一种火箭发动机用电动泵的制作方法

1.本发明涉及一种火箭发动机用电动泵，具体涉及一种过氧化氢/煤油火箭发动机用电动泵。


背景技术：

2.面向新一代火箭发动机高精度、快响应、多模式推力调节的技术需求，电动泵压式火箭发动机已成为动力推进系统应用的主动力发展趋势。作为新一代泵压式火箭发动机系统的新兴技术，电动泵采用泵体与高速电机深度结合，系统结构简单、效率高、推力可调节，能更好的用于火箭发动机系统燃料供给和冷却循环，是未来航空航天动力系统发展的必然趋势。
3.对于火箭发动机中氧化剂及燃烧介质的增压输送，普遍采用两台电动泵进行独立输送，然而，对于中小型火箭发动机系统，结构布局紧凑度要求相对较高，两台电动泵及其附件管路在安装上占据了很大一部分空间，容易造成发动机系统结构布局困难。此外，采用普通分体式电动泵泵送燃料时，泵体与电机本体各自独立支撑，中间通过联轴器传递扭矩输出，在泵体和电机本体之间设置多道动密封，运行过程中密封处始终存在泄漏，同时需要额外增加辅助系统冷却电机及润滑轴承，限制了电动泵长时稳定运行。
4.目前，专利号为cn115750379a的中国专利公开了一种自冷却过氧化氢双头电动泵及其启动方法，该专利提出的双头电动泵采用同轴一体化设计，内循环冷却流道互通，输送两种介质时不能进行有效隔离，仅适用于过氧化氢一种介质输送。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种火箭发动机用电动泵，该火箭发动机用电动泵降低了电动泵泵压式发动机系统结构的复杂性，提高了电动泵密封的可靠性，实现了系统轻量化设计。
6.本发明通过以下技术方案得以实现。
7.本发明提供的一种火箭发动机用电动泵，包括电机定子；电机定子的一侧并排设置有转子ⅰ和转子ⅱ，在电机定子、转子ⅰ、转子ⅱ之间通过非金属屏蔽护套进行分隔；所述转子ⅰ的一侧设有与其一体成型的泵体ⅰ，转子ⅱ的一侧设有与其一体成型的泵体ⅱ；所述泵体ⅰ、转子ⅰ和非金属屏蔽护套构成一条内循环冷却润滑流道，泵体ⅱ、转子ⅱ和非金属屏蔽护套构成另一条内循环冷却润滑流道，两条内循环冷却润滑流道呈对称布置。
8.所述转子ⅰ与泵体ⅰ同轴设置，转子ⅱ与泵体ⅱ同轴设置。
9.所述转子ⅰ的两侧分别设置有前轴承ⅰ和前轴承ⅱ，转子ⅱ的两侧分别设置有后轴承ⅰ和后轴承ⅱ。
10.所述非金属屏蔽护套的一侧设有内孔，前轴承ⅱ和后轴承ⅱ设置在内孔内。
11.所述非金属屏蔽护套的外圆面与电机定子内孔壁面贴实接触。
12.所述转子ⅰ的轴伸端连接有诱导轮ⅰ和叶轮ⅰ，转子ⅱ的轴伸端连接有诱导轮ⅱ和
叶轮ⅱ。
13.所述叶轮ⅰ的悬臂与转子ⅰ的轴伸端连接，叶轮ⅱ的悬臂与转子ⅱ的轴伸端连接。
14.所述前轴承ⅱ与非金属屏蔽护套之间设有衬套ⅰ，衬套ⅰ与非金属屏蔽护套之间为过盈配合；所述后轴承ⅱ与非金属屏蔽护套之间设有衬套ⅱ，衬套ⅱ与非金属屏蔽护套之间为过盈配合。
15.所述前轴承ⅰ与非金属屏蔽护套之间设有轴承座ⅰ，轴承座ⅰ与泵体ⅰ形成轴向密封，轴承座ⅰ与非金属屏蔽护套形成径向密封；所述后轴承ⅰ与非金属屏蔽护套之间设有轴承座ⅱ，轴承座ⅱ与泵体ⅱ形成轴向密封，轴承座ⅱ与非金属屏蔽护套形成径向密封。
16.所述非金属屏蔽护套采用碳纤维缠绕固化成型。
17.本发明的有益效果在于：两个泵体集成一体式设计，共用一个非金属屏蔽护套，形成对称型的两条内循环流道，将两种介质有效隔离开，提高了电动泵的密封可靠性。
附图说明
18.图1是本发明的结构示意图；
19.图2是单条内循环流道介质流向示意图；
20.图中：100-泵体ⅰ，101-诱导轮ⅰ，102-叶轮ⅰ，110-轴承座ⅰ，120-前轴承ⅰ，130-转子ⅰ，140-前轴承ⅱ，150-衬套ⅰ，200-电机定子，300-非金属屏蔽护套，400-泵体ⅱ，401-诱导轮ⅱ，402-叶轮ⅱ，410-轴承座ⅱ，420-后轴承ⅰ，430-转子ⅱ，440-后轴承ⅱ，450-衬套ⅱ。
具体实施方式
21.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
22.实施例1
23.如图1所示，一种火箭发动机用电动泵，包括电机定子200；电机定子200的一侧并排设置有转子ⅰ130和转子ⅱ430，在电机定子200、转子ⅰ130、转子ⅱ430之间通过非金属屏蔽护套300进行分隔；所述转子ⅰ130的一侧设有与其一体成型的泵体ⅰ100，转子ⅱ430的一侧设有与其一体成型的泵体ⅱ400；所述泵体ⅰ100、转子ⅰ130和非金属屏蔽护套300构成一条内循环冷却润滑流道，泵体ⅱ400、转子ⅱ430和非金属屏蔽护套300构成另一条内循环冷却润滑流道，两条内循环冷却润滑流道呈对称布置，两条内循环冷却润滑流道通过非金属屏蔽护套300隔离，可有效阻止两种介质混合。
24.所述转子ⅰ130与泵体ⅰ100同轴设置，转子ⅱ430与泵体ⅱ400同轴设置。
25.所述转子ⅰ130的两侧分别设置有前轴承ⅰ120和前轴承ⅱ140，转子ⅱ430的两侧分别设置有后轴承ⅰ420和后轴承ⅱ440。
26.所述非金属屏蔽护套300的一侧设有内孔，前轴承ⅱ140和后轴承ⅱ440设置在内孔内。
27.所述非金属屏蔽护套300的外圆面与电机定子200内孔壁面贴实接触，为前轴承ⅱ140及后轴承ⅱ440提供刚性支撑。
28.所述转子ⅰ130的轴伸端连接有诱导轮ⅰ101和叶轮ⅰ102，转子ⅱ430的轴伸端连接有诱导轮ⅱ401和叶轮ⅱ402。
29.所述叶轮ⅰ102的悬臂与转子ⅰ130的轴伸端连接，叶轮ⅱ402的悬臂与转子ⅱ430的
轴伸端连接。
30.所述前轴承ⅱ140与非金属屏蔽护套300之间设有衬套ⅰ150，衬套ⅰ150与非金属屏蔽护套300之间为过盈配合；所述后轴承ⅱ440与非金属屏蔽护套300之间设有衬套ⅱ450，衬套ⅱ450与非金属屏蔽护套300之间为过盈配合。
31.优选的，在装配时，衬套ⅰ150、衬套ⅱ450通过衬套预冷装入非金属屏蔽护套300底部。
32.所述前轴承ⅰ120与非金属屏蔽护套300之间设有轴承座ⅰ110，轴承座ⅰ110与泵体ⅰ100形成轴向密封，轴承座ⅰ110与非金属屏蔽护套300形成径向密封；所述后轴承ⅰ420与非金属屏蔽护套300之间设有轴承座ⅱ410，轴承座ⅱ410与泵体ⅱ400形成轴向密封，轴承座ⅱ410与非金属屏蔽护套300形成径向密封。
33.进一步的，相对于同轴一体化的结构，轴向密封和径向密封的设置消除了冷却流道间的机械密封结构，保证了两条内循环流道的密封性能。
34.所述非金属屏蔽护套300采用碳纤维缠绕固化成型，具有高强度和高模量，为非金属屏蔽护套300、衬套ⅰ150、衬套ⅱ450提供强度和刚度保证。
35.优选的，碳纤维为绝缘材料，非金属屏蔽护套300不会产生涡流损耗，电机本体可以保持较高的输出功率；相对金属屏蔽护套，碳纤维材料的导热性能极低，能够有效阻碍电机定子200温度向液体介质的传导，从而很好的控制推进剂介质的温升。
36.实施例2
37.如图2所示，由于两条内循环冷却润滑流道呈对称布置，其原理及结构一致，在此不作重复性赘述，以单条流道为例，说明其冷却润滑方法。
38.过氧化氢或煤油推进剂介质由泵体ⅰ100的入口流入，经诱导轮ⅰ101、叶轮ⅰ102增压后，进入发动机燃烧室的大部分介质由泵体ⅰ100的出口流出，而小部分介质从叶轮ⅰ102后凸肩处泄漏进入电机内腔，先润滑泵体侧前轴承ⅰ120，流经电机运行气隙后润滑前轴承ⅱ140，最后通过转子ⅰ130中心通孔回流到泵入口，实现电机和轴承的冷却润滑。
39.实施例3
40.如图1所示，转子ⅰ130与转子ⅱ430非同轴一体设计，运行过程中，两个转子磁场相互独立，产生的磁场均作用在电机定子200上，从电磁能量交换角度来看，原理等同于一台转子与电机定子200的能量传递，因此可采用一套控制系统同时控制两个转子工作，通过控制电机定子200内的电流频率即可实现转子ⅰ130与转子ⅱ430同步旋转，满足发动机同时起停、变推力调节的工况需求。
41.因此，与传统的两套电动泵独立控制系统相比，首先，本发明提出的电动泵在控制上更加简单、高效，不存在信号的传递与交互，提高系统响应速度及两个转子调速的一致性，可减少30％的元器件需求，进一步降低整体系统的重量与体积；其次，本发明的两个泵体与电机采用一体化结构设计，高度集成，合成为一台装置，通过优化电动泵结构，提高发动机系统安装空间利用率；最后，两个泵轴非同轴一体设计，整个电动泵上无任何机械密封结构，可同时泵送两种介质，因采用独立内循环进液冷却润滑方式，两种介质不会发生接触，流道密封性能可靠。
42.实施例4
43.根据单台电动泵工作过程内腔受力分析可知，内腔充满进液介质的情况下，屏蔽
护套类似压力容器，屏蔽护套后端轴承封头处往往承受单向的轴向力，随着发动机频繁变工况调节，屏蔽护套在受到电机定子发热产生的热载荷、介质压力循环载荷和水击造成的复合载荷作用下，屏蔽护套将出现不同程度的泄漏。
44.如实施例3中所述，两条内循环冷却润滑流道呈对称布置，电动泵工作过程中，泵体ⅰ100、泵体ⅱ400中的小部分高压介质分别从叶轮ⅰ102、叶轮ⅱ402的后凸肩处泄漏进入电机内腔，将由非金属屏蔽护套300与转子ⅰ130、转子ⅱ430组成的流体区域填充，由于非金属屏蔽护套300中间设置隔断，当两侧的流道内充满介质时，非金属屏蔽护套300隔断承受的轴向力将被平衡抵消或大幅削弱，提高了非金属屏蔽护套300的使用寿命。
45.实施例5
46.根据发动机中氧化剂及燃料的混合燃烧配比，本发明还提供电动泵转子ⅰ130、转子ⅱ430磁场有效长度的比例关系计算方法，实现转子ⅰ130、转子ⅱ430在相同转速下输出不同转矩，不同轴功率，满足发动机推力持续稳定输出的需求。
47.具体实施如下：
48.设氧化剂质量流量为m1，密度为ρ1，进、出口压差为δp1，轴端扭矩为t1，磁场有效长度为l1；燃料质量流量为m2，密度为ρ2，进、出口压差为δp2，轴端扭矩为t2，磁场有效长度为l2；氧化剂与燃料的质量流量比为k，转子同步转速为n，气隙磁密值为b，定子铁心内径为d，线负荷为a。
49.氧化剂体积流量v1：
[0050]v1
＝m1/ρ1[0051]
氧化剂扬程h1：
[0052]
h1＝δp1/(ρ1g)
[0053]
氧化剂输送功率n1：
[0054]
n1＝ρ1gv1h1＝m1δp1/ρ1[0055]
根据轴伸扭矩计算公式t＝9550n/n，推导出氧化剂输送扭矩t1：
[0056]
t1＝9550m1δp1/(nρ1)
[0057]
同理可推导出燃料输送扭矩t2：
[0058]
t2＝9550m2δp2/(nρ2)
[0059]
根据电机电磁转矩计算公式推导出氧化剂输送转子磁场有效长度l1：
[0060][0061]
燃料输送转子磁场有效长度l2：
[0062][0063]
l1与l2比例关系为：
[0064]
[0065]
实施例6
[0066]
在一定温度范围内，对于氧化剂及燃料物理状态相近的推进剂介质，发动机系统同样可采用本发明提出的电动泵结构，如液氧/甲烷火箭发动机系统，非金属屏蔽护套300可设计成复合结构，引入隔热材料作为内衬，阻止液氧/甲烷介质在非金属屏蔽护套300上传递热量，对液氧/甲烷介质形成隔热防护。
[0067]
此外，对于氧化剂及燃料采用独立的两台电动泵进行介质输送，本发明提出的内循环冷却润滑结构同样适用。
[0068]
综上所述，本发明的有益效果在于：
[0069]
1.可以同时泵送发动机燃烧所需的氧化剂及燃料，相对两台电动泵分开工作，本发明电动泵体积小，结构布局更加紧凑，占用发动机系统安装空间较小，可省去一部分附件管路；两个泵轴为非同轴一体设计，内循环冷却润滑流道为进液屏蔽型结构，电动泵上无任何机械密封，介质不会发生泄漏，高压密封性能可靠；
[0070]
2.内循环冷却润滑流道采用两条独立双回流流道对称布置，电动泵工作过程中，在非金属屏蔽护套隔断的作用下，两侧流道介质施加在隔断上的轴向力将被平衡抵消或削弱，提高了非金属屏蔽护套的使用寿命；
[0071]
3.两个转子为独立设计结构，每个泵体和每个转子分别与非金属屏蔽护套构成内循环冷却润滑流道，内循环流道通过非金属屏蔽护套隔离，有效阻止两种介质混合，相对于同轴一体化结构，消除了冷却流道间的机械密封结构，提升电动泵的密封可靠性；
[0072]
4.每条流道介质由泵入口流入，经诱导轮、叶轮增压后，部分介质从叶轮后凸肩处泄漏进入电机内腔，先润滑泵体侧轴承，流经电机运行气隙后润滑另一侧轴承，最后通过转子中心通孔回流到泵入口，实现电机和轴承的冷却润滑；
[0073]
5.在一定温度范围内，对于氧化剂及燃料物理状态相近的推进剂介质，发动机系统同样可采用本发明提出的电动泵结构，如液氧/甲烷火箭发动机系统。

技术特征：
1.一种火箭发动机用电动泵，包括电机定子(200)，其特征在于：电机定子(200)的一侧并排设置有转子ⅰ(130)和转子ⅱ(430)，在电机定子(200)、转子ⅰ(130)、转子ⅱ(430)之间通过非金属屏蔽护套(300)进行分隔；所述转子ⅰ(130)的一侧设有与其一体成型的泵体ⅰ(100)，转子ⅱ(430)的一侧设有与一体成型的泵体ⅱ(400)；所述泵体ⅰ(100)、转子ⅰ(130)和非金属屏蔽护套(300)构成一条内循环冷却润滑流道，泵体ⅱ(400)、转子ⅱ(430)和非金属屏蔽护套(300)构成另一条内循环冷却润滑流道，两条内循环冷却润滑流道呈对称布置。2.如权利要求1所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述转子ⅰ(130)与泵体ⅰ(100)同轴设置，转子ⅱ(430)与泵体ⅱ(400)同轴设置。3.如权利要求2所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述转子ⅰ(130)的两侧分别设置有前轴承ⅰ(120)和前轴承ⅱ(140)，转子ⅱ(430)的两侧分别设置有后轴承ⅰ(420)和后轴承ⅱ(440)。4.如权利要求3所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述非金属屏蔽护套(300)的一侧设有内孔，前轴承ⅱ(140)和后轴承ⅱ(440)设置在内孔内。5.如权利要求1所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述非金属屏蔽护套(300)的外圆面与电机定子(200)内孔壁面贴实接触。6.如权利要求1所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述转子ⅰ(130)的轴伸端连接有诱导轮ⅰ(101)和叶轮ⅰ(102)，转子ⅱ(430)的轴伸端连接有诱导轮ⅱ(401)和叶轮ⅱ(402)。7.如权利要求6所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述叶轮ⅰ(102)的悬臂与转子ⅰ(130)的轴伸端连接，叶轮ⅱ(402)的悬臂与转子ⅱ(430)的轴伸端连接。8.如权利要求3所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述前轴承ⅱ(140)与非金属屏蔽护套(300)之间设有衬套ⅰ(150)，衬套ⅰ(150)与非金属屏蔽护套(300)之间为过盈配合；所述后轴承ⅱ(440)与非金属屏蔽护套(300)之间设有衬套ⅱ(450)，衬套ⅱ(450)与非金属屏蔽护套(300)之间为过盈配合。9.如权利要求3所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述前轴承ⅰ(120)与非金属屏蔽护套(300)之间设有轴承座ⅰ(110)，轴承座ⅰ(110)与泵体ⅰ(100)形成轴向密封，轴承座ⅰ(110)与非金属屏蔽护套(300)形成径向密封；所述后轴承ⅰ(420)与非金属屏蔽护套(300)之间设有轴承座ⅱ(410)，轴承座ⅱ(410)与泵体ⅱ(400)形成轴向密封，轴承座ⅱ(410)与非金属屏蔽护套(300)形成径向密封。10.如权利要求1所述的火箭发动机用电动泵，其特征在于：所述非金属屏蔽护套(300)采用碳纤维缠绕固化成型。

技术总结
本发明提供了一种火箭发动机用电动泵，包括电机定子；电机定子的一侧并排设置有转子Ⅰ和转子Ⅱ，在电机定子、转子Ⅰ、转子Ⅱ之间通过非金属屏蔽护套进行分隔；所述转子Ⅰ的一侧设有与其一体成型的泵体Ⅰ，转子Ⅱ的一侧设有与其一体成型的泵体Ⅱ；所述泵体Ⅰ、转子Ⅰ和非金属屏蔽护套构成一条内循环冷却润滑流道，泵体Ⅱ、转子Ⅱ和非金属屏蔽护套构成另一条内循环冷却润滑流道，两条内循环冷却润滑流道呈对称布置。本发明两个泵体集成一体式设计，共用一个非金属屏蔽护套，形成对称型的两条内循环流道，将两种介质有效隔离开，提高了电动泵的密封可靠性。封可靠性。封可靠性。


技术研发人员：吴文坤 曹力 施道龙 卓亮 禹业通 王泊涵 王江宁 蔡明凯 张峰瑞
受保护的技术使用者：贵州航天林泉电机有限公司
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/9/9