CN105971924A - 一种氢氧发动机氧涡轮泵用圆周分段式氦密封装置 - Google Patents

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张玺
张召磊
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Abstract

本发明提出一种氢氧发动机氧涡轮泵用圆周分段式氦密封装置，其在盖板和密封壳体形成的腔内放置圆周分段密封环一和圆周分段密封环二；在圆周分段密封环一和圆周分段密封环二的圆环内放置密封轴套；所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二背靠背放置并且两者之间采用预紧弹簧预紧；所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二分别由若干个结构相同的扇形状弧段首尾相连组成，并且在外圆面通过箍簧约束。本发明中密封环由若干扇形弧段构成，并引入流体动压槽结构，充分利用密封间隙流体的动压效应，使得氦密封在极小的间隙下可靠工作，并维持较低泄漏量。

Description

一种氢氧发动机氧涡轮泵用圆周分段式氦密封装置
技术领域
本发明涉及密封装置，具体涉及一种氢氧发动机氧涡轮泵用圆周分段式氦密封装置。
背景技术
新世纪以来，世界范围内迎来了一波航天科技发展的大潮。世界各航天大国纷纷提出了振兴航天的一系列大工程，如登陆火星、探月等，而大推力火箭是完成这些计划必不可少的运输工具。氢氧火箭发动机具有高比冲、高可靠性、良好的适应性，以及无污染等优点，在国内外新一代运载火箭中得到普遍应用。氧涡轮泵是氢氧火箭发动机的核心组件之一，采用富氢燃气涡轮驱动高压氧泵，为保证氧涡轮泵安全、可靠工作，需完全隔离液氧与富氢燃气，氦密封是实现这两种不兼容介质完全隔离的关键组件，其隔离氦气用量影响到火箭的有效载荷，是一个需要严格控制的指标。目前氢氧火箭发动机氧涡轮泵的氦密封主要采用端面密封、迷宫密封和流体动压浮动环等结构形式。端面密封存在结构复杂、尺寸大、制造散差大、摩擦生热量大、可靠性偏低等缺点。迷宫密封泄漏量大，无法满足发动机性能要求。流体动压浮动环适合于低粘度气体介质场合，其泄漏量介于端面密封与迷宫密封之间，可靠性高，但随着结构尺寸增大，泄漏量会大幅提高。随着火箭发动机推力进一步加大，氧涡轮泵结构尺寸增大，而系统要求氧涡轮泵氦密封具有氦泄漏量低、结构简单、寿命长、可靠性高等特性。上述端面密封、迷宫密封和流体动压浮动环密封均不再满足要求。
发明内容
为了克服氢氧发动机氧涡轮泵传统的端面密封、迷宫密封和流体动压浮动环密封一系列不适应于大推力发动机要求的缺点，本发明提出一种氢氧发动机氧涡轮泵用圆周分段式氦密封装置，其工作密封间隙极小、泄漏率低于流体动压浮动环0.2倍(相同的密封直径)、结构简单、可靠性高。
实现本发明目的的技术方案：一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其在盖板和密封壳体形成的腔内放置圆周分段密封环一和圆周分段密封环二；在圆周分段密封环一和圆周分段密封环二的圆环内放置密封轴套；所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二背靠背放置并且两者之间采用预紧弹簧预紧；所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二分别由若干个结构相同的扇形状弧段首尾相连组成，并且在外圆面通过箍簧约束；装配状态下，受箍簧约束的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二抱紧于密封轴套外表面以形成径向密封面，并且受预紧弹簧的作用，圆周分段密封环一和圆周分段密封环二的端面分别贴紧于密封壳体和盖板对应的端面上以形成轴向密封面，在圆周分段密封环一和圆周分段密封环二、盖板、密封壳体和密封轴套之间形成一个氦密封腔。
如上所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二的每个扇形状弧段一侧内表面带有一个密封坝，其与低压区密封轴套之间接触或保持小间隙，起到有效节流、密封作用；在密封坝上游设置一个周向槽，在周向槽与氦密封腔之间的密封面上设置若干个横向槽，其方向从氦密封腔指向低压区，每个横向槽均连着周向槽，氦密封腔中的介质通过横向槽进入周向槽，被密封坝节流；横向槽将密封面分割成若干个独立的密封瓦，在每个密封瓦上均设置一个动压槽，动压槽一端开口处连着横向槽，另一端沿着周向在密封瓦的某处截止，即动压槽终点；动压槽具有动压效应，进入横向槽的介质沿周向进入动压槽，受动压槽终点的节流，在动压槽和密封瓦上产生动压力。横向槽将密封面分割成若干个独立的密封瓦，在每个密封瓦上均设置一个动压槽，动压槽一端开口处连着横向槽；动压槽具有动压效应，进入横向槽的介质沿周向进入动压槽，受动压槽终点的节流，在动压槽和密封瓦上产生动压力。
如上所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其在所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二的外圆面上设置一圈环槽，用于放置箍簧。
如上所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其在所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二靠近氦密封腔的上游端面上均布若干个圆孔用于放置预紧弹簧。
如上所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其在所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二靠近低压区的下游端面上设置一段卸荷环槽，其作用是部分平衡上游端面压力。
如上所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其在密封壳体和盖板上分别设置若干个销钉，装配时，这些销钉分别放置于圆周分段密封环一和圆周分段密封环二上设有的销钉槽内，起到防止圆周分段密封环一和圆周分段密封环二旋转的作用。
如上所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其在所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二靠近低压区的下游端面上还设置若干个销钉槽，用于容纳密封壳体和盖板上的销钉。
如上所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其所述的圆周分段密封环一和圆周分段密封环二采用石墨材料，与其配合的密封轴套采用金属基体喷涂氧化铬涂层，两者之间形成良好的摩擦副。
本发明的效果在于：本发明提供一种氢氧火箭发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其密封环由若干扇形弧段构成，并引入流体动压槽结构，充分利用密封间隙流体的动压效应，使得氦密封在极小的间隙下可靠工作，并维持较低泄漏量。进一步讲，本发明设计的圆周分段式氦密封装置适用于氢氧发动机氧涡轮泵，与现有技术相比优点在于：
(1)圆周分段密封环具有动压浮动能力。在发动机预冷阶段，圆周分段氦密封环抱紧密封轴套，两者的配合密封面直径相同，因此间隙极小，泄漏量小。当发动机主级工作时，涡轮泵转子旋转，使圆周分段密封环内表面产生动压效应，其动压力克服外载荷，使得圆周分段密封环浮起，与密封轴套保持极小的密封间隙，泄漏量与预冷阶段基本一致。
(2)在发动机主级阶段，圆周分段密封环动压力足以使其与密封轴套保持极小的密封间隙，避免两者之间接触摩擦。仅在发动机启动和关机过渡段，因圆周分段密封环动压力不足，其与密封轴套存在瞬间接触，这种瞬间接触磨损减小了圆周分段密封环上动压槽的深度，反而提高了其动压能力，反过来减小了因过渡阶段瞬间接触摩擦的可能性，并且稍微增大主级工作的密封间隙，延长圆周分段氦密封装置使用寿命，提高其重复使用能力和工作可靠性。
(3)圆周分段式氦密封装置轴向尺寸比端面密封和浮动环密封都更小，可有效减小涡轮泵转子悬臂尺寸，对转子动特性调整更有利，尤其适合于提高刚性转子临界转速。
(4)相比浮动环式氦密封，可将圆周分段式氦密封的氦密封腔供气压力进一步降低，而不影响工作性能，可以有效控制氦泄漏率。
(5)圆周分段式氦密封装置结构简单，装配方便，结构可靠性高。
附图说明
图1为圆周分段式氦密封装置结构示意图；
图2为圆周分段式氦密封装置剖视图；
图3为圆周分段式氦密封装置局部放大图；
图4为圆周分段密封环一单弧段展开图；
图5为圆周分段密封环二单弧段展开图；
图6为图4中圆周分段密封环的A向视图；
图7为图4中圆周分段密封环的B向视图；
图8为预先安装销钉的密封壳体结构图；
图9为预先安装销钉的盖板结构图。
图中：1.圆周分段密封环一；2.圆周分段密封环二；3.密封壳体；4.盖板；5.密封轴套；6.箍簧；7.预紧弹簧；8.销钉；9.密封垫圈；10.螺栓；11.垫圈；12.径向密封面；13.轴向密封面；14.氦密封腔；15.扇形状弧段；16.周向槽；17.密封坝；19.横向槽；20.动压槽；21.密封瓦；22.环槽；23.圆孔；24.卸荷环槽；28.销钉槽。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明所述的一种氢氧火箭发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置作进一步详细说明。
本发明所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其包括两组圆周分段氦密封环1和2、密封壳体3、盖板4、箍簧6、预紧弹簧7、销钉8、密封垫圈9、螺栓10、垫圈11以及密封轴套5等。圆周分段氦密封装置两侧为氧腔和富氢燃气腔，工作时从供氦通道供应一定压力的氦气，保证氦密封腔压力比两侧氧腔和富氢燃气腔压力高于一定值，可有效隔离两种不兼容介质。
如图1所示，在盖板4和密封壳体3形成的腔内放置圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2；在圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2的圆环内放置密封轴套5。
圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2背靠背放置并且的两者之间采用预紧弹簧7预紧。
如图2所示，圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2分别由3个结构相同的扇形状弧段15首尾相连组成，并且在外圆面通过箍簧6约束。
如图3所示，装配状态下，受箍簧6约束的圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2抱紧于密封轴套5外表面以形成径向密封面12，并且受预紧弹簧7的作用，圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2的端面分别贴紧于密封壳体3和盖板4对应的端面上以形成轴向密封面13，在圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2、盖板4、密封壳体3和密封轴套5之间形成一个氦密封腔14。隔离氦气从图1所示的氦气进口处供入，进入氦密封腔14，经两组圆周分段氦密封环节流、减压，分别泄出到两侧低压区。保证氦密封腔压力比两侧低压区压力高于一定值，就能完全隔离两侧低压区的不兼容介质。
圆周分段密封环1和2单个弧段内表面的平面展开图分别见图4和图5。以图4为例，每个扇形状弧段15一侧内表面带有一个密封坝17，其与低压区密封轴套4之间接触或保持小间隙，起到有效节流、密封作用。在密封坝17上游设置一个周向槽16，在周向槽16与氦密封腔14之间的密封面上设置若干个横向槽19，其方向从氦密封腔指向低压区，每个横向槽19均连着周向槽16，氦密封腔中的介质通过横向槽19进入周向槽16，被密封坝17节流。横向槽19将密封面分割成若干个独立的密封瓦21，在每个密封瓦21上均设置一个动压槽20，动压槽20一端开口处连着横向槽19，另一端沿着周向在密封瓦21的某处截止，即动压槽终点；动压槽20具有动压效应，当涡轮泵转子转动时，进入横向槽19的介质沿周向进入动压槽20，受动压槽终点的节流，在动压槽20和密封瓦21上产生动压力。当动压力足够大时，克服圆周分段密封环所受外载荷，使密封环内表面脱离密封轴套而浮起，密封间隙高度增大。
如图6所示，在圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2的外圆面上设置一圈环槽22，用于放置箍簧6。在圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2靠近氦密封腔的上游端面上均布若干个圆孔23用于放置预紧弹簧7。
如图7所示，在圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2靠近低压区的下游端面上设置一段卸荷环槽24，其作用是部分平衡上游端面压力。
如图8和图9所示，密封壳体3和盖板4上分别设置若干个销钉8，在圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2靠近低压区的下游端面上还设置若干个销钉槽28，在装配时，这些销钉8分别放置于圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2上设有的销钉槽28内，起到防止圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2旋转的作用。
本发明所述的圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2采用石墨材料，与其配合的密封轴套5采用金属基体喷涂氧化铬涂层，两者之间形成良好的摩擦副。
圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2具有动压浮动能力。在火箭发动机预冷阶段，圆周分段密封环一1和圆周分段密封环二2受箍簧6和预紧弹簧7约束，在氦密封腔14压力作用下紧贴密封壳体3、盖板4和密封轴套5表面，此时经两组密封环泄出的介质极少。当涡轮泵工作时，涡轮泵转子转动，在密封面内产生动压力克服阻力使密封环段浮起，与转子形成极小的间隙，保持极小的泄漏量，并且避免圆周分段封环与密封轴套摩擦接触。

Claims (10)

1.一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：在盖板(4)和密封壳体(3)形成的腔内放置圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)；在圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)的圆环内放置密封轴套(5)；
所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)背靠背放置并且的两者之间采用预紧弹簧(7)预紧；
所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)分别由若干个结构相同的扇形状弧段(15)首尾相连组成，并且在外圆面通过箍簧(6)约束；
装配状态下，受箍簧(6)约束的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)抱紧于密封轴套(5)外表面以形成径向密封面(12)，并且受预紧弹簧(7)的作用，圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)的端面分别贴紧于盖板(4)和密封壳体(3)对应的端面上以形成轴向密封面(13)，在圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)、盖板(4)、密封壳体(3)和密封轴套(5)之间形成一个氦密封腔(14)。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)的每个扇形状弧段(15)一侧内表面带有一个密封坝(17)，其与低压区密封轴套(4)之间接触或保持小间隙，起到有效节流、密封作用；
在密封坝(17)上游设置一个周向槽(16)，在周向槽(16)与氦密封腔(14)之间的密封面上设置若干个横向槽(19)，其方向从氦密封腔指向低压区，每个横向槽(19)均连着周向槽(16)，氦密封腔中的介质通过横向槽(19)进入周向槽(16)，被密封坝(17)节流；
横向槽(19)将密封面分割成若干个独立的密封瓦(21)，在每个密封瓦(21)上均设置一个动压槽(20)，动压槽(20)一端开口处连着横向槽(19)，另一端沿着周向在密封瓦(21)的某处截止，即动压槽终点；动压槽(20)具有动压效应，进入横向槽(19)的介质沿周向进入动压槽(20)，受动压槽终点的节流，在动压槽(20)和密封瓦(21)上产生动压力。
3.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：在所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)的外圆面上设置一圈环槽(22)，用于放置箍簧(6)。
4.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：在所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)靠近氦密封腔的上游端面上均布若干个圆孔(23)用于放置预紧弹簧(7)。
5.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：在所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)靠近低压区的下游端面上设置一段卸荷环槽(24)，其作用是部分平衡上游端面压力。
6.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：在密封壳体(3)和盖板(4)上分别设置若干个销钉(8)，装配时，这些销钉分别放置于圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)上设有的销钉槽内，起到防止圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)旋转的作用。
7.根据权利要求6所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：在所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)靠近低压区的下游端面上还设置若干个销钉槽(28)，用于容纳密封壳体(3)和盖板(4)上的销钉(8)。
8.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：所述的圆周分段密封环一(1)和圆周分段密封环二(2)采用石墨材料，与其配合的密封轴套(5)采用金属基体喷涂氧化铬涂层，两者之间形成良好的摩擦副。
9.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：所述的密封壳体(3)和盖板(4)之间还放置一个密封垫圈(9)，其作用是阻止氦密封腔(14)介质从密封壳体(3)和盖板(4)接触面之间泄漏。
10.根据权利要求1所述的一种用于氢氧发动机氧涡轮泵圆周分段式氦密封装置，其特征在于：采用螺栓(10)和垫圈(11)将所述的密封壳体(3)、盖板(4)紧固于密封壳体(3)上，使圆周分段式氦密封装置形成一个整体，并使密封垫圈(11)承受一定压力。
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