CN104235052B - 一种涡轮泵双端面密封稳压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮泵双端面密封稳压装置，包括固定在涡轮泵泵体上的油缸、进油导管、平衡活塞、缸盖以及平衡回路，所述平衡活塞将油缸分成氟醚油腔和推进剂腔，所述进油导管的一端固定在油缸的一端上且与氟醚油腔连通，另一端固定在涡轮泵壳体上且与封闭油腔连接，所述缸盖固定在油缸的另一端，所述平衡回路的一端固定在缸盖上且通过缸盖与推进剂腔连通，所述平衡回路的另一端固定在涡轮泵泵体上且与氧化剂泵进口管路连通。为了克服发动机涡轮泵双端面密封结构工作中出现氟醚油腔异常高压导致端面密封破坏现象，本发明稳压装置体积小、重量轻、耐高温、耐腐蚀、既有利于长期贮存又不需要二次维护，同时能够消除油腔高压的稳压装置。

Description

一种涡轮泵双端面密封稳压装置

技术领域

本发明涉及一种稳压装置，特别是一种适用于发动机涡轮泵双端面密封新型稳压装置，可用于发动机涡轮泵双端面密封结构的润滑、稳压、卸压、保压。

背景技术

涡轮泵作为发动机的心脏，具有高温、高压、高转速、腐蚀性介质工作的特征。涡轮泵包括泵、涡轮以及各种密封组件等。某定型状态的发动机涡轮泵的氧化剂泵与涡轮之间采用了双端面密封结构，弹簧式端面密封2是主密封，靠近氧化剂泵，膜盒式端面密封1是辅助密封，靠近涡轮侧，两道密封之间是封闭油腔12，加注氟醚油起到冷却、润滑作用。近年来，涡轮泵在试车中出现了双端面密封由于氧化剂密封泄漏氟醚油腔产生异常高压导致密封失效(膜盒式静环组件石墨环被磨秃，动环被磨削出沟槽，膜盒被压缩至并圈，且产生塑性变形，失去弹性等)现象。涡轮泵双端面密封可靠性不足这一突出问题严重影响着发动机的寿命和可靠性。因此，研发一种涡轮泵双端面密封新型稳压装置既要能实现消除双端面密封氟醚油腔瞬间高压，提高涡轮泵双端面密封的可靠性，又要满足宇航产品的体积小、重量轻、耐高温、耐腐蚀，可维护性好，有利于长期贮存等技术要求。

目前有基于气体活塞式的油气源组件技术来解决上述密封失效等问题，但是该油气源组件在靶场每次发射前均需要人工进行预充气及密封性检查，不利于发动机的长期贮存和发射维护，对火箭的发射准备工作造成了一定的影响，而且该油气源组件结构尺寸较大(185×158×70mm)。

一方面从结构上来说普通的稳压装置在发动机现有的空间尺寸(轴向不大于145mm，径向不大于55mm)和重量要求(小于0.5kg)限制下，难以满足工程要求；另一方面从性能要求上，普通的稳压装置难以满足耐腐蚀(四氧化二氮介质)、耐高温同时具备保压、消除高压和保证双端面密封充分润滑的功能。

发明内容

为了克服发动机涡轮泵双端面密封结构工作中出现氟醚油腔异常高压导致端面密封破坏现象，解决现有的稳压装置需要二次维护(需要补充气，不利于长期贮存)、可靠性低、稳压能力有限等方面的缺点，本发明提供一种涡轮泵双端面密封新型稳压装置，该装置体积小、重量轻、耐高温、耐腐蚀、既有利于长期贮存又不需要二次维护，同时能够消除油腔高压的稳压装置。

本发明的技术解决方案为：

涡轮泵双端面密封新型稳压装置，其特殊之处在于：包括固定在涡轮泵泵体3上的油缸6、进油导管4、平衡活塞5、缸盖7以及平衡回路8，所述平衡活塞5将油缸6分成氟醚油腔61和推进剂腔62，所述进油导管4的一端固定在油缸6的一端上且与氟醚油腔61连通，另一端固定在涡轮泵壳体上且与封闭油腔12连接，所述缸盖7固定在油缸6的另一端，所述平衡回路8的一端固定在缸盖7上且通过缸盖7与推进剂腔62连通，所述平衡回路8的另一端固定在涡轮泵泵体3上且与氧化剂泵进口管路10连通。

上述平衡活塞5的动密封胶圈压缩量为7％-10％。

上述平衡活塞5的动密封胶圈的压缩量为8.2％。

上述平衡活塞5的动密封胶圈的材料为F207。

上述油缸6通过卡箍9固定在涡轮泵泵体3上。

本发明具有以下优点：

1、维护性好、满足长期贮存：为解决新型稳压装置平衡路压力平衡的问题，创新性的采用流体-机械动平衡原理设计平衡回路，工作时利用氧化剂泵自身入口压力提供稳定的平衡压力源，有效保证端面密封供油和润滑；非工作时平衡活塞处于自由状态，与传统技术相比，避免了由于使用充气、胶囊等蓄能技术带来的维护成本高(发射前需要充气)、不利于长期贮存(气压不足、泄漏，胶囊长期受压后性能下降)、可靠性低(弹簧长期受压)等的缺点，不需要维护，能够满足发动机长期贮存要求。

2、耐高温、耐腐蚀、反映灵敏性：高温油腔采用焊接技术与稳压装置进油导管连接，增强连接可靠性与耐高温性能；活塞与缸体间动、静密封采用耐腐蚀、耐高温材料(F207)，可在能够用于200℃、四氧化二氮介质中可靠工作；通过设计计算、活塞灵敏性试验确定动密封胶圈压缩量为7％～10％，试验验证活塞动作压力0.02MPa。既保证活塞灵活性及多次动作又保证密封性。避免了传统技术中，充气、弹簧式蓄能装置活塞惯性大、反映灵敏性差和胶囊式蓄能技术中适用温度低(小于100℃)的缺点。

3、体积小、重量轻、消除油腔异常高压：计算和试验研究确定双端面密封泄漏四氧化二氮介质液-气相变后产生油腔高压的机理，设计活塞、缸体尺寸、容腔比3.9，达到消除油腔高压目的。进油管路采用焊接方式与涡轮泵连接，既节省空间尺寸、减轻重量又起到轴向固定、承力作用，直接利用氧化剂泵壳体法兰面设计径向卡箍，既承载又不占用有限空间，同时保证了结构可靠性，实现了结构小、重量轻(0.36kg)、适用压力边界宽的目标。

4、稳压效果好，工程实用性强，能够实现涡轮泵多次启动：新型稳压装置双端面密封结构不仅解决了原涡轮泵双端面密封加注氟醚油的死腔和容易形成高压的现象，经涡轮泵联动试验测量氟醚油腔压力为0.2MPa，同时增加了氟醚油加注量有效保证了对端面密封可靠工作的充分润滑、冷却，经试验验证涡轮泵实现多次启动，端面密封能够可靠工作。

附图说明

图1为本发明涡轮泵双端面密封新型稳压装置结构示意图；

图2为本发明的油缸、活塞、缸盖、进油导管、平衡回路剖面图；

图3为本发明的外形装配图；

图4为本发明的试验测量双端面间的封闭油腔内部压力曲线，其中：横坐标为试车时间，纵坐标为封闭油腔内部压力；

其中附图标记为：1-膜盒式端面密封，2-弹簧式端面密封，3-涡轮泵泵体，4-进油导管，5-平衡活塞，6-油缸，7-缸盖，8-平衡回路，9-卡箍，10-氧化剂泵进口管路，11-涡轮转子，12-封闭油腔，61-氟醚油腔，62-推进剂腔。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，一种涡轮泵双端面密封新型稳压装置包括进油导管4、平衡活塞5、油缸6、缸盖7、平衡回路8，卡箍9组成，适用于发动机涡轮泵双端面密封结构，总计重量0.36kg。

稳压装置一端通过进油导管4与发动机涡轮泵双端面密封之间的封闭油腔12相连接，另一端通过平衡回路8与氧化剂泵进口管路10相连接，发动机自然贮存时，新型稳压装置密封件可满足25年以上长期贮存，且新型稳压装置工作时的活塞平衡回路压力是来自外部提供给氧化剂泵入口的压力，稳压装置与发动机是同步工作和同步贮存。因此，新型稳压装置在自然贮存下，不受除重力以外的任何外力、内力，既保障了长期贮存又实现了免二次维护。发动机启动后，稳压装置利用外部提供给氧化剂泵进口管路10的0.35MPa恒压源依次通过平衡回路8、平衡活塞5、氟醚油腔61、进油导管4传递到工作侧(涡轮泵双端面密封油腔12，不断补充并保障氟醚油对涡轮泵双端面密封的充分润滑、冷却；当涡轮泵双端面密封油腔12内压力升高到大于平衡回路压力时，平衡活塞5向推进剂腔62侧移动保证油腔压力不高于平衡压力，保障涡轮泵双端面密封可靠(不被高油腔压力破坏)、稳定工作。

上述方案的原理是：充分利用外部提供给发动机系统的泵入口压力源，与火箭同步工作既实现平衡回路的动态恒压，又实现了自然贮存的免维护性。发动机工作时，稳压装置通过平衡活塞通过流体-机械动平衡原理，从而既保证涡轮泵双端面密封有效润滑冷却，又保证了即使出现介质泄漏氟醚油腔产生高压，也不会使得双端面密封结构因死腔结构从而产生破坏失效，实现涡轮泵双端面密封油腔稳压、保压和消除异常高压的功能，保障了发动机涡轮泵的密封可靠性。发动机自然贮存时，新型稳压装置不会因需通过额外压力源(充气式)提供平衡压力而造成活塞、油缸及端面密封油腔长期受力或贮存期内压力源不稳定(发射前补充气)等可靠性风险。

实施例：

正常涡轮泵装配时，双端面密封油腔12注满约28mL氟醚油。涡轮泵在无稳压装置情况下，理论计算弹簧式端面密封泄漏液态氧化剂量为1mL。该泄漏量的氧化剂介质在密封油腔剩余空腔(取经验值最大8mL容腔)吸热气化并迅速膨胀憋压，油腔压力瞬间能够升高到7.6MPa。要使该泄漏量下，氧化剂弹簧式端面密封不破坏(油腔压力≤1.8MPa)，通过上述气体等温计算知道，油腔压力从7.6MPa降低至1.8MPa至少需要33.78mL的有效容积才能达到卸压作用。本发明的设计油缸总容积66.12mL，增加氟醚油加注量至50mL，有效容积40mL，设计卸压能力达到9MPa。

新型稳压装置平衡活塞5是实现液压能相互转化的主要零件。平衡活塞的密封是整个设计中很重要的一个环节，其密封程度的好坏直接关系到稳压装置的工作性能。平衡活塞5在工作中往复移动，与内缸体内壁产生摩擦，因此这两者之间应采用精度较高的间隙配合。如果配合间隙过大，会引起推进剂介质从平衡活塞处内漏，不仅达不到稳压效果，反而会加速涡轮泵端面密封破坏；如果配合过紧，不仅会加速密封件的破坏，而且会导致平衡活塞反应灵敏性差，降低稳压装置性能。通过设计计算、活塞灵敏性试验确定动密封胶圈压缩量为7％～10％，优选量为8.2％，试验验证活塞动作压力0.02MPa。既保证活塞灵活性及多次动作又保证密封性。

卡箍9是用于连接和固定稳压装置组件，同时要考虑到涡轮泵实际空间结构及装配工艺。根据涡轮泵实际装配工艺，最可行方案是在氧化剂泵Y进口管和Y壳体组将对接法兰连接处，通过加长连接螺栓，设计方便安装的固定装置。

稳压装置一端通过进油导管4与发动机涡轮泵双端面密封油腔通过焊接方式固定相通，增强连接可靠性与耐高温性能同时也节省了空间尺寸、减轻重量又起到轴向固定。稳压装置的另一端通过平衡回路8与氧化剂泵进口管路相连接，工作时利用氧化剂泵自身入口压力为稳压装置平衡活塞提供0.35MPa的恒压源依次通过平衡回路8、平衡活塞5、进油导管4传递到工作侧(涡轮泵双端面密封油腔)，保障氟醚油对涡轮泵双端面密封的充分润滑、冷却。当涡轮泵工作时双端面密封油腔压力升高到P1>P2时(P1为油腔压力，P2为平衡回路压力)平衡活塞向推进剂腔侧移动进一步降低油腔压力。在涡轮泵工作过程中，当氟醚油的不断被消耗，平衡活塞油腔侧压力将逐渐降低，这时P1<P2，于是平衡回路氧化剂将推动平衡活塞向氟醚油腔侧移动，将平衡装置中的氟醚油在平衡压力作用下供应到涡轮泵密封油腔。发动机自然贮存时，由于发动机不工作，新型稳压装置平衡回路没有压力源，因此不会由于需通过额外压力源提供平衡压力而造成活塞、油缸及端面密封油腔长期受力或贮存期内压力源不稳定等可靠性风险，这样既保证了稳压装置与发动机涡轮泵工作的同步性，又避免了由于使用充气、胶囊等蓄能技术带来的维护成本高(发射前需要充气)、不利于长期贮存(气压不足、泄漏，胶囊长期受压后性能下降)、可靠性低(弹簧长期受压)等的缺点，不需要维护，能够满足火箭发动机长期贮存要求。

试验表明：如图4所示，在不带稳压装置的两次试验过中，涡轮泵双端面密封油腔在涡轮泵工作20s左右由于介质泄漏、摩擦热、涡轮腔传热等导致氟醚油腔压力曲线均出现了压力峰值，严重的最高油腔压力达到7.6MPa(如图4曲线2所示)，端面密封严重破坏，正常情况涡轮泵双端面密封油腔亦出现了的启动压力峰，达到1.7MPa(如图4曲线3所示)，且油腔压力呈波动状态(不利于端面密封稳定工作)。在带新型稳压装置的涡轮泵热试验中，涡轮泵总共工作三次，在稳压装置作用下，密封油腔压力始终平稳，压力为0.2MPa(如图4曲线1所示)，三次试车均成功，端面密封完好，稳压效果显著。

Claims (4)

1.涡轮泵双端面密封稳压装置，其特征在于：包括固定在涡轮泵泵体(3)上的油缸(6)、进油导管(4)、平衡活塞(5)、缸盖(7)以及平衡回路(8)，所述平衡活塞(5)将油缸(6)分成氟醚油腔(61)和推进剂腔(62)，所述进油导管(4)的一端固定在油缸(6)的一端上且与氟醚油腔(61)连通，另一端固定在涡轮泵壳体上且与封闭油腔(12)连接，所述缸盖(7)固定在油缸(6)的另一端，所述平衡回路(8)的一端固定在缸盖(7)上且通过缸盖(7)与推进剂腔(62)连通，所述平衡回路(8)的另一端固定在涡轮泵泵体(3)上且与氧化剂泵进口管路(10)连通。

2.根据权利要求1所述的涡轮泵双端面密封稳压装置，其特征在于：所述平衡活塞(5)的动密封胶圈压缩量为7％-10％。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮泵双端面密封稳压装置，其特征在于：所述平衡活塞(5)的动密封胶圈的压缩量为8.2％。

4.根据权利要求3所述的涡轮泵双端面密封稳压装置，其特征在于：所述油缸(6)通过卡箍(9)固定在涡轮泵泵体(3)上。