一款适用于超低粘度介质的L型外啮合齿轮泵.pdf

本发明公开了一款适用于超低粘度介质的L型外啮合齿轮泵。针对0.00018Pa.s超低粘度和大于90％高容积率的设计要求，提出的介质侧向流入、后端轴向流出的L型结构，避免了常规侧向出口对泵壳强度、刚度的破坏，可适当降低泵壳厚度。最优的齿轮副参数，使该泵具有给定设计条件下的最小体积，降低了航天器发射成本。后端介质出口的形位尺寸，符合圆形卸荷槽设计，兼具出口侧困油的卸荷功能。进口大夹角弥补了介质因自吸力不足而引起的气穴现象，出口小夹角结合浮动轴套的自动补偿，有效控制轴向泄漏，间接提高容积率。相较常规地面油泵，该泵具有轴向尺寸小、径向尺寸大的外形特征。

1.一款适用于超低粘度介质的L型外啮合齿轮泵，包括1压盘，2轴密封圈，3前盖，4泵壳密封件，5浮动轴套外侧密封圈，6 一对浮动轴套，7自润滑滑动轴承，8 主动轴端平键，9主动轴，10一对啮合齿轮，11泵壳，12定位销，13固定螺钉，14轴-齿轮平键，15从动轴；其特征在于：泵侧向进入、轴向流出介质的L型流向结构，避免常规高压侧出口对泵壳强度、刚度的破坏，从而适当减小泵壳的厚度，降低泵的重量；26.1°的小出口夹角降低来自高压区的泄漏；Ф10 mm的出口直径和圆心在高压侧偏离齿轮副中心连线9.16 mm的出口位置，兼具高压侧圆形卸荷槽的作用；120°的大进口夹角，避免超低粘度介质因自吸力不足而造成的气穴现象，降低来自过渡密封区域的轴向泄漏；一对啮合的主从齿轮具有模数3，齿数20，齿顶高系数0.6，压力角15°，变位系数0.0375的相同齿形参数，结合过渡区采用无减少径向力措施的全齿密封，确保0.05mm径向间隙下的足够密封长度，具有与轴分开加工，利于更换齿轮和齿轮轴；轴径Ф10 mm、齿顶圆直径Ф31.91 mm和齿根圆直径Ф27.56 mm，确保0.03 mm轴向间隙下的足够密封长度；浮动轴套实现轴向摩擦副间隙的自动补偿，以控制轴向泄漏。

一款适用于超低粘度介质的L型外啮合齿轮泵

技术领域

本发明涉及一款外啮合齿轮泵，特别是涉及一款适用于超低粘度介质的外啮合齿轮泵。

背景技术

外啮合齿轮泵是一种泵送工作油液的动力工具，因具有价格、可靠性、寿命和自吸能力等方面优势，在常规油类介质应用中相当广泛。在空间狭窄、发射成本高和失重的航天环境下，外啮合齿轮泵因具有结构简单，体小量轻，高可靠性，长寿命，尤其具有良好的自吸性，污染敏感性小，维修方便等方面的特点，近来被认为是部分替代现有航天用泵的较好选择。目前，外啮合齿轮泵在国外航天器尤其国际空间站的水处理系统中得到了采用；同样，液氨外啮合齿轮泵在国外航天器，尤其国际空间站的热控系统中，也被广泛采用。

水和液氨的共同特点在于介质的超低粘度，当常规油介质类外啮合齿轮泵采用该类超低粘度介质时，内泄漏将会大幅增加，从而引起泵容积效率的快速下降和出口压力上不去的问题。外啮合齿轮泵内主要存在四对摩擦副，其中，泵体内表面摩擦副，简称为径向摩擦副，其内的间隙简称为径向间隙，通过径向间隙的泄漏称为径向泄漏；主、从动齿轮端面摩擦副，简称为轴向摩擦副，其内的间隙简称为轴向间隙，通过径向间隙的泄漏称为轴向泄漏；则主要决定该泵运转时的内部泄漏量，如何减少该类泄漏量是超低粘度介质外啮合齿轮泵开发的关键，考虑到介质的超低粘度，泵的出口压力一般为≤1 MPa的低压，而不像常规油介质类外啮合齿轮泵的出口压力可分为高压、中压和低压。

目前，在固定间隙的外啮合齿轮泵中，小排量泵轴向间隙一般在0.01~ 0.03 mm；大排量泵轴向间隙一般在0.03~0.05 mm。径向间隙一般情况下可在0.03~0.1mm之间选取。

发明内容

本发明的目的在于提供一款适用于超低粘度介质的外啮合齿轮泵，该泵通过径向和轴向的总泄漏量最小化，以及工作介质流向上的结构创新，从而大幅度提高泵的容积效率。

本发明提供的外啮合齿轮泵，包括1压盘，2轴密封圈，3前盖，4泵壳密封件，5浮动轴套外侧密封圈，6 一对浮动轴套，7自润滑滑动轴承，8 主动轴端平键，9主动轴，10一对啮合齿轮，11泵壳，12定位销，13固定螺钉，14轴-齿轮平键，15从动轴，如图1所示。

其中，工作介质流向路径具有L型的结构，即低压侧进入工作介质，轴向流出工作介质，避免了常规高压侧出口对泵壳强度、刚度的破坏，从而可以适当降低泵壳的厚度，降低泵的重量，如图1所示。

较小的高压侧出口夹角α₃，从而降低来自α₃所对应高压区域的泄漏，如图2所示；且出口直径ФD和位置H符合外啮合齿轮泵圆形卸荷槽的设计，兼具出口侧卸荷槽的作用，如图2所示。

较大的低压侧进口夹角α₁，一方面可尽量避免超低粘度介质因自吸力不足而造成的气穴现象，另一方面相当于变相减少了过渡区夹角α₀，降低了来自过渡区域的轴向泄漏，如图2所示。

一对啮合的主从齿轮具有相同的齿形参数，具有尽可能大的齿数、模数和尽可能小的齿顶高系数、变位系数、压力角，以及较小的轴径，过渡区采用无减少径向力措施的全齿密封，确保足够的径向和轴向密封长度；具有且与轴分开加工，利于更换齿轮和齿轮轴，如图3所示。

浮动轴套能够实现轴向摩擦副间隙的自动补偿，以控制轴向泄漏。其中，密封圈将浮动轴套外侧的补偿面，分割为高压区和低压区，高压区和低压区如何引入高压介质和低压介质，如图4所示。

附图说明

图1为超低粘度介质L型外啮合齿轮泵爆炸示意图。

图2为超低粘度L型外啮合齿轮泵介质进出口尺寸示意图。

图3为超低粘度介质L型外啮合齿轮泵的齿轮副示意图。

图4为浮动轴套外侧补偿示意图。

图5为进、出口边缘夹角对容积率的影响示意图。

具体实施方式

实施例：具有给定容积效率的超低粘度介质L型外啮合齿轮泵。

本发明包括1压盘，2轴密封圈，3前盖，4泵壳密封件，5浮动轴套外侧密封圈，6 一对浮动轴套，7自润滑滑动轴承，8 主动轴端平键，9主动轴，10一对啮合齿轮，11泵壳，12定位销，13固定螺钉，14轴-齿轮平键，15从动轴。

根据现有经实验验证的相关研究理论，得径向摩擦副内的径向泄漏量q_a，轴向摩擦副内的轴向泄漏量q_z如下式所示。

式中，z为齿数；z₀为过渡区齿数；α₀为过渡区包角；Δp为出口压力减去进口压力的压差；b为齿宽；μ为流体粘度；h_a为径向间隙；h_z为轴向间隙；n为工作转速；r_a、r、r_s分别为齿顶圆半径、分度圆半径、轴半径；s_a为齿顶圆厚度。

如果在泵指定的额定流量q_e前提下，只考虑径向泄漏q_a和轴向泄漏q_z两种流量损失，则泵的容积率λ_V和泄漏率分项 如下式所示。

如以模数m，齿数z，齿顶高系数h*，压力角α，变位系数x为设计变量，以λ_V≥给定容积效率为目标，以及若干约束函数建立优化模型，其中，m∈[2，6]，z∈[8，20]，x∈[-0.5，0.5]，h*∈[0.6，1.25]，α∈[15°，35°]。在给定的设计条件Δp =0.4 MPa；q_e=48 L/min；n=3000 rpm； h_a=0.05 mm； h_z=0.03 mm；液氨粘度μ=0.18 mPa·s；顶隙系数0.25；r_s=10 mm；α₁=80°和α₃=50°；=90%下的优化结果如下表所示。

采用高压侧单个圆形卸荷槽的设计方法并对结果圆整，取ФD=10 mm的出口直径和圆心在高压侧偏离齿轮副中心连线H=9.16 mm的出口位置，这样，出口就兼具了高压侧圆形卸荷槽的作用，此时，α₃=26.1°。

α₁和α₃对容积率λ_V的影响，如图5中的λ_V(α₁)、λ_V(α₃)所示。由图5可见，α₁↑时λ_V(α₁) 先上升后下降，最大值发生在130°左右，但总体变化幅度不大，因此，较大的α₁虽然对泵的容积率影响甚微，却避免了因自吸力不足而造成泵的气穴现象，取α₁=120°。但α₃↑时λ_V(α₃)↓，且幅度较大，故只能采用较小的进口直径。

采用与上同样的设计要求，如果按照常规油泵的要求进行优化设计，即不考虑泄漏的问题，仅仅考虑体积最小。则模数为2.5；齿数为11；变位系数0.2329；齿顶高系数为1.2；齿宽为27.58；另取20°的压力角。经计算q_a=33.276 L/min；q_z=10.1516 L/min；λ_V=9.53%，完全不符合容积效率的设计要求。