CN109779947A - 一种适用于低温高速重复使用的动密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于低温高速重复使用的动密封装置，应用于液体火箭发动机涡轮泵上，所述液体火箭发动机涡轮泵包括轴(18)和套设于轴(18)上的轴承(9)，所述动密封装置包括主密封结构，所述主密封结构包括动环(1)、静环组件(2)、波纹管(3)、后环(4)、密封壳体(5)和轴套(14)。本发明的动密封装置包括主密封结构，使得低温介质容易进入动环与静环组件贴合面处，从而避免密封面出现干摩擦，减少了密封磨损，增加了密封寿命，从而满足涡轮泵的高转速、高压力、径向跳动量大等恶劣工况下长寿命和重复使用的要求。

Description

一种适用于低温高速重复使用的动密封装置

技术领域

本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种适用于低温高速重复使用的动密封装置。

背景技术

目前，世界范围内进入了商业航天大发展的潮流。高可靠性、低成本、重复使用、无污染的火箭发动机成为液体火箭发动机的发展方向。液氧甲烷发动冷却性能好、燃烧效率高、不易结焦、比冲高于液氧煤油发动机，其中单位质量甲烷燃料成本只有煤油的1/3，不到液氢的1/30。

液氧泵作为液氧甲烷发动机的重要组成部分，其作用是输送发动机工作时所需的低温液氧，液氧泵与甲烷泵紧邻。通常在液体火箭发动机涡轮泵中的液氧泵和甲烷泵之间设置一套密封装置，避免两种介质相遇。目前，国内外用于低温环境的密封主要有两种：

1)非接触式密封，其原理是采用迷宫局部间隙实现逐级减压和密封，如浮动环、迷宫密封等；

2)普通接触式机械密封，其原理是利用弹性元件使摩擦副紧密贴合实现密封，该种密封结构较为成熟，可实现静态密封，动态工作时介质泄漏量小。

但是，上述两种密封方式均不能满足涡轮泵的高转速、高压力、径向跳动量大等恶劣工况下长寿命和重复使用的要求。

发明内容

为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提供了一种适用于低温高速重复使用的动密封装置。

具体地，本发明一个实施例提出的一种适用于低温高速重复使用的动密封装置，应用于液体火箭发动机涡轮泵上，所述液体火箭发动机涡轮泵包括轴和套设于轴上的轴承，所述动密封装置包括主密封结构，所述主密封结构包括动环、静环组件、波纹管、后环、密封壳体和轴套，其中，

所述动环套设于所述轴上，所述动环的第一端面与轴承的端面贴合，所述动环的第二端面与所述静环组件的第一端面贴合，所述静环组件的第二端面与所述波纹管的第一端连接，所述波纹管的第二端与所述后环连接，且所述静环组件套设于所述轴套上，且所述轴套套设于所述轴上，所述密封壳体沿轴向套设于所述静环组件、所述波纹管和所述后环上，且所述密封壳体与所述静环组件、所述波纹管和所述后环固定连接。

在本发明的一个实施例中，所述主密封结构还包括第一密封圈，所述第一密封圈设置于所述动环的第一端面和所述轴套之间，且所述第一密封圈与所述动环的第一端面相接触的端面设置有锥角凸台。

在本发明的一个实施例中，所述主密封结构还包括第二密封圈，所述第二密封圈设置于所述密封壳体和所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体之间。

在本发明的一个实施例中，所述主密封结构还包括第一螺钉，所述密封壳体通过所述第一螺钉与所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体连接。

在本发明的一个实施例中，所述动环的第二端面设置有斜角。

在本发明的一个实施例中，还包括辅助密封结构，所述辅助密封结构包括分体浮动环、压缩弹簧、若干拉簧，所述分体浮动环包括第一浮动环和第二浮动环，其中，

所述分体浮动环套设于所述轴套上，所述压缩弹簧设置于所述第一浮动环和所述第二浮动环之间，若干所述拉簧套设于所述第一浮动环和所述第二浮动环上。

在本发明的一个实施例中，所述分体浮动环包括若干分段浮动环，每个所述分段浮动环的第一端面具有直面的凹槽结构，所述分段浮动环的第二端面具有圆弧面的凹槽结构，其中，相邻两个所述分段浮动环的第一端面与第二端面彼此相贴合。

在本发明的一个实施例中，所述辅助密封结构还包括第三密封圈和挡板，其中，

所述挡板的第一端与所述分体浮动环贴合，所述挡板的第二端与所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体连接，所述第三密封圈设置于所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体和所述挡板之间。

在本发明的一个实施例中，所述辅助密封结构还包括防转销钉，所述挡板的第一端与所述分体浮动环通过防转销钉连接。

在本发明的一个实施例中，所述辅助密封结构还包括第二螺钉，所述挡板的第二端与所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体通过所述第二螺钉连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的动密封装置包括主密封结构，使得低温介质容易进入动环与静环组件贴合面处，从而避免密封面出现干摩擦，减少了密封磨损，增加了密封寿命，从而满足涡轮泵的高转速、高压力、径向跳动量大等恶劣工况下长寿命和重复使用的要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种适用于低温高速重复使用的动密封装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种设置有斜角的动环的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种设置有锥角凸台的第一密封圈的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种分体浮动环搭接处的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的图4的A向示意图。

附图标记说明：

1动环；2静环组件；3波纹管；4后环；5密封壳体；6第一螺钉；7第一密封圈；8第二密封圈；9轴承；10分体浮动环；11压缩弹簧；12拉簧；13第三密封圈；14轴套；15防转销钉；16挡板；17第二螺钉；18轴；21石墨环；22静环；71锥角凸台；101分段浮动环。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

将理解的是，当元件被称作“连接”或者“结合”到另一个元件时，它可以直接连接或直接结合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接连接”或者“直接结合”到另一个元件时，不存在中间元件。相同的附图标记始终表示相同的元件。

为了便于描述，在这里可使用空间相对术语，如“在…之下”、“在…下方”、“下面的”、“在…上方”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。将理解的是，空间相对术语意在包含除了在附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则描述为“在”其他元件或特征“下方”或“之下”的元件随后将被定位为“在”其他元件或特征“上方”。因而，示例术语“在…下方”可包括“在…上方”和“在…下方”两种方位。所述装置可被另外定位(旋转90度或者在其他方位)，并对在这里使用的空间相对描述语做出相应的解释。

文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种适用于低温高速重复使用的动密封装置的结构示意图。本实施例提供了一种适用于低温高速重复使用的动密封装置，该动密封装置低温高速重复使用动密封主要应用在液体火箭发动机液氧泵与甲烷泵之间，用于隔离液氧和甲烷两种介质，属于液体火箭发动机涡轮泵用密封装置，当然该动密封装置也可以适用于其它的液体火箭发动机的涡轮泵上，本发明也可用于航空、兵器等领域的旋转装置中。在此不做具体要求，液体火箭发动机的涡轮泵主要包括轴18和套设于轴18上的轴承9，该动密封装置包括主密封结构，该主密封结构包括动环1、静环组件2、波纹管3、后环4、密封壳体5和轴套14，其中，

动环1套设于轴18上，动环1的第一端面与轴承9的端面贴合，实现动环1与轴承9的定位，使得动环1与轴承9通过摩擦力固定，动环1的第二端面与静环组件2的第一端面贴合，动环1的第二端面(即密封面)与静环组件2在波纹管3的弹力作用下紧密贴合，保证动环1与静环组件2的贴合面处的密封性能，静环组件2的第二端面与波纹管3的第一端连接，波纹管3的第二端与后环4连接，且静环组件2套设于所述轴套14上，且轴套14套设于轴18上，轴套14与轴18属于间隙配合，密封壳体5沿轴向套设于静环组件2、波纹管3和后环4上，且密封壳体5与静环组件2、波纹管3和后环4固定连接。

本发明的密封装置包括主密封结构，使得低温介质容易进入动环与静环组件贴合面处，从而避免密封面出现干摩擦，减少了密封磨损，增加了密封寿命，从而满足涡轮泵的高转速、高压力、径向跳动量大等恶劣工况下长寿命和重复使用的要求。

进一步地，轴套14外圆表面喷涂氧化铬，涂层厚度范围为0.05～0.15mm。

进一步地，静环组件2包括石墨环和静环，其中石墨环位于静环的凹槽中，动环1的第二端面与石墨环相贴合，即动环1的第二端面与静环组件2的第一端面贴合，静环与波纹管3的第一端连接，即静环组件2的第二端面与波纹管3的第一端连接。

进一步地，波纹管3为焊接波纹管，其与静环组件2的静环、后环4均为焊接连接。

进一步地，请参见图2，动环1的第二端面设置有斜角，且该斜角处于动环1的外径端，该斜角的角度为15～30o。通过在动环1的第二端面靠近动环1外径的一侧设置斜角，使得低温介质容易进入动环1与静环组件2贴合面处，从而避免动环1与静环组件2的贴合面出现干摩擦，减少了密封磨损，增加了该密封寿命；通过动环1的斜角引入的介质，保证动环1与静环组件2的贴合面出的液膜不发生汽化，使得机械密封满足发动机重复使用的要求。

动环1外径处设置的斜角，从而形成介质冷却通道，便于介质进入动环1与静环组件2的贴合面处，有效地冷却摩擦面。

进一步地，请同时参见图1和图3，主密封结构还包括第一密封圈7，第一密封圈7设置于动环1的第一端面和轴套14之间，且第一密封圈7与动环1的第一端面相接触的端面设置有锥角凸台71。第一密封圈7上设置有锥角凸台71，与动环1内孔紧密配合，保证动环1的径向和轴向静密封。

进一步地，请参见图1，主密封结构还包括第二密封圈8，第二密封圈8设置于密封壳体5和液体火箭发动机涡轮泵的壳体之间。密封壳体5和液体火箭发动机涡轮泵的壳体之间的密封通过第二密封圈8实现，其属于静密封。

进一步地，请参见图1，主密封结构还包括第一螺钉6，密封壳体5通过第一螺钉6与液体火箭发动机涡轮泵的壳体连接。

请参见图1，本发明实施例的动密封装置包括辅助密封结构，辅助密封结构包括两个分体浮动环10、压缩弹簧11、若干拉簧12，其中，

分体浮动环10套设于轴套14上，压缩弹簧11设置于两个分体浮动环10之间，在压缩弹簧11的作用力下可以使得一个分体浮动环10与液体火箭发动机涡轮泵的壳体紧密贴合，另一个分体浮动环10与挡板16的端面紧密贴合，且每个分体浮动环10上均套设有至少一个拉簧12，拉簧12用于箍紧第一浮动环101和第二浮动环102于轴套14上，与轴套14配合。分体浮动环10与轴套14形成径向密封，作为辅助密封，并在图1的D处吹低压工艺气体，能够保证工质不泄漏至B处。

进一步地，请参见图4和图5，分体浮动环10包括若干分段浮动环101，每个分段浮动环101的第一端面具有直面的凹槽结构，该凹槽结构设置于第一端面和分段浮动环101内径的交界处，且该凹槽结构中的各个面均为直面，例如，该凹槽结构包括第一面和第二面，该第一面和第二面均为直面，且该第一面和该第二面之间具有一定的夹角，如为90度；分段浮动环101的第二端面具有圆弧面的凹槽结构，该凹槽结构设置于第二端面和分段浮动环101内径的交界处，且该凹槽结构中的各个面均为圆弧面，该圆弧面为向外凸起的面，例如，该凹槽结构包括第一面和第二面，该第一面和第二面均为圆弧面，其中，每个分体浮动环10中相邻两个分段浮动环101的第一端面与第二端面彼此相贴合，这种由分段浮动环101结构组成的分体浮动环10，在工作过程中使得相邻两个分段浮动环101的贴合面始终处于接触状态，从而能够保证贴合面处的气密性，适应轴向、径向跳动量大的工作环境。分体浮动环10与轴套14形成轴向密封，分体式浮动环10在其内孔磨损时可自动补偿，分体浮动环10的两个分段浮动环101的密封搭接处为圆弧形状，该结构在转子径向跳动时一起动作，具有圆弧面的分段浮动环101与具有直面的分段浮动环101相接触的面为线接触，从而能够保证贴合面处的气密性。

分体浮动环10的相邻两个分段浮动环101的搭接面为圆弧面配合，便于分体浮动环10在大径向跳动下，周向补偿。

本实施例采用分体式浮动环10作为辅助密封，辅助吹除系统压力为0.15～0.25MPa，属于低气源压力，这降低了发动机自带气瓶的压力。

进一步地，辅助密封结构还包括第三密封圈13和挡板16，其中，挡板16的第一端与分体浮动环10贴合，挡板16的第二端与液体火箭发动机涡轮泵的壳体连接，第三密封圈13设置于液体火箭发动机涡轮泵的壳体和挡板16之间，第三密封圈13用于使液体火箭发动机涡轮泵的壳体和挡板16之间产生密封作用。

进一步地，辅助密封结构还包括防转销钉15，挡板16的第一端与分体浮动环10通过防转销钉15连接，防转销钉15用于防止分体浮动环10的转动。

进一步地，辅助密封结构还包括第二螺钉17，挡板16的第二端与液体火箭发动机涡轮泵的壳体通过第二螺钉17连接。

本发明提供的低温高速重复使用的动密封装置，满足如下技术条件：介质压力：≤1.5MPa；密封介质：液氧、甲烷、液氢等；介质温度≤-196℃：转速≤50000r/min。

本发明实施例的动密封装置解决了现有低温高速密封不能满足涡轮泵高转速、高压力、超低温、径向跳动量大等恶劣工况下长寿命和重复使用的要求。

本发明实施例的分体浮动环的相邻两个分段浮动环的搭接处的贴合面采用圆弧面，便于分体浮动环的周向移动，满足涡轮泵径向跳动量大的恶劣环境。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于低温高速重复使用的动密封装置，应用于液体火箭发动机涡轮泵上，所述液体火箭发动机涡轮泵包括轴(18)和套设于轴(18)上的轴承(9)，其特征在于，所述动密封装置包括主密封结构，所述主密封结构包括动环(1)、静环组件(2)、波纹管(3)、后环(4)、密封壳体(5)和轴套(14)，其中，

所述动环(1)套设于所述轴(18)上，所述动环(1)的第一端面与轴承(9)的端面贴合，所述动环(1)的第二端面与所述静环组件(2)的第一端面贴合，所述静环组件(2)的第二端面与所述波纹管(3)的第一端连接，所述波纹管(3)的第二端与所述后环(4)连接，且所述静环组件(2)套设于所述轴套(14)上，且所述轴套(14)套设于所述轴(18)上，所述密封壳体(5)沿轴向套设于所述静环组件(2)、所述波纹管(3)和所述后环(4)上，且所述密封壳体(5)与所述静环组件(2)、所述波纹管(3)和所述后环(4)固定连接。

2.根据权利要求1所述的动密封装置，其特征在于，所述主密封结构还包括第一密封圈(7)，所述第一密封圈(7)设置于所述动环(1)的第一端面和所述轴套(14)之间，且所述第一密封圈(7)与所述动环(1)的第一端面相接触的端面设置有锥角凸台(71)。

3.根据权利要求1所述的动密封装置，其特征在于，所述主密封结构还包括第二密封圈(8)，所述第二密封圈(8)设置于所述密封壳体(5)和所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体之间。

4.根据权利要求1所述的动密封装置，其特征在于，所述主密封结构还包括第一螺钉(6)，所述密封壳体(5)通过所述第一螺钉(6)与所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体连接。

5.根据权利要求1所述的动密封装置，其特征在于，所述动环(1)的第二端面设置有斜角。

6.根据权利要求1所述的动密封装置，其特征在于，还包括辅助密封结构，所述辅助密封结构包括两个分体浮动环(10)、压缩弹簧(11)、若干拉簧(12)，其中，

所述分体浮动环(10)套设于所述轴套(14)上，所述压缩弹簧(11)设置于两个所述分体浮动环(10)之间，每个所述分体浮动环(10)上均套设有至少一个所述拉簧(12)。

7.根据权利要求6所述的动密封装置，其特征在于，所述分体浮动环(10)包括若干分段浮动环(101)，每个所述分段浮动环(101)的第一端面(102)具有直面的凹槽结构，所述分段浮动环(101)的第二端面(103)具有圆弧面的凹槽结构，其中，相邻两个所述分段浮动环(101)的第一端面与第二端面彼此相贴合。

8.根据权利要求6所述的动密封装置，其特征在于，所述辅助密封结构还包括第三密封圈(13)和挡板(16)，其中，

所述挡板(16)的第一端与所述分体浮动环(10)贴合，所述挡板(16)的第二端与所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体连接，所述第三密封圈(13)设置于所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体和所述挡板(16)之间。

9.根据权利要求8所述的动密封装置，其特征在于，所述辅助密封结构还包括防转销钉(15)，所述挡板(16)的第一端与所述分体浮动环(10)通过防转销钉(15)连接。

10.根据权利要求8所述的动密封装置，其特征在于，所述辅助密封结构还包括第二螺钉(17)，所述挡板(16)的第二端与所述液体火箭发动机涡轮泵的壳体通过所述第二螺钉(17)连接。