CN111911538B - 一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构 - Google Patents

一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,包括:轴承座左段、衬套和轴承座右段;其中,轴承座左段的右端通过电子束焊与轴承座右段进行焊接,轴承座左段套设于衬套,轴承座左段与衬套的定位台阶相连接;轴承座右段为回转结构,轴承座右段与轴承座左段通过电子束焊进行焊接,轴承座右段与轴承座左段为同轴结构;衬套为回转结构,衬套的大端通过电子束焊与轴承座左段进行焊接,衬套与轴承座左段为同轴结构,衬套与轴承座左段之间的空间形成轴承冷却介质入口流道。本发明在保障了轴承腔压力和轴承冷却流量的同时,解决了发动机涡轮泵存在的带冷却内孔的轴承座刚度偏低导致涡轮泵临界转速裕度偏小的问题。

Description

一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构
技术领域
本发明属于液体火箭发动机涡轮泵领域,尤其涉及一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构。
背景技术
火箭发动机涡轮泵轴承座布置在涡轮端,其主要作用是为轴承提供支承,并为轴承提供冷却用通道,该冷却流量来源于离心轮后,通过布置于轴承座内部的冷却通道流动至轴承。轴承座需要为轴承提供尽量大的支承刚度以及足够的冷却流量,冷却流量偏低则会导致轴承寿命缩短,同时,轴承座的流道需要保证轴承前腔的压力大于涡轮盘轮毂处的压力,否则会出现燃气倒灌。针对此问题,涡轮泵设计时常用的一种方式是增大内流道孔径,从而降低轴承座内流道流阻,进而提高轴承腔的压力,并增大轴承冷却流量。但由于流道一部分位于轴承上方这种设计会降低轴承座支承刚度,导致涡轮泵临界转速裕度不够,造成涡轮泵产生共振的风险。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,在保障了轴承腔压力和轴承冷却流量的同时,解决了发动机涡轮泵存在的带冷却内孔的轴承座刚度偏低导致涡轮泵临界转速裕度偏小的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现:一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,包括:轴承座左段、衬套和轴承座右段;其中,所述轴承座左段的右端通过电子束焊与轴承座右段进行焊接,所述轴承座左段套设于所述衬套,所述轴承座左段与所述衬套的定位台阶相连接;所述轴承座右段为回转结构,所述轴承座右段与轴承座左段通过电子束焊进行焊接,轴承座右段与轴承座左段为同轴结构;所述衬套为回转结构,所述衬套的大端通过电子束焊与轴承座左段进行焊接,衬套与轴承座左段为同轴结构,衬套与轴承座左段之间的空间形成轴承冷却介质入口流道;所述轴承座左段开设有斜孔、直孔和槽;其中,轴承设置于所述槽内;所述轴承冷却介质入口流道与所述斜孔相连通,所述斜孔与所述直孔相连通,所述直孔与所述槽相连通。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,斜孔和直孔的数量相等,直孔与轴承座左段的轴向平行。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,斜孔的数量、斜孔的直径和所有斜孔的总面积之间的关系公式为:
Figure BDA0002542366910000021
其中,A为斜孔的总面积,n为斜孔的数量,d1为斜孔的直径。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,轴承冷却液体流量的要求值和所有斜孔的总面积之间的关系公式为:
Figure BDA0002542366910000022
其中,A为斜孔的总面积,m为轴承冷却液体流量的要求值,μ为流量系数,P2为轴承引流来源压力,P1为轴承腔的腔压,ρ冷却液体的密度。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,多个所述直孔沿所述轴承座左段的周向均匀分布。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,直孔的直径与斜孔的直径的关系公式为:
Figure BDA0002542366910000023
D2=2R'
其中,d2为直孔的直径,R'为轴承的半径,D2为直孔的分布圆直径。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,所述斜孔的轴向与来流方向的偏转角度α大于90°。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,轴承座右段与轴承座左段电子束焊接部位留有宽度a为1mm-2mm的第二定位台阶。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,为防止轴承铆钉与轴承座发生轴向碰摩,轴承左端安装位置与衬套右端面距离c大于轴承铆钉高度。
上述涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构中,μ取值为0.4~0.6;d1取值为3mm~5mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)本发明能够在保证轴承座流道的流阻满足轴承腔腔压和轴承冷却量的前提下,通过轴承座支撑轴承部位冷却流道采用半孔结构能够提高轴承座的支承刚度,进而提高转子-支承***的临界转速,避免转子共振风险,从而在轴承腔腔压、轴承冷却量和转子临界转速三方面进行了均衡。
(2)本发明能够使轴承外环直接接触冷却介质,从而达到同时对轴承外环和过流通道进行冷却的目的,能够对轴承达到更好的冷却效果,提高了轴承的可靠性。
(3)本发明的轴承座左段和轴承座右段采用分体结构,有效解决了轴承座左段直孔难以直接加工的问题,同时,考虑到轴承的载荷主要由轴承座左段承担,右侧的电子束焊缝所受载荷较小,弥补了由焊接造成的强度降低的缺点,从而兼顾了加工工艺性和轴承座设计强度的要求。
(4)本发明的轴承座内流道的直孔为半孔结构,可以利用内窥镜对内流道的斜孔进行多余物检查和多余物排除,降低了涡轮泵出现多余物的风险,提高了该轴承座的装配工艺性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1是本发明实施例提供的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构的主视图;
图2是本发明实施例提供的图1中A-A方向剖视图;
图3是本发明实施例提供的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构的立体图;
图4是本发明实施例提供的轴承座结构的工作环境示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构的主视图;图2是本发明实施例提供的图1中A-A方向剖视图;图3是本发明实施例提供的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构的立体图;图4是本发明实施例提供的轴承座结构的工作环境示意图。
如图1至图4所示,该涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构包括:轴承座左段1、衬套2和轴承座右段3;其中,
所述轴承座左段1的右端通过电子束焊与轴承座右段3进行焊接,所述轴承座左段1套设于所述衬套2,所述轴承座左段1与所述衬套2的定位台阶21相连接;所述轴承座右段3为回转结构,所述轴承座右段3与轴承座左段1通过电子束焊进行焊接,轴承座右段3与轴承座左段1为同轴结构;所述衬套2为回转结构,所述衬套2的大端通过电子束焊与轴承座左段1进行焊接,衬套2与轴承座左段1为同轴结构,衬套2与轴承座左段1之间的空间形成轴承冷却介质入口流道22;所述轴承座左段1开设有斜孔11、直孔12和槽13;其中,轴承6设置于所述槽13内;所述轴承冷却介质入口流道22与所述斜孔11相连通,所述斜孔11与所述直孔12相连通,所述直孔12与所述槽13相连通。
上述实施例中,斜孔11和直孔12的数量相等,直孔12与轴承座左段1的轴向平行。多个直孔12沿所述轴承座左段1的周向均匀分布。多个直孔12构成一个圆周。
轴承座左段1内部孔径和数量的确定方法:根据冷却轴承引流来源压力和涡轮盘轮毂处的压力,以及防止燃气倒灌的最小压差确定轴承腔的腔压,结合轴承冷却流量的要求值,初步确定轴承座左段1内部斜孔11的数量。斜孔11的总面积、斜孔11数量、冷却流量、压力等参数的约束关系如下:
Figure BDA0002542366910000051
Figure BDA0002542366910000052
其中,A为斜孔11的总面积,m为轴承冷却流量的要求值,μ为流量系数,取值为0.4~0.6,P2为轴承引流来源压力,P1为轴承腔的腔压,n为斜孔11的数量,d1为斜孔11的直径,取值为3mm~5mm。
根据如上关系式初步确定斜孔11的数量。直孔12的数量等于斜孔11的数量,直孔12的直径与斜孔11的直径,以及直孔12的分布圆直径与轴承座所安装轴承的外半径的约束关系如下:
Figure BDA0002542366910000053
D2=2R'
其中,d2为直孔12的直径,R'为轴承的半径,D2为多个直孔12构成的圆周的直径。上式第一个关系式中,左式只需略大于右式即可。
以此初步结构为基础,通过精确仿真计算流阻和轴承座刚度,并根据流阻和轴承座刚度需要调整轴承座左段1内部孔径和数量。
参见图1至图4,一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,它由轴承座左段、衬套、轴承座右段组成,这三部分通过电子束焊接方式连接成一体。在图4中,标号4为转轴;标号5为涡轮壳体;标号6为轴承;标号7为轴套;标号8为轴承冷却流路。
所述轴承座左段结构,其内部冷却通道由斜孔和直孔形成。其中支撑轴承部位的直孔采用半孔结构能够提高轴承座支承刚度,从而达到提高涡轮泵临界转速目的,对于已应用的实例,采用半孔后,在流通面积增大17.7%的情况下,轴承刚度提升6.2%,同时实现了降低轴承座内流道流阻和提高轴承座刚度的功能。所述轴承座左段其右端通过电子束焊与轴承座右段进行焊接,中部通过电子束焊与衬套进行焊接。轴承座左段含有若干个斜孔以及沿轴向的直孔,斜孔左端与衬套和轴承座左段形成的环形入口流道连通,右端与直孔连通,斜孔和直孔的数量相等,两两相交连通。
所述轴承座右段为回转结构,其与轴承座左段通过电子束焊进行焊接,轴承座右段与轴承座左段为同轴结构。
所述衬套为回转结构,其大端通过电子束焊与轴承座左段进行焊接,衬套与轴承座左段为同轴结构,衬套与轴承座左段形成轴承冷却介质环形入口流道。
为降低折弯流阻,轴承座左段内部斜孔与来流方向的偏转角度α大于90°。
轴承座右段与轴承座左段电子束焊接部位留有宽度a为1mm-2mm的定位台阶。
将轴承座左段和轴承座右段进行电子束焊接,然后对内表面进行精加工,轴承座左段与轴承左端面配合处倒圆角,以减小应力集中,圆角半径应小于轴承的圆角半径,一般半径R取为0.5mm—1mm。
为了减轻结构重量,并考虑到涡轮泵多余物检查的可行性,在轴承座左段和轴承座右段焊接后,在大端加工适量的减重孔,沿周向均布。
加工轴承座左段与衬套焊接的部位,轴承座左段与衬套的电子束焊接底部留有定位台阶,该台阶同时起到防止焊接飞溅的作用,台阶高度b为1mm-2mm。
在轴承座左段的直孔和斜孔中检查并排除铁屑等多余物,并进行清洗、烘干。
将轴承座左段与衬套进行电子束焊接,焊后加工焊接的右端面以及衬套内表面,为防止轴承铆钉与轴承座发生轴向碰摩,加工后,轴承左端安装位置与衬套右端面距离c应大于轴承铆钉高度。
本发明能够在保证轴承座流道的流阻满足轴承腔腔压和轴承冷却量的前提下,通过轴承座支撑轴承部位冷却流道采用半孔结构能够提高轴承座的支承刚度,进而提高转子-支承***的临界转速,避免转子共振风险,从而在轴承腔腔压、轴承冷却量和转子临界转速三方面进行了均衡。
本发明能够使轴承外环直接接触冷却介质,从而达到同时对轴承外环和过流通道进行冷却的目的,能够对轴承达到更好的冷却效果,提高了轴承的可靠性。
本发明的轴承座左段和轴承座右段采用分体结构,有效解决了轴承座左段直孔难以直接加工的问题,同时,考虑到轴承的载荷主要由轴承座左段承担,右侧的电子束焊缝所受载荷较小,弥补了由焊接造成的强度降低的缺点,从而兼顾了加工工艺性和轴承座设计强度的要求。
本发明的轴承座内流道的直孔为半孔结构,可以利用内窥镜对内流道的斜孔进行多余物检查和多余物排除,降低了涡轮泵出现多余物的风险,提高了该轴承座的装配工艺性。
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 (7)

1.一种涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,其特征在于包括:轴承座左段(1)、衬套(2)和轴承座右段(3);其中,
所述轴承座左段(1)的右端通过电子束焊与轴承座右段(3)进行焊接,所述轴承座左段(1)套设于所述衬套(2),所述轴承座左段(1)与所述衬套(2)的定位台阶(21)相连接;
所述轴承座右段(3)为回转结构,所述轴承座右段(3)与轴承座左段(1)通过电子束焊进行焊接,轴承座右段(3)与轴承座左段(1)为同轴结构;
所述衬套(2)为回转结构,所述衬套(2)的大端通过电子束焊与轴承座左段(1)进行焊接,衬套(2)与轴承座左段(1)为同轴结构,衬套(2)与轴承座左段(1)之间的空间形成轴承冷却介质入口流道(22);
所述轴承座左段(1)开设有斜孔(11)、直孔(12)和槽(13);其中,轴承(6)设置于所述槽(13)内;所述轴承冷却介质入口流道(22)与所述斜孔(11)相连通,所述斜孔(11)与所述直孔(12)相连通,所述直孔(12)与所述槽(13)相连通;
斜孔(11)的数量、斜孔(11)的直径和所有斜孔(11)的总面积之间的关系公式为:
Figure FDA0003389586290000011
其中,A为斜孔(11)的总面积,n为斜孔(11)的数量,d1为斜孔(11)的直径;
多个所述直孔(12)沿所述轴承座左段(1)的周向均匀分布;
直孔(12)的直径与斜孔(11)的直径的关系公式为:
Figure FDA0003389586290000021
D2=2R'
其中,d2为直孔(12)的直径,R'为轴承的半径,D2为直孔(12)的分布圆直径。
2.根据权利要求1所述的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,其特征在于:斜孔(11)和直孔(12)的数量相等,直孔(12)与轴承座左段(1)的轴向平行。
3.根据权利要求1所述的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,其特征在于:轴承冷却液体流量的要求值和所有斜孔(11)的总面积之间的关系公式为:
Figure FDA0003389586290000022
其中,A为斜孔(11)的总面积,m为轴承冷却液体流量的要求值,μ为流量系数,P2为轴承引流来源压力,P1为轴承腔的腔压,ρ冷却液体的密度。
4.根据权利要求1所述的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,其特征在于:所述斜孔(11)的轴向与来流方向的偏转角度α大于90°。
5.根据权利要求1所述的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,其特征在于:轴承座右段(3)与轴承座左段(1)电子束焊接部位留有宽度a为1mm-2mm的第二定位台阶。
6.根据权利要求1所述的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,其特征在于:为防止轴承铆钉与轴承座发生轴向碰摩,轴承左端安装位置与衬套(2)右端面距离c大于轴承铆钉高度。
7.根据权利要求1所述的涡轮泵用带冷却内流道的轴承座结构,其特征在于:μ取值为0.4~0.6;d1取值为3mm~5mm。
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