CN107588038B - 一种涡轮泵机械密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械密封技术领域，具体涉及一种高转速、可重复使用的涡轮泵机械密封结构。该涡轮泵机械密封结构，包括第一泵壳体、第二泵壳体、转轴、轴承、动环、静环组件、弹簧、密封壳体、金属U型环和石墨垫圈。本发明采用六道密封对燃油和动力端进行隔离，该密封结构可实现连续15次工作启动、重复使用不低于6次，单套密封累计工作时间约为30000s，密封可靠性高，使用成本低。

Description

一种涡轮泵机械密封结构

技术领域

本发明涉及机械密封技术领域，具体涉及一种高转速、可重复使用的涡轮泵端面密封结构。

背景技术

涡轮泵组件是亚燃冲压发动机燃油控制装置的核心部件，其作用是利用进气道的一股空气驱动涡轮，然后涡轮带动燃油泵旋转，对贮箱出口的低压燃油进行抽吸增压，以一定的压力和流量供给下游，克服调节器、管路阀门等部件流阻，满足燃烧室喷注雾化等需求。

通常在泵侧和涡轮之间设置一套机械密封，目的是隔离燃油和冲压空气，其特点是冲压空气温度较高(500～600℃)，介质温度高(最高达到200℃)，由于空间较小，只能放置一套端面密封，且还要求密封件具有高性能、重复使用、低成本等性能，另外，还要确保高密封的可靠性，因此，对于密封结构和密封材料都提出了更高的指标要求。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种涡轮泵机械密封结构，该涡轮泵机械密封结构采用多重密封技术，可实现多次启动，适用于高温、高转速的涡轮泵，可使介质和冲压空气进行隔离，保证介质不大量泄漏至涡轮腔。

本发明的技术解决方案是：所提供的涡轮泵机械密封结构，包括第一泵壳体、第二泵壳体、转轴和轴承，其特殊之处在于，

还包括动环、静环组件、弹簧、密封壳体、金属U型环和石墨垫圈；

所述第一泵壳体和第二泵壳体连接，转轴设置在第一泵壳体和第二泵壳体形成的腔体内；

转轴分为第一工作段和第二工作段，第一工作段的直径小于第二工作段的直径，第一工作段和第二工作段之间形成轴肩，所述转轴的第一工作段通过轴承安装在第一泵壳体上，石墨垫圈和动环设置在第一工作段上位于轴承和轴肩之间，石墨垫圈的一个端面与轴承内圈的端面接触，另一个端面与动环的一个端面接触，动环的另一个端面与轴肩接触形成第一密封面；

所述密封壳体为一空心回转体，密封壳体套设在转轴的第二工作段上，所述空心回转体靠近转轴第一工作段的一端设有容腔，静环座为一圆筒，圆筒的一端设有法兰，法兰的中心有一圆形容腔，静环座套设在转轴的第二工作段，且位于密封壳体的容腔内，静环套设在转轴的第二工作段，且静环的一个端面和动环与轴肩接触的端面相接触形成第二密封面，静环的一部分嵌入静环座的圆形容腔内，静环的外径与圆形容腔的外径形成第三密封面，静环的另一个端面与圆形容腔的端面接触形成第四密封面，密封壳体设有容腔的一端圆周分布有多个弹簧孔，弹簧设置在弹簧孔内，弹簧的一端与弹簧孔的底面接触，另一端与静环座的法兰接触，密封壳体的空心回转体的一部分套设在静环座的圆筒上，空心回转体的内侧设有环形凹槽，环形凹槽内设有金属U型环，金属U型环的外径与环形凹槽的外径接触，金属U型环的内径与静环座圆筒的外径接触形成第五密封面，密封壳体的外径与第二壳体固定连接形成第六密封面。

以上为本发明的基本结构，本发明在基本结构的基础上还做出了进一步的优化：

进一步地，上述静环座的法兰外缘设有多个防转耳，密封壳体容腔内的内壁上设有多个与防转耳匹配的防转槽，防转耳与防转槽配合防止静环座转动。

进一步地，动环与轴肩接触的端面和轴肩为对研面，防止燃油沿转轴轴向泄漏。

进一步地，石墨垫圈与动环为球面配合，球面配合增大接触面积，能够传递更大的轴向扭矩，可实现轴向良好的轴系定位，同时可有效减少介质从该处泄漏。

进一步地，动环的外侧面靠近轴承侧设置为圆弧面，可以减小因对燃油的搅动产生的热量，有利于密封可靠工作。

进一步地，动环与轴肩接触的端面设置有应力释放槽，应力释放槽为环形凹槽，可以有效降低动环在装配、贮存和工作过程中因应力释放导致的变形。

进一步地，静环座的法兰上圆周均布多个平衡孔，平衡孔为通孔，平衡孔的数量与通孔的数量相同，且平衡孔和弹簧孔同心。

进一步地，静环座的法兰外缘上均布多个卸荷槽。

进一步地，密封壳体上开设有多个回流孔，回流孔将弹簧孔和密封壳体的外部进行连通。

进一步地，密封壳体的外侧面与第二泵壳体焊接，减少泄漏通道，具有结构简单，易加工、装配简单、可靠性高等特点。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用六道密封对燃油和动力端进行隔离，该密封结构可实现连续15次工作启动、重复使用不低于6次，单套密封累计工作时间约为30000s，密封可靠性高，使用成本低。

2、本发明密封壳体与静环座配合处为金属U型环，采用金属U型环代替橡胶密封圈结构，避免贮存老化、低温脆断、高温适应性差等问题出现，结构简单，可靠性高，克服了机械密封在贮存和工作过程中易出现泄漏的缺点，有利于机械密封在高温、高转速工况下，长时间可靠工作。

3、本发明中石墨垫圈与动环采用球面配合，球面配合增大接触面积，能够传递更大的轴向扭矩，实现轴向良好的轴系定位，动环密封端面与轴肩处为辅助密封，可有效减少燃油介质从该处泄漏的可能。

4、本发明密封壳体与泵壳体焊接连接，通过焊接连接取代常规的橡胶密封圈，减少密封泄漏通道，同时有效隔离高温燃气对密封的影响，具有结构简单，易加工、装配简单、可靠性高等特点。

5、本发明静环座端面设置的平衡孔、密封壳体设置的回流孔，有利于增强密封周边介质对流换热速度，同时使密封系统快速适应工况环境温度。

6、本发明静环座防转耳结构简单，与密封壳体防转槽间隙配合，安装简单，工作中静环座浮动灵活、导向自如，不易出现卡滞等问题，可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例结构图；

图2是本发明实施例动环截面图；

图3是本发明实施例石墨垫圈截面图；

图4是本发明实施例静环座正视图；

图5是本发明实施例密封壳体截面图。

其中：1-第一泵壳体；2-第二泵壳体；3-转轴；31-第一工作段；32-第二工作段；4-轴承；5-动环；6-静环；7-静环座；8-弹簧；9-密封壳体；10-金属U型环；11-石墨垫圈；12-第一密封面；13-第二密封面；14-第三密封面；15-第四密封面；16-第五密封面；17-第六密封面；18-弹簧孔；19-防转耳；20-防转槽；21-应力释放槽；22-平衡孔；23-卸荷槽；24-回流孔，25-压紧块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详述：

参见图1-图5，一种涡轮泵机械密封结构，包括第一泵壳体1、第二泵壳体2、转轴3、轴承4、动环5、静环6、静环座7、弹簧8、密封壳体9、金属U型环10和石墨垫圈11。图1中的左侧为介质侧，介质为火箭煤油或HD-01高密度烃，温度在-55～200℃，压力在0.3MPa～1.0MPa，右侧为燃气侧，温度在500～550℃，密封摩擦副平均线速度：55～90m/s。

转轴3分为第一工作段31和第二工作段32，第一工作段31的直径小于第二工作段32的直径，第一工作段31和第二工作段32之间形成轴肩，转轴3的第一工作段31通过轴承4安装在第一泵壳体1上，石墨垫圈11和动环5设置在第一工作段31上位于轴承4和轴肩之间，石墨垫圈11的一个端面与轴承4内圈的端面接触，另一个端面与动环5的一个端面接触，动环5的另一个端面与轴肩接触形成第一密封面12；

密封壳体9为一空心回转体，密封壳体9套设在转轴3的第二工作段32上，空心回转体靠近转轴3第一工作段31的一端设有容腔，静环座7为一圆筒，圆筒的一端设有法兰，法兰的中心有一圆形容腔，静环座7套设在转轴3的第二工作段32，且位于密封壳体9的容腔内，静环6套设在转轴3的第二工作段32，且静环6的一个端面和动环5与轴肩接触的端面相接触形成第二密封面13，静环6的一部分嵌入静环座7的圆形容腔内，静环6的外径与圆形容腔的外径形成第三密封面14，静环6的另一个端面与圆形容腔的端面接触形成第四密封面15，密封壳体9设有容腔的一端圆周分布有多个弹簧孔18，弹簧8设置在弹簧孔18内，弹簧8的一端与弹簧孔18的底面接触，另一端与静环座7的法兰接触，密封壳体9的空心回转体的一部分套设在静环座7的圆筒上，空心回转体的内侧设有环形凹槽，环形凹槽内设有金属U型环10，金属U型环10的外径与环形凹槽的外径接触，金属U型环10的内径与静环座7圆筒的外径接触形成第五密封面16，密封壳体9的外径与第二壳体焊接形成第六密封面17。

静环座7的法兰的外缘设有四个防转耳19，防转耳宽度L2取2～4mm，密封壳体9容腔内的内壁上设有多个与防转耳19匹配的防转槽20，防转耳19与防转槽20配合防止静环座7转动，防转耳与密封壳体防转槽间隙为0.15～0.4mm。

动环5与轴肩接触的端面和轴肩为对研面。石墨垫圈11与动环5为球面配合。动环5的外侧面靠近轴承4侧设置为圆弧面。动环5与轴肩接触的端面设置有应力释放槽21，应力释放槽21为环形凹槽。

静环座7的法兰上圆周均布多个平衡孔22，平衡孔22为通孔，平衡孔22的数量与弹簧孔18的数量相同，且平衡孔22和弹簧孔18同心。静环座7的法兰外缘上圆周均布多个卸荷槽23。

密封壳体9上开设有多个回流孔24，回流孔24将弹簧孔18和密封壳体9的外部进行连通。

本实施例中，结构紧凑，密封轮廓轴向长度≤45mm，径向宽度≤55mm，其中：静环6和静环座7可采取过盈热压方法，或者低温钎焊方法连接；静环6采用纯碳石墨，动环5采用钼合金，金属U型环10采用GH4169，其他金属材料为9Cr18、3J21等。

本实施例在安装过程中：将轴承4置于第一泵壳体1内，压紧块25的一侧与轴承4连接，另一侧与第二泵壳体2连接，第一泵壳体1和第二泵壳体2固定连接，将石墨垫圈11、动环5依次装配到泵壳体中，将弹簧8、金属U型环10、静环组件依次装入密封壳体9中，静环6另一个端面与动环5的密封端面连接，密封壳体9和第二泵壳体2焊接连接。

Claims (10)

1.一种涡轮泵机械密封结构，包括第一泵壳体(1)、第二泵壳体(2)、转轴(3)和轴承(4)，其特征在于：还包括动环(5)、静环(6)、静环座(7)、弹簧(8)、密封壳体(9)、金属U型环(10)和石墨垫圈(11)；

所述第一泵壳体(1)和第二泵壳体(2)固定连接，转轴(3)设置在第一泵壳体(1)和第二泵壳体(2)形成的腔体内；

转轴(3)分为第一工作段(31)和第二工作段(32)，第一工作段(31)的直径小于第二工作段(32)的直径，第一工作段(31)和第二工作段(32)之间形成轴肩，所述转轴(3)的第一工作段(31)通过轴承(4)安装在第一泵壳体(1)上，石墨垫圈(11)和动环(5)设置在第一工作段(31)上位于轴承(4)和轴肩之间，石墨垫圈(11)的一个端面与轴承(4)内圈的端面接触，另一个端面与动环(5)的一个端面接触，动环(5)的另一个端面与轴肩接触形成第一密封面(12)；

所述密封壳体(9)为一空心回转体，密封壳体(9)套设在转轴(3)的第二工作段(32)上，所述空心回转体靠近转轴(3)第一工作段(31)的一端设有容腔，静环座(7)为一圆筒，圆筒的一端设有法兰，法兰的中心有一圆形容腔，静环座(7)套设在转轴(3)的第二工作段(32)，且位于密封壳体(9)的容腔内，静环(6)套设在转轴(3)的第二工作段(32)，且静环(6)的一个端面和动环(5)与轴肩接触的端面相接触形成第二密封面(13)，静环(6)的一部分嵌入静环座(7)的圆形容腔内，静环(6)的外径与圆形容腔的外径形成第三密封面(14)，静环(6)的另一个端面与圆形容腔的端面接触形成第四密封面(15)，密封壳体(9)设有容腔的一端圆周分布有多个弹簧孔(18)，弹簧(8)设置在弹簧孔(18)内，弹簧(8)的一端与弹簧孔(18)的底面接触，另一端与静环座(7)的法兰接触，密封壳体(9)的空心回转体的一部分套设在静环座(7)的圆筒上，空心回转体的内侧设有环形凹槽，环形凹槽内设有金属U型环(10)，金属U型环(10)的外径与环形凹槽的外径接触，金属U型环(10)的内径与静环座(7)圆筒的外径接触形成第五密封面(16)，密封壳体(9)的外径与第二壳体固定连接形成第六密封面(17)。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：所述静环座(7)的法兰外缘设有多个防转耳(19)，密封壳体(9)容腔内的内壁上设有多个与防转耳(19)匹配的防转槽(20)，防转耳(19)与防转槽(20)配合防止静环座(7)转动。

3.根据权利要求2所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：动环(5)与轴肩接触的端面和轴肩为对研面。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：所述石墨垫圈(11)与动环(5)为球面配合。

5.根据权利要求4所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：所述动环(5)的外侧面靠近轴承(4)侧设置为圆弧面。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：动环(5)与轴肩接触的端面设置有应力释放槽(21)，应力释放槽(21)为环形凹槽。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：静环座(7)的法兰上圆周均布多个平衡孔(22)，平衡孔(22)为通孔，平衡孔(22)的数量与弹簧孔(18)的数量相同，且平衡孔(22)和弹簧孔(18)同心。

8.根据权利要求7所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：静环座(7)的法兰外缘上均布多个卸荷槽(23)。

9.根据权利要求8所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：密封壳体(9)上开设有多个回流孔(24)，回流孔(24)将弹簧孔(18)和密封壳体(9)的外部进行连通。

10.根据权利要求9所述的一种涡轮泵机械密封结构，其特征在于：密封壳体(9)的外侧面与第二泵壳体(2)焊接。

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