CN107387261B - 一种组合式机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种组合式机械密封装置，包括动环、静环组件、静环壳体、浮动环组件和O型橡胶圈；静环组件设置在静环壳体内部，包括端面块组件、防转销钉、弹簧和阻尼带；端面块组件包括依次设置的静环、静环座、膜盒组件和后环；阻尼带位于静环壳体内表面的环形槽中；浮动环组件包括浮动环、盖板和浮动环壳体，浮动环穿过转子设置于浮动环壳体内部，盖板穿过转子分别固定设置在浮动环壳体的两侧；冷却回流通道包括依次连通的轴承轴向间隙、动环和压紧环之间的间隙、静环座平衡孔间隙、静环座与静环壳体的径向间隙、回流流道Ⅰ、积液腔、回流流道Ⅱ。本发明实现了机械密封在高温和高压工况下的长寿命、低摩擦、零泄漏的工作。

Description

一种组合式机械密封装置

技术领域

本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种组合式机械密封装置，可用于液体火箭发动机涡轮泵，也可用于船舶、核工业等密封装置领域以及必须保证密封、尺寸空间又狭小的旋转装置中。

背景技术

液体火箭发动机作为火箭的主要动力系统，常温液体火箭发动机采用四氧化二氮作为常用推进剂，由于提供推力的推进剂具有饱和蒸汽压高、强氧化、介质易汽化、冷却润滑性能差等特性，高温燃气(温度650℃～750℃)直接作用到密封处，导致密封间隙介质汽化、密封变形，使密封面易出现干摩擦导致泄漏，导致四氧化二氮推进剂介质和与高温燃气相遇而发生补燃。此外，现有机械密封只采用一道密封且没有冷却回流通道，此种结构在高温和高压工作下机械密封易出现泄漏问题，不能适应涡轮泵高转速、高温、高压力、振动大、多次启动及长时间等工况要求，不能确保密封的可靠性。

发明内容

为解决现有的机械密封易出现泄漏，不能适应涡轮泵高转速、高压力、振动大、多次启动及长时间等工况要求以及不能确保高密封的可靠性的问题，本发明提供了一种适用于液体火箭发动机的组合式机械密封装置。

本发明的技术方案是：

一种组合式机械密封装置，包括动环、静环组件、静环壳体、浮动环组件、冷却回流通道和O型橡胶圈；所述动环与转子接触的内侧设有环形凹槽，O型橡胶圈位于环形凹槽内；所述静环组件设置在静环壳体内部，包括端面块组件、防转销钉、多个弹簧和阻尼带；所述端面块组件包括沿转子轴向依次设置的静环、静环座、膜盒组件和后环；所述静环与静环座连接；所述静环座靠近动环的端面上设置有多个平衡孔；膜盒组件主要由多片膜片Ⅰ和膜片Ⅱ依次叠加而成，膜片Ⅰ的内边缘、外边缘分别与相邻两个膜片Ⅱ的内边缘、外边缘依次连接；膜盒组件一端与静环座连接，另一端与后环连接，后环与静环壳体固定连接；所述静环壳体底部均匀设有销钉孔，防转销钉一端与销钉孔固定连接，另一端穿过静环座的防转孔；所述静环壳体底部均匀设有多个弹簧孔，弹簧一端位于弹簧孔内，另一端与静环座接触；所述销钉孔和弹簧孔到转子中心的距离相同；所述膜盒组件与静环壳体之间设置有阻尼带，阻尼带位于静环壳体内表面的环形槽中；所述浮动环组件位于静环壳体的侧面，包括盖板、浮动环壳体和至少两个浮动环，所述浮动环穿过转子设置于浮动环壳体内部，盖板穿过转子分别固定设置在浮动环壳体的两侧，浮动环壳体上设置有径向的泄流通道，所述泄流通道与设置在泵壳体上的泄出口连通；浮动环外侧与浮动环壳体内侧间隙配合；冷却回流通道包括依次连通的轴承轴向间隙、动环和压紧环之间的间隙、静环座平衡孔间隙、静环座与静环壳体之间的径向间隙、回流流道Ⅰ、积液腔、回流流道Ⅱ；所述回流流道Ⅰ设置在静环壳体和泵壳体内，所述积液腔、回流流道Ⅱ均位于泵壳体内。

进一步地，膜片Ⅰ和膜片Ⅱ的圆弧截面半径相同，膜片搭接处光滑过度，0.5mm≤圆弧截面半径≤1.2mm。等半径圆弧保证膜片光滑过度在搭接处应力集中小，小压缩量(压缩量约0.6mm)可使焊接膜盒处于自由状态，大大提高了焊接膜盒的抗疲劳破坏能力。

进一步地，静环座周向端面上设有6～15个平衡孔，平衡孔面积占静环座端面面积的10％～15％。平衡孔面积与静环座端面的面积比过小，将会产生节流效应，不利于介质通过；面积比过大，会影响静环座结构强度，同时受弹簧布局受到影响。平衡孔面积占静环座端面面积的10％～15％，此面积比能有效的避免以上问题。

进一步地，回流流道Ⅰ为周向均布的6-10个孔，孔径2～4mm。

进一步地，还包括石墨密封圈，所述石墨密封圈设置在浮动环壳体与泵壳体接触的端面上，石墨密封圈不仅可以隔热，还可调整轴系，实现微调机械密封压缩量的目的。

进一步地，浮动环壳体与泵壳体之间、静环壳体与泵壳体之间均设置有O型橡胶圈。

进一步地，浮动环与转子的径向间隙为0.1～0.2mm。

进一步地，浮动环端面设有凸台，凸台深度h为浮动环厚度H的6.67％～10％。凸台的设置一方面减少浮动环端面与壳体的接触面积，避免因两者接触造成的耗功，另一方面会使浮动环浮动效果得到提升。

进一步地，所述石墨密封圈采用可压缩、耐高温材料，浮动环采用碳-碳复合材料，动环采用钼合金，静环为特种高温热解石墨，膜片Ⅰ和膜片Ⅱ为厚度0.1～0.15mm的GH4169。

进一步地，所述阻尼带具有8～15个弹性支耳，抱紧产生的摩擦力为膜盒组件和弹簧弹力的10％～15％。

本发明的优点为：

1.本发明动环和静环组件为主密封，浮动环组件是第二道密封，浮动环组件主要起隔热和辅助密封的作用，浮动环组件无辅助吹除系统，简化了发动机系统，适应长时间高温环境；浮动环与转子径向间隙控制在0.10～0.20mm，确保浮动环工作时悬浮于转子之上，涡轮腔高温燃气经一道浮动环减压后，可使第二道浮动环前后压差为零，实现了避免推进剂介质和高温燃气相遇的功能。

2.本发明在密封处设置冷却回流通道，依靠介质压差提供动力，氧化剂介质快速流过摩擦副附近，通过对流换热方式带走摩擦副周围的热量，降低密封摩擦副处的温度，避免摩擦副间液膜汽化，该技术无需增加冷却循环装置，依靠流道结构形式和孔径，实现密封冷却介质自循环冷却流量调节。

3.本发明采用膜盒组件和弹簧组合式旋转密封：采用膜盒组件替代橡胶密封圈结构，并与弹簧进行组合，静环组件弹性力由膜盒组件和弹簧共同提供，提高了密封装置耐高温和高压能力，结构紧凑，节约了密封空间，克服了高温和高压力工作下的机械密封易出现泄漏的缺点，实现了机械密封在高温和高压力工况下的多次启动、长寿命、低摩擦、零泄漏工作。

4.本发明静环座端面增加周向平衡孔，平衡孔提高了机械密封工作的可靠性，根据发动机多次启动和变压力的特点，平衡孔成型简单可靠，在密封前压力变化或介质出现压力脉动时，可以快速有效平衡机械密封两侧压力差，避免机械密封受介质压力变化而导致机械机械密封比压不稳定，稳定密封面液膜，降低密封面开启风险，从而增加密封工作可靠性。

5.抗高频振动密封作用：火箭发动机最高主频不低于1000HZ，为提高焊接膜盒工作过程中抗疲劳破坏能力，焊接膜盒采用等半径圆弧截面、小压缩量等结构，等半径圆弧保证膜片光滑过度在搭接处应力集中小，小压缩量(压缩量约0.6mm)可使焊接膜盒处于自由状态，大大提高了焊接膜盒的抗疲劳破坏能力。

6.本发明膜盒组件通过增加阻尼带，可以有效降低膜盒组件振动幅度，使膜盒组件疲劳寿命大幅度增加；阻尼带结构简单可靠，具有重量轻，尺寸小，易加工，装配简单等特点。

7.本发明提供的石墨垫位于浮动环壳体与泵壳体之间，石墨垫不仅可以实现隔热，还可调整轴系实现微调机械密封的压缩量。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例静环组件结构图；

图3为本发明实施例浮动环组件结构图；

图4为本发明实施例浮动环结构图；

图5为本发明实施例静环座结构图；

图6为本发明实施例膜片Ⅰ和膜片Ⅱ结构图。

附图标记：1-动环，2-静环组件，3-浮动环组件，4-泵壳体，5-转子，6-压紧螺母，7-石墨密封圈，8-O型橡胶圈，9-O型橡胶圈，10-压紧环，11-轴承，12-O型橡胶圈，13-回流流道Ⅰ，14-积液腔，15-回流流道Ⅱ，16-泄出口，17-泄出口，21-静环座，22-静环，23-弹簧，24-静环壳体，25-膜片Ⅰ，26-膜片Ⅱ，27-后环，28-阻尼带，29-防转销钉，31-浮动环，32-浮动环壳体，33-盖板，34-螺钉，35-泄流通道，36-平衡孔，37-防转孔，38-冷却回流通道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

本发明公开了一种适用于液体火箭发动机的组合式机械密封装置，该密封装置实现了发动机涡轮泵推进剂介质和高温燃气隔离的功能，机械密封装置结构紧凑、占据轴向空间小，可适应液体火箭发动机涡轮泵高转速、高温、振动大、多次启动及长时间等工况要求，密封可靠性高，保证介质在工作和滑行阶段不发生大量泄漏，隔离推进剂介质和高温燃气，防止两种介质相遇，阻隔燃气高温传递至涡轮泵氧化剂介质处。

如图1至5所示，组合式机械密封装置包括动环1、静环组件2、静环壳体24、浮动环组件3、压紧螺母6、冷却回流通道38和O型橡胶圈；动环1与转子5接触的内侧设有环形凹槽，O型橡胶圈12位于环形凹槽内；压紧环10设置在动环1和泵壳体4之间，并与泵壳体螺纹连接，压紧环10对机械密封进行轴向定位。

静环组件2设置在静环壳体24内部，包括端面块组件、防转销钉29、弹簧23和阻尼带28；如图2所示，端面块组件包括沿转子5轴向依次设置的静环22、静环座21、膜盒组件和后环27；静环22一端压入静环座21的U型槽中与静环座21过盈连接，静环座21靠近动环1的周向端面上设置有6～15个平衡孔36，氧化剂介质能够穿过平衡孔36；平衡孔36面积占静环座21端面面积的10％～15％。膜盒组件主要由多片膜片Ⅰ25和膜片Ⅱ26依次叠加而成，膜片Ⅰ25的内边缘、外边缘分别与相邻两个膜片Ⅱ26的内边缘、外边缘依次焊接连接；膜片Ⅰ25和膜片Ⅱ26的圆弧截面半径相同，膜片搭接处光滑过度，如图6所示，膜片Ⅰ25和膜片Ⅱ26圆弧半径满足：R1＝R2＝R3＝R4，在0.5～1.2mm之间，静环座21底面和膜片Ⅰ25外边缘连接，最后一片膜片Ⅱ26外边缘与后环27一端连接，后环27与静环壳体24固定连接。本发明动环和静环组件为主密封，静环22与动环1的密封面相接触形成摩擦副对介质进行主要密封，静环组件弹性力由膜盒组件和弹簧共同提供。

静环壳体24底部均布两个销钉孔，防转销钉29一端与销钉孔固定连接，另一端穿过静环座21的防转孔37对静环22进行周向限位；静环壳体24底部均匀设有6-10个弹簧23孔，弹簧23一端位于弹簧23孔内，另一端与静环座21接触；销钉孔和弹簧23孔到转子5中心的距离相同，此种设置可防止端面块组件受力不均出现卡滞问题；膜盒组件与静环壳体24之间设置有阻尼带28，阻尼带28位于静环壳体24内表面的环形槽中，其内径小于膜片Ⅰ25和膜片Ⅱ26外径，阻尼带28具有8～15个弹性支耳，对端面块组件环向抱紧产生环向抱紧力，阻尼带28抱紧产生的摩擦力为膜盒组件和弹簧23产生弹力的10％～15％。

如图3所示，浮动环组件为第二道密封，浮动环组件主要起隔热和辅助密封的作用，涡轮腔高温燃气经一道浮动环减压后，可使第二道浮动环前后压差为零，实现了避免推进剂介质和高温燃气相遇的功能。浮动环组件3位于静环壳体24的侧面，浮动环组件3包括盖板33、浮动环壳体32和两个浮动环31，浮动环壳体32内部设置有两个腔体，浮动环31穿过转子5设置在浮动环壳体32内部的腔体中，浮动环31与转子5的径向间隙为0.1～0.2mm，此间隙确保浮动环组件3实现减压功能；盖板33穿过转子5分别通过螺钉34固定设置在浮动环壳体32的两侧，浮动环组件3与静环组件2后面分别设置两道径向的泄流通道35，分别与泵壳体4上的泄出口16、泄出口17连通；浮动环31外侧与浮动环壳体32内侧间隙配合，浮动环31一侧端面与浮动环壳体32自由连接；浮动环31另一侧与盖板33端面自由连接；浮动环31端面设有凸台，凸台深度h为浮动环31厚度H的6.67％～10％。压紧螺母6位于泵壳体4和浮动环壳体32之间，并与泵壳体4螺纹连接对浮动环壳体32进行轴向定位。

冷却回流通道38包括依次连通的轴承轴向间隙、动环1和压紧环10之间的间隙、静环座平衡孔间隙、静环座21与静环壳体24之间的径向间隙、回流流道Ⅰ13、积液腔14、回流流道Ⅱ15；回流流道Ⅰ13为静环壳体24和泵壳体4周向均匀设置的6-10个孔，孔径2～4mm，积液腔14和回流流道Ⅱ15均设置在泵壳体4内。

浮动环壳体32与泵壳体4接触的端面上设置有石墨密封圈7。石墨密封圈7不仅可以隔热，还可调整轴系，实现微调机械密封的压缩量的目的；浮动环壳体32与泵壳体4之间设置有O型橡胶圈8，静环壳体24与泵壳体4之间设置有O型橡胶圈9，对泵壳体和机械密封实现良好的密封。

机械密封装置的金属零件、非金属零件的材料均与N₂O₄一级相容；石墨密封圈7采用可压缩、耐高温材料，浮动环31采用碳-碳复合材料，碳-碳复合材料耐高温，耐冲击能力强；动环1采用钼合金，静环22为特种高温热解石墨，膜片Ⅰ25和膜片Ⅱ26为厚度0.1～0.15mm的GH4169，其他金属材料一般为9Cr18、3Cr13、3J21，O型圈采用F207。

本发明的静环组件2采用膜盒组件和弹簧23组合式结构，弹簧23主要提供密封端面比压，膜盒组件起辅助密封的作用，膜盒组件工作过程中压缩量小，约0.5～1.0mm；由于膜盒组件和弹簧23分别承担不同的功能，降低了对膜盒组件性能的要求，有利于提高密封的可靠性，实现了机械密封在高温和高压力工况下的多次启动、长寿命、低摩擦、零泄漏工作；静环组件2在装配和工作状态时，膜盒组件和弹簧23受力提供弹性比压，选取密封受力载荷系数为0.51～0.6，静环组件2周围充填的液态四氧化二氮介质对密封工作提供正向的介质比压。

本发明动环1和静环22为主密封，浮动环组件3为辅助密封，微量泄漏介质可通过泄出口16排出，可适应液体火箭发动机涡轮泵高转速、高压力、振动大、多次启动及长时间等工况要求，密封可靠性高。

本发明机械密封在启动0.5s内快速有效平衡机械密封两侧压力差，避免机械密封受介质压力变化而导致机械机械密封比压不稳定；机械密封适应于工作频率≥1000Hz的环境，疲劳寿命≥5000s；密封介质压力：0.8～1.5MPa；密封介质：氧化剂(四氧化二氮)/燃气；运转速度：60000±3000r/min；温度：介质侧15～30℃，燃气侧650～750℃。

流道设置：为实现密封冷却介质自循环，介质依次流经轴承11、动环1和压紧环10之间的间隙、静环座平衡孔间隙、静环座21与静环壳体24之间的径向间隙、回流流道Ⅰ13、积液腔14、回流流道Ⅱ15返回到泵前低压端。

安装顺序：装配前对泵壳体4内腔进行检查，防止残存多余物，将轴承11装入泵壳体4内腔，压紧环10与泵壳体4螺纹连接，实现轴承11装配到位；O型橡胶圈12置于动环1内侧U型槽中，动环1小面与轴承11连接；O型橡胶圈9置于泵壳体4内侧U型槽中，静环壳体24与泵壳体4螺纹连接；O型橡胶圈8置于泵壳体4内径U型槽中，石墨密封圈7位于浮动环壳体32与泵壳体4之间，通过压紧螺母6预紧，压紧螺母6与泵壳体4螺纹连接；转子5表面涂抹微量润滑脂，依次穿过浮动环组件3、静环组件2、动环1、轴承11。

组合式机械密封装置密封工作原理是：氧化剂泵腔体内充满介质，介质压力、弹簧23和膜盒预紧力共同作用(即端面比压)使动环1和静环组件2密封面紧密贴合，并自动补偿石墨的摩擦磨损。在适当的端面比压作用下，使静环22与动环1保持良好的贴合，保证机械密封的正常工作。浮动环组件3工作时悬浮于转子5之上，涡轮腔高温燃气经第一道浮动环31减压后其压力降至环境压力，第二道浮动环31前后压差为零，隔离推进剂介质和高温燃气相遇的可能，同时阻隔燃气高温传递至涡轮泵氧化剂介质处，为主密封工作提供良好的环境。

本发明提供的组合式机械密封装置不仅可适应于液体火箭发动机涡轮泵，还可适用于其他类似工况的船舶、核工业等密封装置领域以及必须保证密封、尺寸空间又狭小的旋转装置中。

本发明的保护范围不限于本发明的具体实施方式，对于本技术领域的技术人员而言，在本发明的启示下，能够从本发明公开内容中直接导出联想一些原理和结构相同的基本变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征相同的相互不同组合、相同或相似技术效果的技术特征简单改换，都属于本发明技术的保护范围。

Claims (10)

1.一种组合式机械密封装置，其特征在于：包括动环、静环组件、静环壳体、浮动环组件、冷却回流通道和O型橡胶圈；

所述动环与转子接触的内侧设有环形凹槽，O型橡胶圈位于环形凹槽内；

所述静环组件设置在静环壳体内部，包括端面块组件、防转销钉、多个弹簧和阻尼带；

所述端面块组件包括沿转子轴向依次设置的静环、静环座、膜盒组件和后环；所述静环与静环座连接；所述静环座靠近动环的端面上设置有多个平衡孔；膜盒组件主要由多片膜片Ⅰ和膜片Ⅱ依次叠加而成，膜片Ⅰ的内边缘、外边缘分别与相邻两个膜片Ⅱ的内边缘、外边缘依次连接；膜盒组件一端与静环座连接，另一端与后环连接，后环与静环壳体固定连接；

所述静环壳体底部均匀设有销钉孔，防转销钉一端与销钉孔固定连接，另一端穿过静环座的防转孔；

所述静环壳体底部均匀设有多个弹簧孔，弹簧一端位于弹簧孔内，另一端与静环座接触；所述销钉孔和弹簧孔到转子中心的距离相同；

所述膜盒组件与静环壳体之间设置有阻尼带，阻尼带位于静环壳体内表面的环形槽中；

所述浮动环组件位于静环壳体的侧面，包括盖板、浮动环壳体和至少两个浮动环，所述浮动环穿过转子设置于浮动环壳体内部，盖板穿过转子分别固定设置在浮动环壳体的两侧，浮动环壳体上设置有径向的泄流通道，所述泄流通道与设置在泵壳体上的泄出口连通；浮动环外侧与浮动环壳体内侧间隙配合；

冷却回流通道包括依次连通的轴承轴向间隙、动环和压紧环之间的间隙、静环座平衡孔间隙、静环座与静环壳体之间的径向间隙、回流流道Ⅰ、积液腔、回流流道Ⅱ；所述回流流道Ⅰ设置在静环壳体和泵壳体内，所述积液腔、回流流道Ⅱ均位于泵壳体内。

2.根据权利要求1所述的组合式机械密封装置，其特征在于：膜片Ⅰ和膜片Ⅱ的圆弧截面半径相同，膜片搭接处光滑过度，0.5mm≤圆弧截面半径≤1.2mm。

3.根据权利要求2所述的组合式机械密封装置，其特征在于：静环座周向端面上设有6～15个平衡孔，平衡孔面积占静环座端面面积的10％～15％。

4.根据权利要求3所述的组合式机械密封装置，其特征在于：回流流道Ⅰ为周向均布的6-10个孔，孔径2～4mm。

5.根据权利要求1至4任一所述的组合式机械密封装置，其特征在于：还包括石墨密封圈，所述石墨密封圈设置在浮动环壳体与泵壳体接触的端面上。

6.根据权利要求5所述的组合式机械密封装置，其特征在于：浮动环壳体与泵壳体之间、静环壳体与泵壳体之间均设置有O型橡胶圈。

7.根据权利要求6所述的组合式机械密封装置，其特征在于：浮动环与转子的径向间隙为0.1～0.2mm。

8.根据权利要求7所述的组合式机械密封装置，其特征在于：浮动环端面设有凸台，凸台深度h为浮动环厚度H的6.67％～10％。

9.根据权利要求8所述的组合式机械密封装置，其特征在于：所述石墨密封圈采用可压缩、耐高温材料，浮动环采用碳-碳复合材料，动环采用钼合金，静环为特种高温热解石墨，膜片Ⅰ和膜片Ⅱ为厚度0.1～0.15mm的GH4169。

10.根据权利要求9所述的组合式机械密封装置，其特征在于：所述阻尼带具有8～15个弹性支耳，抱紧产生的摩擦力为膜盒组件和弹簧弹力的10％～15％。

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