CN107014562B - 一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置 - Google Patents

Abstract

一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置，包括主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)、油封壳体(3)；主支撑壳体二(2)小端通过端部的法兰盘与主支撑壳体一(1)小端连接；涡轮泵转子通过轴承安装在连接后的主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)组合结构内；主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)的大端分别固定在摆架一(4)、摆架二(5)的环形框内；油封壳体(3)与主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)、涡轮泵转子、摆架一(4)、摆架二(5)之间连接，形成密封腔。本发明具备单支座进油、双向喷油的润滑冷却轴承功能，以及对转子的振动位移测量功能。

Description

一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置

技术领域

本发明涉及一种涡轮泵柔性转子的支承装置。

背景技术

氢氧发动机的涡轮泵是输送液氢液氧推进剂的关键组件，其运行状态的 好坏将直接影响发动机的性能和可靠性，目前国内外氢氧发动机涡轮泵的工 作转速普遍较高，一般在20000r/min以上，常采用工作在一、二阶甚至二、 三阶临界转速之间的柔性转子设计。高转速给涡轮泵转子的平稳工作带来了挑战，必须采用高速动平衡工艺对其进行平衡，以使转子在工作转速下运转 平稳，振动幅值处于设计允许范围内。在高速动平衡时，由于转子径向尺寸 与动平衡机支座内孔尺寸存在一定差距，往往远远小于支座内孔尺寸，为了保证转子平衡质量，需要一种转子支承装置，在支座与转子支点之间提供过 渡支承的作用。目前氢氧火箭发动机涡轮泵的高速动平衡支承装置主要采用 上下分半或两体分离型支承结构，这些结构形式存在的主要问题有：1)上 下分半式支承装置内部无法设置定位面，导致两支承内孔同轴度差，对高速 动平衡造成消极影响；2)两体分离型支承结构复杂，定位精度不高；3)上 述两种支承形式跨距偏大，无法适用于小跨距转子的高速动平衡；4)功能 单一，仅能起到支承作用，对轴承的冷却需要两路进油管路，对润滑冷却油 的利用率不高，耗油量大；5)无冷却油密封功能，不利于试验台的清洁；6) 装置不具备振动位移测量功能，需要额外增加设备，降低高速动平衡效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种液体火 箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置，能适应小跨距的涡轮泵转 子，具备单支座进油、双向喷油的润滑冷却轴承功能，以及对转子的振动位 移测量功能，刚性大、固有频率高，拆装方便，与高速动平衡机支座的连接 精度高，同时具备高性能的冷却油密封装置，可靠性高。

本发明所采用的技术方案是：一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速 动平衡支承装置，包括主支撑壳体一、主支撑壳体二、油封壳体；主支撑壳 体一为台阶状回转体，沿主支撑壳体一轴线的通孔包括三段，通孔中段的直 径小于其余两段的直径，主支撑壳体一侧壁上开有冷却润滑油通道；各条冷 却润滑油通道沿主支撑壳体一大端径向穿入后再沿小端轴向，末端开有油喷嘴，油喷嘴位于主支撑壳体一小端端口的内壁上；主支撑壳体二为回转体， 包括三段结构，两端为圆筒，中段为圆锥状壳体，主支撑壳体二小端通过端 部的法兰盘与主支撑壳体一小端连接；涡轮泵转子通过轴承安装在连接后的 主支撑壳体一、主支撑壳体二组合结构内；主支撑壳体一、主支撑壳体二的 大端分别固定在摆架一、摆架二的环形框内，摆架一环形框上的输油通道与 冷却润滑油通道连通，冷却润滑油沿冷却润滑通道、油喷嘴对的涡轮泵转子轴承进行润滑冷却；涡轮泵转子轴伸出主支撑壳体一的部分与摆架一之间、 涡轮泵转子轴伸出主支撑壳体二的部分与摆架二之间、主支撑壳体一和主支 撑壳体二的连接处与摆架一之间、主支撑壳体一和主支撑壳体二的连接处与 摆架二之间分别安装有油封壳体，形成密封腔。

所述主支撑壳体一小端端口处设有圆周定位槽，与主支撑壳体二小端端 口外的圆周定位凸台相配合，保证主支撑壳体一、主支撑壳体二同轴。

所述主支撑壳体一小端端面或主支撑壳体二小端法兰盘上设有定位销 孔，通过安装在定位销孔内的定位销实现主支撑壳体一、主支撑壳体二的定 位。

所述各油封壳体均为沿直径上下分瓣的回转体结构，与摆架一、摆架二 之间通过摆架一、摆架二环形框上的法兰面连接，下半部的油封壳体的内圆 面设置了导流斜坡。

所述主支撑壳体一大端的圆孔底面或主支撑壳体二大端端面各开有4 个振动位移传感器接口，其中，两个振动位移传感器接口连线的中垂线过所 在平面的圆心，另外两个振动位移传感器接口连线的中垂线过所在平面的圆 心，且上述两条中垂线相互垂直。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明装置已经多次成功应用于低温液体火箭发动机涡轮泵柔性 转子的高速动平衡及动特性试验中，动平衡效果良好，装配可靠性高。

(2)本发明装置采用整圆结构，并通过螺栓、定位销和定位面将K1 和K2壳体连接为一体式结构，保证了装置的支承刚度和结构刚度。使装置 固有频率高达2000HZ，最高平衡工作转速可达60000r/min以上。

(3)本发明装置的整圆结构形式能够确保装置的支承内孔及外圆定位 面基准一致，提高了转子与高速动平衡机驱动连接装置对接的同心度，也提 高了组合转子两支点的同心度。避免了上下分半式支承装置内部无法设置定 位面，导致两支承内孔同轴度差的弊端。

(4)本发明装置的一体式结构最大程度简化了转子与高速动平衡机支 座的转接件数量，大幅削减了过多的连接、配合环节导致的装配精度误差， 定位精度高。

(5)本发明装置内设润滑冷却油路，避免了外接轴承润滑油管，简化 了装配流程，实现了轴承的冷却、润滑功能。同时，两端轴承的喷油嘴的润 滑冷却油的来源均在一个高速动平衡机支座上，避免了双支座进油导致大量 油参与无用循环，提高了油的利用效率。

(6)本发明装置上的油封壳体通过动静配合形成动密封，使腔内绝大 部分润滑油只能流入支座A和支座B上的回油孔，大大减小了润滑冷却油的外漏。

(7)本发明装置上布置多个振动位移测点接口，可实现同时布置6个 位移测点，避免了采用磁力吸座固定传感器造成的支撑不稳、测试位置不准 确等问题，提高了测试的安全性和精确性。

附图说明

图1为本发明的支承装置的应用装配图；

图2为本发明的主支撑壳体一、主支撑壳体二的连接关系主视图；

图3为本发明的主支撑壳体一的右视图；

图4为本发明的主支撑壳体一的剖视图；

图5为本发明的主支撑壳体一的左视图；

图6为本发明的主支撑壳体一上冷却润滑油通道的剖视图；

图7为本发明的主支撑壳体二的右视图；

图8、图9为本发明的主支撑壳体二的剖视图；

图10为本发明的主支撑壳体二的左视图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支 承装置，包括主支撑壳体一1、主支撑壳体二2、油封壳体3；主支撑壳体 一1和主支撑壳体二2均为完整回转体结构，油封壳体3为上下分半的回转 体结构。高速动平衡时，将主支撑壳体一1、主支撑壳体二2用螺栓连接为 一整体后安装在摆架一4、摆架二5上，转子的支承结构装配在主支撑壳体 的内孔法兰上。

如图3～图6所示，主支撑壳体一1为台阶状回转体，沿主支撑壳体一 1轴线的通孔包括三段，通孔中段的直径小于其余两段的直径，主支撑壳体 一1侧壁上开有冷却润滑油通道14；各条冷却润滑油通道14沿主支撑壳体 一1大端径向穿入后再沿小端轴向，末端开有油喷嘴，油喷嘴位于主支撑壳 体一1小端端口的内壁上；如图7～图10所示，主支撑壳体二2为回转体， 包括三段结构，两端为圆筒，中段为圆锥状壳体，主支撑壳体二2小端通过端部的法兰盘与主支撑壳体一1小端连接；涡轮泵转子通过轴承安装在连接 后的主支撑壳体一1、主支撑壳体二2组合结构内；主支撑壳体一1、主支 撑壳体二2的大端分别固定在摆架一4、摆架二5的环形框内，摆架一4环 形框上的输油通道与冷却润滑油通道14连通，冷却润滑油沿冷却润滑通道14、油喷嘴对的涡轮泵转子轴承进行润滑冷却；涡轮泵转子轴伸出主支撑壳 体一1的部分与摆架一4之间、涡轮泵转子轴伸出主支撑壳体二2的部分与 摆架二5之间、主支撑壳体一1和主支撑壳体二2的连接处与摆架一4之 间、主支撑壳体一1和主支撑壳体二2的连接处与摆架二5之间分别安装有 油封壳体3，形成密封腔。

该支承装置的核心结构主支撑壳体1、2由主支撑壳体一1、主支撑壳 体二2两个壳体采用螺栓连接紧固成一体，如图2所示。两壳体之间分别设 置圆周定位槽11、圆周定位凸台21以保证主支撑壳体一1和主支撑壳体二 2的连接同心度，两壳体在分别加工完成后，需在螺栓连接状态下对支承内 孔进行组合镗工序，并在两壳体连接面的定位销孔12、22处设置定位销， 从而保证高速动平衡时转子两支点的同心度。同时在主支撑壳体一1、主支 撑壳体二2上设置了用于测量转子涡轮端和泵端的振动情况的振动位移传感器接口13、23，接口采用互成90°布置，主支撑壳体一1大端的圆孔底 面或主支撑壳体二2大端端面各开有4个振动位移传感器接口13、23，其 中，两个振动位移传感器接口13、23连线的中垂线过所在平面的圆心，另 外两个振动位移传感器接口13、23连线的中垂线过所在平面的圆心，且上述两条中垂线相互垂直。可以在高速动平衡或高速动特性试验过程中测定轴 系的轴心轨迹并获取x、y两方向的临界转速。此外，主支撑壳体一1上设 置了冷却润滑油通道14，并在冷却润滑油通道14末端设置了径向螺纹孔接 口，可以同时设置4组喷油嘴，在涡轮泵转子高速动平衡时，仅需从摆架一 4引入冷却润滑油，通过主支撑壳体一1上的冷却润滑油通道14进入主支 撑壳体一1内，根据需要通过4组喷油嘴分别对内部涡轮端和泵端的轴承进 行润滑冷却，由于涡轮泵转子高速动平衡时，轴承所需的润滑冷却流量<<润滑油供给能力，故此方式避免了从摆架二5引入冷却润滑油，从而避免了 大量油参与无用循环，提高了油的利用效率。

同时，该支承装置在涡轮泵转子两端和摆架一4、摆架二5之间分别设 置了铝制的油封壳体3，油封壳体3均为上下分瓣的回转体结构，通过摆架 一4、摆架二5上的法兰面连接于摆架4、5上。其中，位于转子两端的油 封壳体3与转子涡轮端和泵端的转轴部分形成动、静件配合间隙，配合间隙 值≈0.1/dd为此处的转子直径，单位mm，形成动密封，保证润滑冷却油的泄漏率≤0.7％，实现对主支撑壳体一1、主支撑壳体二2内腔大量的润滑冷 却油进行密封的功能。位于摆架一1、摆架二5之间的油封壳体3通过与主 支撑壳体一1、主支撑壳体二2外壁形成静止间隙实现密封，保证润滑冷却 油的泄漏率≤1.5％。为了进一步提高油的回流效率，将处于下半部的油封壳 体3的内圆面设置了导流斜坡，可提高润滑冷却油的回流速度10％。高速动平衡时，油封壳体3使腔内绝大部分润滑冷却油(≥97.8％)只能流入摆 架一4和摆架二5上的回油孔41、51，避免了大量润滑冷却油进入高速动 平衡设备内，提高了油的利用率，也保证动平衡机环境的整洁和操作人员的 安全。

由于实际涡轮泵转子系统工作状态下支承刚度较大，因此该装置设计为 支承刚性3×10⁸N/m，由于不采用上下分体结构，因此支承刚度各项同性， 水平与垂直方向刚度一致。同时在结构设计时为避免与高转速的涡轮泵转子 发生共振，将装置的固有频率设计为1500Hz以上(该装置达到2000Hz)， 远远高于涡轮泵转子的最高平衡转速频率(60000r/min折合1000Hz)。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置，其特征在于，包括主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)、油封壳体(3)；主支撑壳体一(1)为台阶状回转体，沿主支撑壳体一(1)轴线的通孔包括三段，通孔中段的直径小于其余两段的直径，主支撑壳体一(1)侧壁上开有冷却润滑油通道(14)；各条冷却润滑油通道(14)沿主支撑壳体一(1)大端径向穿入后再沿小端轴向，末端开有油喷嘴，油喷嘴位于主支撑壳体一(1)小端端口的内壁上；主支撑壳体二(2)为回转体，包括三段结构，两端为圆筒，中段为圆锥状壳体，主支撑壳体二(2)小端通过端部的法兰盘与主支撑壳体一(1)小端连接；涡轮泵转子通过轴承安装在连接后的主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)组合结构内；主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)的大端分别固定在摆架一(4)、摆架二(5)的环形框内，摆架一(4)环形框上的输油通道与冷却润滑油通道(14)连通，冷却润滑油沿冷却润滑油通道(14)、油喷嘴对的涡轮泵转子轴承进行润滑冷却；涡轮泵转子轴伸出主支撑壳体一(1)的部分与摆架一(4)之间、涡轮泵转子轴伸出主支撑壳体二(2)的部分与摆架二(5)之间、主支撑壳体一(1)和主支撑壳体二(2)的连接处与摆架一(4)之间、主支撑壳体一(1)和主支撑壳体二(2)的连接处与摆架二(5)之间分别安装有油封壳体(3)，形成密封腔。

2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置，其特征在于，所述主支撑壳体一(1)小端端口处设有圆周定位槽(11)，与主支撑壳体二(2)小端端口外的圆周定位凸台(21)相配合，保证主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)同轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置，其特征在于，所述主支撑壳体一(1)小端端面或主支撑壳体二(2)小端法兰盘上设有定位销孔(12，22)，通过安装在定位销孔(12，22)内的定位销实现主支撑壳体一(1)、主支撑壳体二(2)的定位。

4.根据权利要求1或2所述的一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置，其特征在于，所述各油封壳体(3)均为沿直径上下分瓣的回转体结构，与摆架一(4)、摆架二(5)之间通过摆架一(4)、摆架二(5)环形框上的法兰面连接，下半部的油封壳体(3)的内圆面设置了导流斜坡。

5.根据权利要求3所述的一种液体火箭发动机涡轮泵柔性转子高速动平衡支承装置，其特征在于，所述主支撑壳体一(1)大端的圆孔底面或主支撑壳体二(2)大端端面各开有4个振动位移传感器接口(13、23)，其中，两个振动位移传感器接口(13、23)连线的中垂线过所在平面的圆心，另外两个振动位移传感器接口(13、23)连线的中垂线过所在平面的圆心，且上述两条中垂线相互垂直。

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