼54的形狀被設計成允許通過僅使用在四軸銑削機器上的一個端部銑削刀具而實現蝸殼通道的全部機加工，這減少了成本並增加的生產率。這種方法的結果是，維持了對蝸殼54的尺寸和形狀的更好的控制，以及獲得了更好的表面光潔度，這轉化為更高的效率和壓力恢復。圖7A-7B和8A-8C示出了限定蝸殼幾何形狀的典型截面。第一和第二殼體部分由增壓泵殼體蓋26和中心板28提供，並且沿著平面P相互配合，平面P垂直於葉輪24的旋轉軸線Z。狹義蝸殼56的截面在圖8A和8B中示出，並且由表N-1和N-2中的數據表示，其中N代表用於給定蝸殼的一組數據。也即，表1-1、1_2、1-3代表用於一個示例蝸殼(圖7A-8C)的數據，表2-1、2-2、2-3代表用於另一示例蝸殼(圖9A-10C)的數據，表3-1、3-2、3-3代表用於又一不例蝸殼(圖11A-12C)的數據。蝸殼54由內弧形壁72和外弧形壁74限定，內弧形壁72與外弧形壁74彼此徑向間隔開。從軸線Z的半徑「rbase」定義了內弧形壁72，並且在本公開中該半徑被提供為與葉輪外徑D2的比值(見圖2)。零度起始點對應於表中的「『0』截面編號」，並對應於狹義蝸殼56與擴散器58的相交處。表N-1和N-2中的截面被提供在「alpha」度位置處。第一和第二軸向間隔開的壁76、78與內弧形壁72和外弧形壁74毗連，從而提供大致四邊形截面。該四邊形截面的角中的一個或多個可包括半徑，這在一個示例中是0.032英寸(0.81mm)。在狹義蝸殼56的第一部分中，由圖8a中的截面A-A表示，內弧形壁72和外弧形壁74具有共同的尺寸「b」，而第一和第二軸向壁76、78具有共同的尺寸「h」。尺寸b、h在本公開中被提供為與葉輪外徑D2的比值。第二軸向壁78位於第一部分中的平面P中。在狹義蝸殼56的第二部分中，由圖8B中的截面B-B表示，提供了圓周向擴大的錐形區域。更具體地說，外弧形壁74包括尺寸「b2，而第一軸向壁_76包括尺寸「hi。」內第一弧形壁72包括第一和第二內部80、82，其中第一內部80毗連第一軸向壁76並包括尺寸「bl。」第二軸向壁78包括第一和第二軸向部分84、86，其中第一軸向部分84毗連外弧形壁74並包括尺寸「h2。」第二內部82和第二軸向部分86 —起提供相對於hi和b2的凹陷臺階，而第二軸向部分86位於平面P內。尺寸bl、b2、h1、h2在本公開中被提供為與葉輪外徑D2的比值。蝸殼出口彎曲部60由圖8C中的截面C-C圖示，其由內和外弧形壁72、74以及第一和第二軸向壁76、78提供。「OFFSET Z」對應於與平面P的沿Z方向的軸向偏移，並且是第一和第二軸向壁76、78之間的軸向中點。擴散器58由將來自狹義蝸殼56的截面0/36互連到蝸殼出口彎曲部60的「截面I」的直線限定。擴散器58中的內弧形壁72正交於在0/360截面號中獲得的平面，該平面垂直於流動方向。蝸殼出口彎曲部60中的內弧形壁72沿著半徑R位於蝸殼出口彎曲部60中，而不是在半徑「rbase」中。截面提供在在「beta」度位置處截取的截面號處。圖9A-9B和10A-10C示出了定義另一蝸殼幾何形狀的典型的截面。第一和第二軸向間隔開的壁176、178與內弧形壁172和外弧形壁174毗連，從而提供大致四邊形截面。這個四邊形截面的角中的一個或多個可包括半徑，其在一個實施例中是0.032英寸(0.81mm)。在狹義蝸殼156的第一部分中，由圖1OA中的截面A-A表示，內弧形壁172和外弧形壁174具有共同的尺寸「b」，而第一和第二軸向壁176、178具有共同的尺寸「h」。第二軸向壁178在第一部分中位於平面P中。在狹義蝸殼156的第二部分中，由圖1OB中的截面B-B表示，提供了圓周向擴大的錐形區域。更具體地說，外弧形壁174包括尺寸「b2，而第一軸向壁擾176包括尺寸「hi。」內弧形壁172包括第一和第二內部180、182，其中第一內部180毗連第一軸向壁176並包括尺寸「bl。」第二軸向壁178包括第一和第二軸向部分184、186，其中第一軸向部分184毗連外弧形壁174並包括尺寸「h2。」第一作用部分184形狀是弧形的並且由半徑181提供，在該示例中半徑181是1.250英寸(31.75mm)。第二內部182和第二軸向部分186 —起提供相對於hi和b2的凹陷臺階，並且第二軸向部分186位於平面P內。蝸殼出口彎曲部160由圖1OC中的截面C-C示出，其由內弧形壁172和外弧形壁174以及第一和第二軸向壁176、178提供。第一弧形壁176是弧形的並且由半徑187提供，半徑187在該示例中是0.125英寸(3.18mm)。「OFFSET Z」對應於與平面P的沿Z方向的軸向偏移，並且是第一和第二軸向壁176、178之間的軸向中點。擴散器158由將來自狹義蝸殼156的截面0/36互連到蝸殼出口彎曲部160的「截面I」的直線限定。擴散器158中的內弧形壁172正交於在0/360截面號中獲得的平面，該平面垂直於流動方向。蝸殼出口彎曲部160中的內弧形壁172沿著半徑R位於蝸殼出口彎曲部160中，而不是在半徑「rbase」中。截面提供在在「beta」度位置處截取的截面號處。圖11A-11B和12A-12C示出了定義另一蝸殼幾何形狀的典型的橫截面。第一和第二軸向間隔開的壁276、278與內弧形壁272和外弧形壁274毗連，從而提供大致四邊形截面。第二弧形壁274包括位於中心的圓形凹部283，其在一個示例中由0.156英寸(3.97_)的半徑提供。這個四邊形截面的角中的一個或多個可包括半徑，其在一個實施例中是0.032英寸(0.81mm)。在狹義蝸殼256的第一部分中，由圖12A中的截面A-A表示，內弧形壁272和外弧形壁274具有共同的尺寸「b」，而第一和第二軸向壁276、278具有共同的尺寸「h」。第二軸向壁278在第一部分中位於平面P中。在狹義蝸殼256的第二部分中，由圖12B中的截面B-B表示，提供了圓周向擴大的錐形區域。更具體地說，外弧形壁274包括尺寸「b2，而第一軸向壁_276包括尺寸搵「hi。」第一弧形壁272包括第一和第二內部280、282，其中第一內部280毗連第一軸向壁276並包括尺寸「bl。」第二軸向壁278包括第一和第二軸向部分284、286，其中第一軸向部分284毗連外弧形壁274並包括尺寸「h2。」第二內部282和第二軸向部分286 —起提供相對於hi和b2的凹陷臺階，而第二軸向部分286位於平面P內。第二弧形壁274維持狹義蝸殼256的第二部分中的圓形凹部285，其在一個示例中由0.156英寸(3.97mm)的半徑提供。蝸殼出口彎曲部260由圖12C中的截面C-C示出，其由內弧形壁272和外弧形壁274以及第一和第二軸向壁276、278提供。「OFFSET Z」對應於與平面P的沿Z方向的軸向偏移，並且是第一和第二軸向壁276、278之間的軸向中點。擴散器258由將來自狹義蝸殼256的截面0/36互連到蝸殼出口彎曲部260的「截面I」的直線限定。擴散器258中的內弧形壁272正交於在0/360截面號中獲得的平面，該平面垂直於流動方向。蝸殼出口彎曲部260中的內弧形壁272沿著半徑R位於蝸殼出口彎曲部260中，而不是在半徑「rbase」中。截面提供在在「beta」度位置處截取的截面號處。這個四邊形截面的角中的一個或多個可包括半徑，其在一個實施例中是0.156英寸(3.97mm)。定義了蝸殼和出口彎曲部幾何形狀的表N-1、N-2和N-3提供了根據圖7A-12C的保留四位小數的關鍵尺寸的值。在表中提供的尺寸都受到在表面輪廓方面的+ /-0.010英寸的典型製造公差的影響，這種公差已被考慮過並被認為是可接受的，從而維持了這些部件的機械和空氣動力學功能。因此，部件的機械和空氣動力學功能沒有由製造瑕疵和公差損害，這些在不同的實施例中可能比在所公開的表中公開的值更大或更小。如本領域技術人員意識到的，製造公差可被確定以實現所製造的部件相對於在所公開的表中公開的理想部件輪廓點的期望均值和標準偏離。表 1-權利要求
1.一種離心增壓泵蝸殼，其包括: 殼體，其提供在定義流體通道的蝸殼的長度上分布的與流動正交的橫截面表面，蝸殼包括狹義蝸殼、出口彎曲部和將狹義蝸殼流體互連到出口彎曲部的擴散器，橫截面表面被定義為在一組數據中闡明的尺寸，該組數據包括用於狹義蝸殼的表N-1和N-2以及用於蝸殼出口彎曲部的表N-3，其中N是同一值。
2.如權利要求1所述的離心增壓泵蝸殼，其中所述殼體由第一和第二殼體部分提供，該第一和第二殼體部分沿著平面彼此配合，所述平面位於蝸殼內。
3.如權利要求2所述的離心增壓泵蝸殼，其中第一殼體部分提供與蝸殼流體連通的中心開口。
4.如權利要求3所述的離心增壓泵蝸殼，包括布置在殼體內的葉輪，蝸殼圍繞葉輪，並且葉輪包括布置在所述開口內的導流器。
5.一種離心增壓泵，其包括: 包括中心開口的殼體； 布置在所述殼體內的蝸殼，所述蝸殼與所述中心開口流體連通，並提供在定義流體通道的蝸殼的長度上分布的與流動正交的橫截面表面，蝸殼包括狹義蝸殼、出口彎曲部和將狹義蝸殼流體互連到出口彎曲部的擴散器，橫截面表面被定義為在一組數據中闡明的尺寸，該組數據包括用於狹義蝸殼的表N-1和N-2以及用於蝸殼出口彎曲部的表N-3，其中N是同一值；以及 布置在殼體內的葉輪，葉輪包括葉輪部分和導流器部分，葉輪具有外周並且蝸殼圍繞該外周，導流器部分被設置在所述中心開口中。
6.如權利要求5所述的離心增壓泵，其中所述殼體由第一和第二殼體部分提供，該第一和第二殼體部分沿著平面彼此配合，所述平面位於蝸殼內。
7.—種製造離心增壓泵蝸殼的方法，其包括: 給殼體中的通道提供在定義流體通道的蝸殼的長度上分布的與流動正交的橫截面表面，蝸殼包括狹義蝸殼、出口彎曲部和將狹義蝸殼流體互連到出口彎曲部的擴散器，橫截面表面被定義為在一組數據中闡明的尺寸，該組數據包括用於狹義蝸殼的表N-1和N-2以及用於蝸殼出口彎曲部的表N-3，其中N是同一值。
8.如權利要求7所述的方法，其中提供步驟包括在殼體中銑削所述通道，其中所述殼體至少包括第一和第二殼體部分。
9.一種組裝離心增壓泵的方法，其包括: 圍繞著葉輪緊固第一和第二殼體部分，其中所述第一和第二殼體部分提供包圍葉輪的蝸殼，蝸殼包括在定義流體通道的蝸殼的長度上分布的與流動正交的橫截面表面，蝸殼包括狹義蝸殼、出口彎曲部和將狹義蝸殼流體互連到出口彎曲部的擴散器，橫截面表面被定義為在一組數據中闡明的尺寸，該組數據包括用於狹義蝸殼的表N-1和N-2以及用於蝸殼出口彎曲部的表N-3，其中N是同一值。
全文摘要
本發明涉及燃料系統增壓泵蝸殼。公開的離心增壓泵蝸殼包括在通道的長度上分布的與流動正交的截面表面。蝸殼包括狹義蝸殼、出口彎曲部和將狹義蝸殼流體地互連到出口彎曲部的擴散器。截面表面被定義為在一組數據中闡明的尺寸，這組數據包括用於狹義蝸殼的表N-1和N-2和用於蝸殼出口彎曲部的表N-3，其中N是同一值。
文檔編號F04D29/44GK103206411SQ20131001692
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者A.L.斯託伊塞斯庫, S.A.黑茨 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司