CN107387772A

CN107387772A - 一种紧凑型超高速耐高温机械密封装置

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Publication number: CN107387772A
Application number: CN201710770620.7A
Authority: CN
Inventors: 李建克; 张峰; 王良; 宋勇; 李正大; 傅春; 徐祥娜
Original assignee: Xian Aerospace Propulsion Institute
Current assignee: Xian Aerospace Propulsion Institute
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2037-08-25
Also published as: CN107387772B

Abstract

本发明具体涉及一种紧凑型超高速耐高温机械密封装置。包括动环、静环组件、静环壳体和O型圈；动环密封端面上设置有环形应力释放槽，O型圈位于动环凹槽内；静环组件包括端面块组件、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；静环与静环座连接；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；防转销钉一端与环壳体底部的销钉孔固定连接，另一端穿过静环座的防转孔；弹簧一端位于静环壳体底部的弹簧孔内，另一端与静环座接触；膜盒组件与静环壳体之间设置有阻尼带。本发明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。

Description

一种紧凑型超高速耐高温机械密封装置

技术领域

本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种紧凑型超高速耐高温机械密封装置。

背景技术

现有技术中发动机通过机架与箭体承力结构相连接，飞行中发动机不仅为火箭提供推力，还可通过伺服系统带动双向摇摆为火箭提供俯仰偏航控制力。由于提供推力的推进剂具有饱和蒸汽压高、强氧化、易汽化、冷却润滑性能差等特性，通常在液体火箭发动机涡轮泵中的推进剂泵和涡轮之间设置一套机械密封，其作用是隔离推进剂和高温燃气。但是高温燃气(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，从而使氧化泵密封泄漏，导致在涡轮腔发生补燃等问题。此外，现有机械密封采用橡胶密封圈结构，此种结构在高温和高压力工作下机械密封易出现泄漏问题，不能适应涡轮泵高转速、高压力、振动大、多次启动及长时间等工况要求，不能确保高密封的可靠性。

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，不能确保高密封的可靠性的问题，本发明提供了一种紧凑型超高速耐高温机械密封装置。

本发明的技术方案是：

一种紧凑型超高速耐高温机械密封装置，包括动环、静环组件、静环壳体和O型圈；所述动环的密封端面上设置有环形应力释放槽，动环与转子接触的内侧设有环形凹槽，所述O型圈位于环形凹槽内；所述静环组件设置在静环壳体的内部；静环组件包括端面块组件、防转销钉、多个弹簧和阻尼带；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；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；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；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；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。

进一步地，还包括石墨垫，所述石墨垫设置在静环壳体与泵壳体接触的端面上。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。

进一步地，所述环形应力释放槽的槽宽为动环径向宽度的10％～15％，槽深为动环轴向厚度的15％～20％，环形应力释放槽可有效降低动环在装配和工作过程中产生的变形，实现可靠密封的功能。

进一步地，后环与静环壳体通过焊接固定连接，静环壳体的远离静环的端面上设置有焊接应力释放槽。该焊接应力释放槽可以降低焊接后的应力变形。

进一步地，所述动环采用钼合金，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，所述静环嵌入静环座设置的凹槽中，与静环座过盈连接。

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％。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。

进一步地，动环的外径≤30mm，弹簧的数量为6-10个。

进一步地，膜片Ⅰ的内边缘、外边缘分别与相邻两个膜片Ⅱ的内边缘、外边缘依次焊接连接。

进一步地，机械密封装置的端面比压是通过弹簧参数和膜盒组件参数进行调整的，调整公式为：

其中：

P_c-端面比压；k_b1-膜盒组件刚度；k_b2-弹簧刚度；Δ1-膜盒组件压缩量；Δ2-弹簧压缩量；n-弹簧数量；A-摩擦副接触面积；k-端面载荷系数；λ-介质反压系数；ΔP-介质压差。通过端面比压调整公式，在不改变机械密封装置尺寸的情况下，能够达到不同的端面比压值，适用于各种不同的工况，缩短了机械密封产品的加工周期，节约了成本。

本发明的优点为：

1.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。

2.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。

3.本发明提供的石墨垫位于静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。

4.本发明通过端面比压调整公式，在不改变机械密封装置尺寸的情况下，能够达到不同的端面比压值，适用于各种不同的工况，缩短了机械密封产品的加工周期，节约了成本。

5.本发明密封装置实现双向密封，通过膜盒组件和弹簧提供静环组件弹性力，满足了在发动机启动阶段燃气压力大于液体介质压力，燃气不能大量串入泵腔，稳定工作阶段液体介质压力高于燃气压力，液体介质不能大量泄漏至涡轮腔的密封的要求。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例动环结构图；

图3为本发明实施例端面块组件装配图；

图4为本发明实施例膜盒组件装配图；

图5为本发明实施例阻尼带结构图。

附图标记：1-静环座，2-静环，3-弹簧，4-静环壳体，5-膜片Ⅰ，6-膜片Ⅱ，7-后环，8-阻尼带，9-防转销钉，10-动环，11-O型圈，12-石墨垫，13-压紧螺母，14-转子，15-环形应力释放槽，16-焊接应力释放槽。

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：

本发明提供的紧凑型超高速耐高温机械密封装置主要应用在液体火箭发动机涡轮泵中的推进剂泵和涡轮之间，用于隔离推进剂和高温燃气，属于液体火箭发动机涡轮泵用密封装置。本发明也可用于船舶、核工业等领域密封装置，以及必须保证密封、尺寸空间又狭小的旋转装置中。本发明能够适应多次启动、变工况、长寿命以及高参数等要求。

如图1至5所示，本发明提供的机械密封装置为接触式机械密封，主要包括动环10、静环组件、静环壳体4、O型圈11和石墨垫12，静环组件设置在静环壳体4的内部；

动环10采用整体式结构，外径≤30mm，动环10密封端面上设置有环形应力释放槽15，槽宽为动环径向宽度的10％～15％，槽深为动环轴向厚度的15％～20％，该环槽可有效降低动环10在装配和工作过程中产生的变形，实现可靠密封的功能。O型圈11设置于动环10内侧的环形凹槽中，与转子14抱紧，对动环10和转子14进行轴向密封。

静环组件包括端面块组件、防转销钉9、弹簧3和阻尼带8。端面块组件包括沿转子轴向依次设置的静环2、静环座1、膜盒组件和后环7；静环座1的一侧设置有凹槽，静环2嵌入静环座1的凹槽中，且与静环座1过盈连接；静环2与动环10的密封面相接触对介质进行密封；膜盒组件主要由多片膜片Ⅰ5和膜片Ⅱ6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、外边缘依次焊接连接；膜盒组件一端与静环座1连接，另一端与后环7连接，后环7与静环壳体4通过焊接固定连接，静环壳体4焊接处远离静环的的端面上设置有焊接应力释放槽16，该焊接应力释放槽16可以降低焊接后的应力变形。

防转销钉9设置于静环壳体4底部，对静环2进行周向限位；静环壳体4底部均布两个销钉孔，防转销钉9一端与销钉孔连接，另一端穿过静环座1的防转孔；弹簧3均布设置在静环壳体4底部弹簧孔中，弹簧3一端设置在弹簧孔中，另一端与静环座1接触，弹簧3的数量为6-10个；销钉孔和弹簧孔到转子14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4之间设置有阻尼带8，阻尼带8设置于静环壳体4内表面的环形槽中，阻尼带8具有8-15个弹性支耳，阻尼带8对端面块组件环向抱紧，对端面块组件有环向抱紧力，阻尼带8抱紧产生的摩擦力为膜盒组件和弹簧3产生弹力的10％～15％。

石墨垫12位于静环壳体4与泵壳体之间；石墨垫12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的目的。

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；其中，动环10为钼合金，静环2为特种高温热解石墨，膜片Ⅰ5、膜片Ⅱ6为厚度0.1～0.15mm的GH4169，其他金属材料一般为9Cr18、3Cr13、3J21，石墨垫12采用柔性石墨，O型圈11采用F207。

静环组件采用膜盒组件和弹簧组合式结构，弹簧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；静环组件在装配和工作状态时，膜盒组件和弹簧受力提供弹性比压，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。

机械密封装置的端面比压是通过弹簧参数和膜盒组件参数进行调整，当装配空间位置不变的情况下，选取6～10组膜片Ⅰ5、膜片Ⅱ6，改变膜盒组件的刚度k_b1，通过增加或减少弹簧数量n，改变弹簧总力实现端面比压的调整，具体调整如下：

式中：P_c-端面比压；k_b1-膜盒组件刚度；k_b2-弹簧3刚度；Δ1-膜盒组件压缩量；Δ2-弹簧3压缩量；n-弹簧3数量；A-摩擦副接触面积；k-端面载荷系数；λ-介质反压系数；ΔP-介质压差。

通过端面比压调整公式，在不改变机械密封装置尺寸的情况下，能够达到不同的端面比压值，适用于各种不同的工况，缩短了机械密封产品的加工周期，节约了成本。

本发明提供的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，满足如下技术条件下：密封介质压力：0.8～1.5MPa；密封介质：推进剂介质/燃气；运转速度：60000±3000r/min；温度：介质侧15～30℃，燃气侧650～750℃；摩擦副线速度≥75m/s；

本发明密封装置实现双向密封，通过膜盒组件和弹簧提供静环组件弹性力，满足了在发动机启动阶段燃气压力大于液体介质压力，燃气不能大量串入泵腔，稳定工作阶段液体介质压力高于燃气压力，液体介质不能大量泄漏至涡轮腔的密封的要求。

在安装过程中，将动环10、静环组件、O型圈11、石墨垫12组成按顺序装入转子14上，通过压紧螺母13对整个机械密封进行预紧。

本发明工作原理是：该机械密封在工作时，密封腔内充满介质，动环10、O型圈11随转子14周向转动，石墨垫12、静环壳体4固定不动，膜盒组件、弹簧3、端面块组件沿转子14轴向协调移动。在介质压力、弹簧3和膜盒组件的预紧力共同作用(即端面比压)使动环10与静环2石墨紧密贴合，自动补偿石墨的摩擦磨损。在端面比压作用下，使静环2与动环10保持良好的贴合，保证机械密封的正常工作。

本发明提供的密封装置实现了对发动机涡轮泵推进剂介质的密封，装置结构紧凑、占据轴向空间小、密封性能好。该密封装置是涡轮泵主密封，保证介质在工作和滑行阶段不发生大量泄漏，本发明采用的是膜盒组件和弹簧3组合式结构，弹簧3主要提供密封端面比压，膜盒组件起辅助密封的作用，膜盒组件和弹簧3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。

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

1.一种紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：包括动环、静环组件、静环壳体和O型圈；

所述动环的密封端面上设置有环形应力释放槽，动环与转子接触的内侧设有环形凹槽，所述O型圈位于环形凹槽内；

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

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；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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：还包括石墨垫，所述石墨垫设置在静环壳体与泵壳体接触的端面上。

3.根据权利要求1所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：所述环形应力释放槽的槽宽为动环径向宽度的10％～15％，槽深为动环轴向厚度的15％～20％。

4.根据权利要求1或2或3所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：后环与静环壳体通过焊接固定连接，静环壳体的远离静环的端面上设置有焊接应力释放槽。

5.根据权利要求4所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：所述动环采用钼合金，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。

6.根据权利要求5所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：所述静环嵌入静环座设置的凹槽中，与静环座过盈连接。

7.根据权利要求6所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，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％。

8.根据权利要求7所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：动环的外径≤30mm，弹簧的数量为6-10个。

9.根据权利要求8所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：膜片Ⅰ的内边缘、外边缘分别与相邻两个膜片Ⅱ的内边缘、外边缘依次焊接连接。

10.根据权利要求9所述的紧凑型超高速耐高温机械密封装置，其特征在于：机械密封装置的端面比压是通过弹簧参数和膜盒组件参数进行调整的，调整公式为：

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>nk</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mi>A</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>P</mi> </mrow>

其中：

P_c-端面比压；k_b1-膜盒组件刚度；k_b2-弹簧刚度；Δ1-膜盒组件压缩量；Δ2-弹簧压缩量；n-弹簧数量；A-摩擦副接触面积；k-端面载荷系数；λ-介质反压系数；ΔP-介质压差。