CN108708802B - 一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置 - Google Patents

一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置 Download PDF

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Abstract

一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，应用于液氢液氧推进剂的火箭发动机端面密封组件的抽检试验、跑合试验及研究性试验中，将端面密封组件产品(发动机静环组件和发动机动环)装配到本发明试验装置中，模拟发动机涡轮泵的工作环境，考核密封组件产品的密封性能和结构合理性，并且可以定量的检测密封组件产品的密封性能。本发明试验装置在低温环境下不收缩变形，高速下运行稳定，为改进端面密封组件产品设计中出现的各种问题提供重要依据。

Description

一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置
技术领域
本发明涉及一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，应用于液氢液氧推进剂的火箭发动机端面密封组件的抽检试验、跑合试验及研究性试验，属于液体火箭发动机涡轮泵用端面密封应用领域。
背景技术
涡轮泵是液体火箭发动机的重要组件，端面密封又是涡轮泵中的关键件，端面密封的可靠性是发动机可靠性的基础。低温高转速条件下，端面密封的密封性能与压力、转速、静环膜盒刚度以及静环压缩量等因素有关。端面密封试验装置是模拟发动机涡轮泵的工作环境：包括压力、温度和流量来测试端面密封的密封性能和结构合理性。试验装置需要在低温高速状态下具有良好的性能，结构稳定，在低温环境下不收缩变形，设计时也需考虑系统稳定性及阶梯主轴临界转速避开工作转速等问题。目前还没有适用于低温高转速条件下的端面密封试验装置。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置。
本发明的技术解决方案是：一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，包括阶梯主轴、壳体、前轴承、后轴承、前轴承压盖、后轴承压盖、锁紧螺帽、前端盖和后端盖；
阶梯主轴位于壳体内，通过前轴承和后轴承支撑；前轴承通过前轴承压盖固紧在壳体上，后轴承通过后轴承压盖固紧在壳体上；发动机动环以间隙配合方式安装于阶梯主轴前端；发动机静环组件穿过阶梯主轴，固紧在壳体上，发动机静环组件与前轴承压盖之间形成试验腔；壳体上加工有三个与试验腔连通的通孔，其中位于壳体最下方的通孔作为介质入口，另外两个分别用于测量试验腔的压力和温度；前端盖固紧在壳体前端，前端盖和发动机静环组件之间形成泄漏腔，前端盖上加工有三个与泄漏腔连通的通孔，分别用于测量泄漏腔的压力、温度和泄漏量；后端盖固紧在壳体后端，前轴承和后端盖之间形成轴承腔，壳体后端最上方加工有与轴承腔连通的介质出口；阶梯主轴穿出后端盖，与外部增速箱连接。
还包括密封叶轮，所述密封叶轮安装在阶梯主轴上，用于实现后端盖和阶梯主轴之间的动密封。
还包括第二轴套，所述第二轴套安装在阶梯主轴上，位于后轴承和密封叶轮之间；
第二轴套和密封叶轮之间设置有调整垫，用于调整密封叶轮和后端盖之间的间隙。
所述后端盖上加工有圆形凹槽，凹槽内安装有两个密封皮碗，两个密封皮碗之间有隔垫，两个密封皮碗通过皮碗压盖固定在后端盖上，用于实现后端盖和阶梯主轴之间的静密封。
还包括第一轴套，所述第一轴套安装在阶梯主轴上，且位于前轴承和发动机动环之间。
还包括锁紧螺帽，所述锁紧螺帽与阶梯主轴螺纹连接，用于将发动机动环固紧在阶梯主轴上。
所述发动机静环组件和壳体之间、前端盖和壳体之间、后端盖和壳体之间、锁紧螺帽和发动机动环之间均设置有密封垫。
所述密封垫材料为铝，在机械加工后进行退火处理。
后轴承和后轴承压盖之间设置有钢垫，用于对前轴承和后轴承施加预紧力。
所述阶梯主轴为刚性轴，同时进行低速动平衡去重。
所述试验装置各组成部件在精加工之前，在液氮中冷处理。
所述阶梯主轴与前轴承配合面、阶梯主轴与后轴承配合面、阶梯主轴与发动机动环配合面的加工精度均为0.8级，形位公差小于0.02mm。
本试验装置已经多次成功应用于低温端面密封抽检试验、跑合试验及研究性试验中，试验结果良好，为涡轮泵端面密封产品的改进设计提供了准确的试验数据，装置的设计具有以下优点：
(1)本发明试验装置功能性强，在低温高速状态下性能良好，可进行端面密封试验、流体动压端面密封2种试验，既可以用工艺动环验证静环组件的密封性能，也可用工艺静环考核动环的结构合理性。
(2)本发明试验装置将阶梯主轴设计为刚性轴，使其工作转速避开了一阶临界转速，保证了足够的刚度和稳定性。阶梯主轴进行低速动平衡去重，进一步提高了试验装置在高速(40000r/min)状态下的稳定性。
(3)本发明各组成部件在精加工之前，在液氮中进行冷处理，保证在低温试验过程中试验装置不收缩变形。
(4)本发明试验装置同轴精度高，结构合理，装配方便。对于阶梯主轴、壳体及装配在阶梯主轴上的零件的关键配合面均要求加工精度为0.8级，形位公差要求小于0.02mm，从而确保了试验装置的阶梯主轴与试验台驱动轴的同轴度精度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
为了进行液体火箭发动机涡轮泵端面密封低温高速抽检试验和跑合试验，检测涡轮泵静环组件和动环之间的密封性能，本发明设计了一种试验装置，该装置需要满足-196℃低温和40000r/min转速下的工作条件，并且在低温环境下不收缩变形，同时要确保阶梯主轴的动态稳定性及低速动平衡去重的要求。
将端面密封产品(发动机静环组件和发动机动环)装配到本发明试验装置中，模拟发动机涡轮泵的工作环境，考核密封组件产品的密封性能和结构合理性，并且可以定量的检测密封组件产品的密封性能，解决端面密封组件产品设计中出现的各种问题，从而为改进产品设计指明方向，提供重要依据。
本发明液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置结构如图1所示。包括阶梯主轴19、壳体7、前轴承6、后轴承8、前轴承压盖5、后轴承压盖9、第一轴套20、锁紧螺帽21、前端盖1、第二轴套17、密封叶轮16、后端盖11。
阶梯主轴19位于壳体7内，通过前轴承6和后轴承8支撑；前轴承6通过前轴承压盖5固紧在壳体7上。
阶梯主轴19前端安装有第一轴套20和发动机动环4，第一轴套20位于前轴承6和发动机动环4之间，锁紧螺帽21与阶梯主轴19前端螺纹连接，用于将发动机动环4固定在阶梯主轴19上。锁紧螺帽21和发动机动环4之间设置有密封垫。
发动机静环组件3穿过阶梯主轴19，固紧在壳体7上，发动机静环组件3和壳体7之间设置有密封垫，既用于调整发动机静环组件3的压缩量，又实现密封。发动机静环组件3与前轴承压盖5之间形成试验腔；试验腔上加工有三个通孔，其中位于壳体7最下方的通孔作为介质入口，另外两个分别用于测量试验腔的压力和温度；
前端盖1固紧在壳体7上，前端盖1和壳体7之间设置有密封垫2。前端盖1和发动机静环组件3之间形成泄漏腔，且前端盖1上加工有三个与泄漏腔连通的通孔，分别用于测量泄漏腔的压力、温度和泄漏量；
后轴承8通过后轴承压盖9固紧在壳体7上；后轴承8和后轴承压盖9之间设置有钢垫18，用于施加前轴承6和后轴承8的预紧力，消除轴承的轴向游隙。
阶梯主轴19后端安装有第二轴套17和密封叶轮16，第二轴套17位于后轴承8和密封叶轮16之间，密封叶轮16和第二轴套17之间设置有叶轮调整垫12，通过调整调整垫12的厚度，保证密封叶轮16和后端盖11之间的间隙，实现后端盖11和阶梯主轴19之间的动密封。密封叶轮16与阶梯主轴19采用螺纹连接。
后端盖11固紧在壳体7上，后端盖11和壳体7之间设置有密封垫。前轴承6和后端盖11之间形成轴承腔，壳体7后端最上方加工有与轴承腔连通的介质出口；阶梯主轴19穿出后端盖11，与外部增速箱连接。
为了实现后端盖11和阶梯主轴19之间的静密封，保证阶梯主轴后端的低温介质的密封，本发明在后端盖11上加工有环形凹槽，环形凹槽内安装有两个密封皮碗15，两个密封皮碗15之间有隔垫14，两个密封皮碗15通过皮碗压盖13固定在后端盖11上。
壳体7通过定位面安装在试验台架上，定位面的加工精度为0.8级；
阶梯主轴、壳体及装配在阶梯主轴上的零件的关键配合面均要求加工精度为0.8级，形位公差要求小于0.02mm，从而确保了试验装置的阶梯主轴与试验台驱动轴的同轴度精度。
本发明中，密封垫材料为铝，在机械加工后进行退火处理，以保证其在低温下的密封性能。
由于端面密封组件产品每件进行跑合试验，每批产品数量较多，试验装置装配拆卸频繁，使用率高，对于阶梯主轴上有螺纹的产品，选用与阶梯主轴不同的材料：阶梯主轴选用2Cr13，前端锁紧螺帽选用0Cr18Ni9，密封叶轮选用L4，以防止螺纹配合时频繁装拆时粘连。
本发明各组成部件在精加工之前，在液氮中进行冷处理，保证在低温试验过程中试验装置不收缩变形。本发明主要部件都采用不锈钢材料，保证了材料在低温高速下具备足够的刚度和强度。
在装配发动机动环时，采用锁紧螺帽固紧发动机动环，拧紧力矩是一固定值，既要保证动环被压紧，还要保证动环端面不变形。
由于阶梯主轴转速较高，对于阶梯主轴前端的锁紧螺帽采用与阶梯主轴转向相反的螺纹来防止阶梯主轴转动过程中的松动问题。
由于低温介质在常温下具有挥发性，所以本发明试验装置安装到位后，要保证介质入口放置在装置的最下端，介质出口放置在装置的最上端。
阶梯主轴为刚性轴，同时进行了低速动平衡去重。
本发明的试验过程如下：将试验装置安装到试验台支架上并固紧，安装增速箱与试验装置的阶梯主轴之间的联轴器。打开介质入口阀门和介质出口阀门，为试验装置充入液氮，对试验装置预冷。预冷完成后，通过配气台调整试验腔压力为工作压力，启动增速箱的油冷机，然后启动电机，开始测量介质入口流量、试验腔压力、试验腔温度、泄漏腔的压力、泄漏腔温度、泄漏量、工作转速、试验系统功率等，通过判断泄漏量曲线来判定端面密封组件产品密封性能是否合格，到达试验时间后，关闭电机、关闭油冷机、关闭进介质开关，试验结束。恢复常温后，将试验装置分解，测量发动机静环组件的磨损量及发动机动环磨损情况并记录，获得所有测量参数曲线。根据压力、温度和流量来分析密封组件产品的密封性能和结构合理性，为改进端面密封组件产品设计中出现的各种问题提供重要依据。
本发明完成了多批次机械密封式端面密封件的抽检试验、跑合试验及研究性试验，使用效果良好。根据多次试验得出本发明试验装置额定参数如下：工作转速：40000r/min；试验腔压力：2.5Mpa(表压)；工作介质：液氮；工作温度：‐180℃～‐196℃。试验装置能够测量的参数如下：工作转速，试验腔介质压力，试验腔温度，试验腔流量，泄漏腔泄漏量，泄漏腔压力，泄漏腔温度，试验系统功率及静环石墨凸台磨损量。多次试验表明，本发明的试验装置耐低温，加工精度高，结构合理，在高速状态下装置稳定性强。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (12)

1.一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：包括阶梯主轴(19)、壳体(7)、前轴承(6)、后轴承(8)、前轴承压盖(5)、后轴承压盖(9)、锁紧螺帽(21)、前端盖(1)和后端盖(11)；
阶梯主轴(19)位于壳体(7)内，通过前轴承(6)和后轴承(8)支撑；前轴承(6)通过前轴承压盖(5)固紧在壳体(7)上，后轴承(8)通过后轴承压盖(9)固紧在壳体(7)上；发动机动环(4)以间隙配合方式安装于阶梯主轴(19)前端；发动机静环组件(3)穿过阶梯主轴(19)，固紧在壳体(7)上，发动机静环组件(3)与前轴承压盖(5)之间形成试验腔；壳体(7)上加工有三个与试验腔连通的通孔，其中位于壳体(7)最下方的通孔作为介质入口，另外两个通孔分别用于测量试验腔的压力和温度；前端盖(1)固紧在壳体(7)前端，前端盖(1)和发动机静环组件(3)之间形成泄漏腔，前端盖(1)上加工有三个与泄漏腔连通的通孔，分别用于测量泄漏腔的压力、温度和泄漏量；后端盖(11)固紧在壳体(7)后端，前轴承(6)和后端盖(11)之间形成轴承腔，壳体(7)后端最上方加工有与轴承腔连通的介质出口；阶梯主轴(19)穿出后端盖(11)，与外部增速箱连接。
2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：还包括密封叶轮(16)，所述密封叶轮(16)安装在阶梯主轴(19)上，用于实现后端盖(11)和阶梯主轴(19)之间的动密封。
3.根据权利要求2所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：还包括第二轴套(17)，所述第二轴套(17)安装在阶梯主轴(19)上，位于后轴承(8)和密封叶轮(16)之间；
第二轴套(17)和密封叶轮(16)之间设置有调整垫(12)，用于调整密封叶轮(16)和后端盖(11)之间的间隙。
4.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：所述后端盖(11)上加工有圆形凹槽，凹槽内安装有两个密封皮碗(15)，两个密封皮碗(15)之间有隔垫(14)，两个密封皮碗(15)通过皮碗压盖(13)固定在后端盖(11)上，用于实现后端盖(11)和阶梯主轴(19)之间的静密封。
5.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：还包括第一轴套(20)，所述第一轴套(20)安装在阶梯主轴(19)上，且位于前轴承(6)和发动机动环(4)之间。
6.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：还包括锁紧螺帽(21)，所述锁紧螺帽(21)与阶梯主轴(19)螺纹连接，用于将发动机动环(4)固紧在阶梯主轴(19)上。
7.根据权利要求6所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：所述发动机静环组件(3)和壳体(7)之间、前端盖(1)和壳体(7)之间、后端盖(11)和壳体(7)之间、锁紧螺帽(21)和发动机动环(4)之间均设置有密封垫。
8.根据权利要求7所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：所述密封垫材料为铝，在机械加工后进行退火处理。
9.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：后轴承(8)和后轴承压盖(9)之间设置有钢垫(18)，用于对前轴承(6)和后轴承(8)施加预紧力。
10.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：所述阶梯主轴(19)为刚性轴，同时进行低速动平衡去重。
11.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：所述试验装置各组成部件在精加工之前，在液氮中冷处理。
12.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置，其特征在于：所述阶梯主轴(19)与前轴承(6)配合面、阶梯主轴(19)与后轴承(8)配合面、阶梯主轴(19)与发动机动环(4)配合面的加工精度均为0.8级，形位公差小于0.02mm。
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