專利名稱：燃料系統(tǒng)離心增壓泵葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及飛行器噴射發(fā)動機安裝的離心燃料增壓泵，例如，特別涉及葉輪葉片。
背景技術(shù)：
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(qū)動。離開增壓階段的燃料經(jīng)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(guān)的管道系統(tǒng)引入，同時熱也被添加到燃料。饋給增壓泵的燃料通過主框架管道系統(tǒng)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幾個PSi。這些燃料箱設(shè)有浸沒的泵送設(shè)備，這些泵送設(shè)備在一些情況下是由電機或渦輪機驅(qū)動的軸流泵，或者在其它情況下是噴射泵，統(tǒng)稱為主框架增壓泵。在飛行過程中，燃料箱內(nèi)的壓力由于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(tài)下，業(yè)界標準要求主框架增壓泵以高于燃料的真實蒸氣壓力最少5psi的壓力向發(fā)動機安裝的增壓泵提供不間斷的流動，并且沒有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，這相當于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于燃料真實蒸氣壓力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(shù)語的定義、推薦的測試實踐、和燃料物理特征都在例如像協(xié)調(diào)研究委員會報告 635、AIR1326、SAE ARP492、SAE ARP4024、ASTM D2779 和 ASTM D3827 的業(yè)界規(guī)定和標準中概述。在正常或異常操作期間，要求增壓泵在整個飛行任務(wù)中所遇到的全部操作狀態(tài)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(xiàn)連續(xù)的且不間斷的發(fā)動機運行。對允許發(fā)動機安裝的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(guān)于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(zhì)將通過并安全地被捕獲在下游的過濾器中。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范圍，并且燃料溫度從-40F擺動到300F，使得發(fā)動機安裝的燃料泵的空氣動力學設(shè)計受到嚴重的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)由下游主燃料泵和燃料計量系統(tǒng)所要求的壓力升高以及也為了能夠在異常操作期間所遇到的極端低抽吸條件下運行，增壓泵葉輪設(shè)有徑向葉片部分并設(shè)有在其上游的軸向葉片部分。徑向葉片部分通常被稱為葉輪葉片部分，而軸向葉片部分被稱為導流器葉片部分。導流器的主要功能是即使在由異常操作(其中主框架增壓泵不能正常工作)強加的低抽吸條件下也能在葉輪徑向部分入口處維持令人滿意的壓力和流動狀態(tài)。用于正常發(fā)動機運行的最小所要求的供應(yīng)壓力和交互階段燃料油換熱器的壓力額定值極限所要求的最大所允許的排放壓力之間的差距通常非常窄，使得僅在第一單元通過設(shè)計和開發(fā)測試之后才能確定最終設(shè)計。主要控制泵壓力升高的葉輪直徑，在初始設(shè)計中被有意地設(shè)置為略微較大的值，該單元被建立并測試后，并且最終該葉輪直徑被修整為其最終值以匹配由所述要求所強加的所有約束。

發(fā)明內(nèi)容
公開的增壓泵導流器部分包括多個主葉片，和多個分流葉片，主葉片和分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面。橫截面被定義為相對于葉輪外徑的一組圓柱形R-坐標、theta-坐標和Z-坐標，其公開在一組表TABLE N-1和TABLE N-2中，其中N是相同值。公開的增壓泵葉輪部分包括多個主葉片、多個主分流葉片和多個次分流葉片，主葉片、主分流葉片和次分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面。橫截面被定義為相對于葉輪外徑的一組圓柱形R-坐標、theta-坐標和Z-坐標，其公開在一組表TABLE N-3、TABLE N_4和TABLE N_5中，其中N是相同值。


當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(tǒng)的示意圖。圖2是發(fā)動機安裝的增壓泵的截面圖。圖3是增壓階段葉輪的透視圖。圖4是增壓階段葉輪的正視圖，其中前罩被移除。圖5是增壓階段葉輪的透視圖，其中前罩被移除。圖6是增壓階段葉輪的側(cè)視圖。圖7是增壓階段葉輪的側(cè)視截面圖。圖8是葉輪葉片的正視圖，示出了限定截面的幾何結(jié)構(gòu)。圖9是穿過葉片的截面圖，其圖示了本公開的坐標系。
具體實施例方式在圖1中圖示了發(fā)動機安裝的燃料傳送系統(tǒng)的示例的示意圖，例如用于飛行器。系統(tǒng)10包括燃料入口 12，其在發(fā)動機機身界面處流體連接到機身管道系統(tǒng)。燃料借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(diào)節(jié)，燃料計量單元20將壓力調(diào)節(jié)后的燃料提供給發(fā)動機22。圖2示出了示例的發(fā)動機安裝的增壓和主燃料泵的截面圖，其具有對應(yīng)于軸線Z的縱軸線。在圖2中僅圖示了增壓泵14。增壓泵14包括帶有罩的由軸23旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的葉輪24，軸23通常由安裝在發(fā)動機上的齒輪箱驅(qū)動。葉輪24被布置在增壓殼體蓋26和中心板28之間。前、后迷宮式密封件30、32分別密封在葉輪24和增壓殼體蓋26與中心板28之間。在示出的示例中后部側(cè)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(qū)動齒輪34，驅(qū)動齒輪34被聯(lián)接到并旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動從動齒輪36。驅(qū)動齒輪浮動軸承38和驅(qū)動齒輪固定軸承40支撐驅(qū)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(cè)開口 45進入從而軸向地從左向右地流動。燃料流此后首先進入旋轉(zhuǎn)葉輪24的導流器部分53，在此處壓力被升高并且存在與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(shù)是液相。燃料流此后進入葉輪部分51，壓力升高的大部分發(fā)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并以較大的速度沿著幾乎切向方向在葉輪24的外徑出口端口或周邊62處離開葉輪24。在此位置處，流動流包含了基于實際靜壓的勢能和由于高流速的適量動能。圖3-6示出樂樂葉輪24的各種視圖，其是鑄造的或機加工的。通常，機加工的葉輪在本實例中由兩個部件提供，轂50和罩48。導流器和葉輪葉片直接在轂中被機加工以形成單件。罩48被單獨地機加工并通過銅焊附接到轂50。在葉輪24通過螺紋安裝到驅(qū)動軸上的情況中，罩48設(shè)有幾個凹口作為扳緊特征。葉輪部分51具有三組葉片，一組主葉片52、一組主分流葉片54和一組次分流葉片56。在一個示例中，有五個主葉片52、五個主分流葉片54和十個次分流葉片56。在該示例中，這些葉片的外端在周邊62處彼此沿周向均勻間隔開。典型的葉輪葉片通過在葉片的前緣處以一定入射角接合來流并沿著其長度將該來流一直高效地且不產(chǎn)生漩渦或流動分離地引導到周邊62處的葉輪出口端口而工作。流體流被一連串的葉片迫使成與縱向和徑向運動組合的復雜旋轉(zhuǎn)運動。由被強迫的流體運動引入的離心力和Coriolis力的慣性效應(yīng)給流體中施加壓力。葉輪部分51由如圖4中所示的三個區(qū)域R1、R2、R3的幾何形狀部分地實現(xiàn)了期望的流體特征，其中Rl被周向地提供在主葉片52之間并在主分流葉片54上游，R2被周向地提供在52和主分流葉片54之間，而R3被周向地提供在主分流葉片54和次分流葉片56之間。抵抗著流體行進的葉片表面在壓力側(cè)發(fā)展更高的壓力，而在葉片的相對側(cè)上在抽吸側(cè)上建立低壓。葉片形狀和長度向流體施加了所要求量的功，且粘性阻力最小并且沒有引入漩渦或流動分離。導流器部分53具有兩組葉片，一組導流器主葉片58和一組導流器分流葉片60。導流器部分53是軸向的而不是像葉輪部分51 —樣是幾乎徑向的。流體流的引導和在導流器部分葉片和流體之間的能量傳輸機制類似于在葉輪部分51中所遇到的那些，除了計算是基于兩相混合物以外。混合物包含了液相和氣相，其中氣相包含了空氣和燃料蒸氣。從開口 45開始，壓力由于導流器部分葉片施加的功而逐漸升高，并且因此以氣相存在的蒸氣和空氣被壓回到溶液中。導流器部分中的轂形狀被設(shè)計成提供朝向入口的更大的容積，在入口處兩相混合物的比容最小。參照圖7，第一導流器主葉片58在內(nèi)徑Dl處開始并且徑向地向外向著外徑D4延伸。葉輪主葉片52開始于內(nèi)徑D3處，如圖8中所示，并且徑向地向外向著外徑D2延伸，夕卜徑D2對應(yīng)于周邊62。在一個示例中，D4和D3彼此大約相等。圖8示出了葉輪葉片的正視圖以及定義葉片幾何形狀的截面。葉片厚度沿著葉片并且從轂到罩地以線性遞進方式變化。結(jié)果，每個截面具有矩形形狀并且由四個角點的數(shù)值坐標定義，如下參照圖9所解釋的。通常，通過每個葉片的截面對應(yīng)于位于特定角度“theta”的“站號”，參見表中。用于表1-3中數(shù)據(jù)的葉輪主葉片52的站在圖8中示出。對于葉輪主葉片52，第一組數(shù)據(jù)對應(yīng)于截面Mi并且繼續(xù)到最后一組數(shù)據(jù)，Mo。類似地，對于主分流葉片54，第一組數(shù)據(jù)對應(yīng)于截面Pi并且繼續(xù)到最后一組數(shù)據(jù)，Po ;對于次分流葉片56，第一組數(shù)據(jù)對應(yīng)于截面Si并且繼續(xù)到最后一組數(shù)據(jù)，So。使用不同數(shù)量的截面來定義給定的葉片，這由表中的數(shù)據(jù)明顯示出。用于生成葉片的幾何形狀的所有截面的坐標列在圓柱形坐標系中，其與葉輪和泵軸線對齊。每個截面的四個角點都是基于它們的物理位置的轂壓力側(cè)、轂抽吸側(cè)、罩壓力偵U、和罩抽吸側(cè)。葉片的最終形狀由構(gòu)成葉片的全部截面的對應(yīng)點之間的三次樣條插值得至|J。定義導流器葉片和葉輪葉片的葉片坐標表在TABLE N-1到N-5下被列出，其中N代表值并且相同的值代表用于給定葉輪24的一組數(shù)據(jù)。S卩，表1-1，1-2，1-3，1-4，1-5代表用于一個示例葉輪的數(shù)據(jù)；表2-1，2-2，2-3，2-4，2-5代表用于另一個示例葉輪的數(shù)據(jù)；表3_1，3-2，3-3，3-4，3-5代表用于又一個示例葉輪的數(shù)據(jù)。定義導流器和葉輪葉片幾何形狀的表N-1到N-5在每個葉片表面的R、theta和Z的圓柱形坐標系中以英寸為單位示出。表N-1是定義導流器主葉片58幾何形狀的圓柱形坐標表。表N-2是定義導流器分流葉片60幾何形狀的圓柱形坐標表。表N-3是定義葉輪主葉片52幾何形狀的圓柱形坐標表。表N-4是定義葉輪主分流葉片54幾何形狀的圓柱形坐標表。表N-5是定義葉輪次分流葉片56幾何形狀的圓柱形坐標表。參照圖9并參照表，“罩壓力側(cè)”對應(yīng)于點A，“罩抽吸側(cè)”對應(yīng)于點B，“轂抽吸側(cè)”對應(yīng)于點C，而“轂壓力偵Γ對應(yīng)于點D。點A-D —起定義通過相應(yīng)葉片的四邊形截面。圓柱形坐標系Z軸與葉輪24的旋轉(zhuǎn)軸線對齊，其中在軸向平面中的Z零坐標對應(yīng)于主葉葉輪片52，主分流葉輪葉片54和次分流葉輪葉片56與周邊62相交的位置。Z軸的正方向指向泵開口 45。R坐標對應(yīng)于距Z軸的距離，而theta是相對角位置。一個示例葉輪24包括如下直徑:Dl 0.5 in (12.7 mm), D3 ^ D4 ^ 2.0 in (50.8 mm), D2 ^4.0 in (101.6 mm)。表中的數(shù)據(jù)對應(yīng)于給定的R和Z坐標和葉輪外徑D2之間的比。表值被示出到四個小數(shù)位。但是，鑒于制造約束，對部件制造有用的實際值被考慮是確定所要求保護的輪廓的值。存在典型的制造公差，必須在輪廓中對此有說明。因此，表坐標值是用于名義部件。因此應(yīng)該意識到的是，加或減典型制造公差適用于表坐標值并且具有基本根據(jù)那些值的輪廓的部 件包括公差。例如，在表面輪廓上的約+ /-0.010英寸的制造公差應(yīng)當被考慮在部件的設(shè)計限制內(nèi)。因此，部件的機械和空氣動力學功能沒有由制造瑕疵和公差損害，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(lǐng)域技術(shù)人員意識到的，制造公差可被確定以實現(xiàn)所制造的部件相對于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。TABLEl-權(quán)利要求
1.一種離心增壓泵導流器部分，其包括: 多個主葉片、和多個分流葉片，主葉片和分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面，橫截面定義為在一組表TABLE N-1和TABLE N_2中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值。
2.如權(quán)利要求1所述的離心增壓泵導流器部分，其中導流器主葉片和分流葉片的Z軸坐標對應(yīng)于那些葉片的旋轉(zhuǎn)軸線。
3.—種離心增壓泵葉輪部分，其包括: 多個主葉片、多個主分流葉片和多個次分流葉片，主葉片、主分流葉片和次分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面，橫截面定義為在一組表TABLE N-3,TABLE N_4和TABLE N_5中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值。
4.如權(quán)利要求3所述的離心增壓泵葉輪部分，其中導流器主葉片和分流葉片的Z軸坐標對應(yīng)于那些葉片的旋轉(zhuǎn)軸線。
5.一種離心增壓泵葉輪，其包括: 導流器部分，其包括多個導流器主葉片、和多個導流器分流葉片，主葉片和分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面，橫截面定義為在一組表TABLE N-1和TABLE N-2中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值；以及 葉輪部分，其包括多個葉輪主葉片、多個葉輪主分流葉片和多個葉輪次分流葉片，葉輪主葉片、葉輪主分流葉片和葉輪次分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面，橫截面定義為在一組表TABLE N-3、TABLE N_4和TABLE N_5中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值。
6.如權(quán)利要求5所述的離心增壓泵葉輪，其中導流器主葉片和分流葉片的Z軸坐標對應(yīng)于那些葉片的旋轉(zhuǎn)軸線。
7.如權(quán)利要求5所述的離心增壓泵葉輪，其中主葉輪葉片的內(nèi)徑近似等于導流器葉片的外徑。
8.如權(quán)利要求5所述的離心增壓泵葉輪，包括固定到轂的罩，所述轂提供與其一體的葉輪葉片和導流器葉片。
9.一種組裝離心增壓泵的方法，其包括: 提供軸；以及 將葉輪安裝在所述軸上，所述葉輪包括: 導流器部分，其包括多個導流器主葉片、和多個導流器分流葉片，主葉片和分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面，橫截面定義為在一組表TABLE N-1和TABLE N-2中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值；以及 葉輪部分，其包括多個葉輪主葉片、多個葉輪主分流葉片和多個葉輪次分流葉片，葉輪主葉片、葉輪主分流葉片和葉輪次分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面，橫截面定義為在一組表TABLE N-3、TABLE N_4和TABLE N_5中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料系統(tǒng)離心增壓泵葉輪。離心增壓泵導流器部分包括多個導流器主葉片、和多個分流葉片，主葉片和分流葉片每一者都包括在葉片的長度上分布的與葉片正交的二等分線橫截面，橫截面定義為在一組表TABLEN-1和TABLEN-2中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值。離心增壓泵葉輪部分包括多個葉輪主葉片、多個主分流葉片和多個次分流葉片，葉輪主葉片、主分流葉片和次分流葉片每一者都包括與在葉片的長度上分布的葉片二等分線橫截面的正交，橫截面定義為在一組表TABLEN-3、TABLEN-4和TABLEN-5中公開的相對于葉輪外徑的一組R坐標、theta坐標和Z坐標，其中N是同一值。
文檔編號F04D29/22GK103206404SQ20131001692
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者A.L.斯托伊塞斯庫, S.A.黑茨 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司