CN110671357B - 一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置 - Google Patents

Abstract

一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，属于火箭发动机技术领域，包括阻尼密封组件（1）、密封轴套（2）；所述阻尼密封组件（1）安装在外部涡轮泵壳体（3）上；所述密封轴套（2）安装在外部转轴（4）上；所述阻尼密封组件（1）包括外壳（5）和内衬（6）；所述外壳（5）和内衬（6）之间采用锥面配合；所述内衬（6）与密封轴套（2）形成摩擦副；所述内衬（6）靠近密封轴套（2）的内表面设有交错排列的孔；所述内衬（6）在高压液体的端面设有防旋叶片（9）。本发明通可以提高节流能力，显著降低密封泄漏率；显著提高转子稳定性。

Description

一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置

技术领域

本发明涉及一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，属于火箭发动机技术领域。

背景技术

氢氧发动机具有高性能、高可靠性、环保等优点。世界主要航天大国纷纷将其作为大推力运载火箭的主动力系统。氢氧涡轮泵是氢氧发动机的核心组件，其技术水平往往体现了发动机的技术水平。

相比于小推力发动机，大推力或重型发动机涡轮泵的工况极高，其功率大幅增加，如航天飞机主发动机氢涡轮泵功率达到兆瓦级，泵出口压力达到40MPa以上。为达到涡轮泵的高效率、轻质量等综合性能要求，重型涡轮泵一般采用超临界转子设计，其工作转速超过临界转速，这增加了涡轮泵设计复杂性。

在涡轮泵的内流路中，如泵叶轮凸肩、多级泵的两级之间，通常设置迷宫密封、直孔密封等径向间隙密封进行节流，减小从泵内的容积损失。对于重载荷涡轮泵而言，为达到系统规定的效率指标，需要减小密封间隙来达到减小内流路容积损失的目的。超临界转子通常存在特别突出的径向密封间隙流体激振问题，当工作转速接近或达到转子一阶临界转速的两倍时，密封间隙流体产生作用于转子的激振力，其振动频率约为转速的一半，是典型的次同步振动问题。其振动能量较大，并且不会随着工作转速提高而消失，极易造成轴承、密封以及一些结构件的过早失效，降低涡轮泵的可靠性和寿命，是旋转设备无法满负荷运转的主要因素。

涡轮泵径向间隙密封流体激振次同步振动是重载荷涡轮泵研制不可避免的问题。涡轮泵转子除了自转外，还存在绕支承连接线的进动，进动方向与自转相同。从机理分析可知，由于径向间隙密封内流体周向流速，产生作用于转子上的，方向与转子进动方向相同的切向力，此切向力随密封间隙流体周向速度增大而增大，在转子动力学上表现为密封流体交叉刚度较大、阻尼较小。当转子受扰动时，较大的密封流体交叉刚度极易使其进动振幅增大，甚至失稳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，包括阻尼密封组件、密封轴套；所述阻尼密封组件安装在外部涡轮泵壳体上；所述密封轴套安装在外部转轴上；所述阻尼密封组件包括外壳和内衬；所述外壳和内衬之间采用锥面配合；所述内衬与密封轴套形成摩擦副；所述内衬靠近密封轴套的内表面设有交错排列的孔；所述内衬在高压液体的端面设有防旋叶片。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，包括阻尼密封组件、密封轴套；

所述阻尼密封组件安装在外部涡轮泵壳体上；所述密封轴套安装在外部转轴上；所述阻尼密封组件包括外壳和内衬；所述外壳和内衬之间采用锥面配合；所述内衬与密封轴套形成摩擦副；

所述内衬靠近密封轴套的内表面设有交错排列的孔；所述内衬在高压液体的端面设有防旋叶片。

优选的，所述外壳和内衬之间锥面配合的锥度为1°～2°。

优选的，所述内衬靠近密封轴套的内表面设有交错排列的圆孔；所述圆孔为平底孔，圆孔的深度h为0.4mm～1.0mm；相邻的两个圆孔之间最小壁厚s为0.3mm～0.5mm。

优选的，所述阻尼密封组件的内衬与所述密封轴套之间的间隙Cs，与所述密封轴套的直径D的比值为1×10^-3～3×10^-3。

优选的，所述防旋叶片的个数为偶数，沿内衬的圆周均匀分布，两个相邻的防旋叶片之间形成均流槽。

优选的，所述防旋叶片的厚度b为2mm～3mm；防旋叶片的深度hc为2mm～3mm。

优选的，所述外壳和内衬之间采用钎焊或电子束焊焊接。

优选的，所述外壳采用不锈钢或铝合金材料制成，所述内衬采用银镁镍合金或纯银材料制成。

优选的，所述密封轴套采用不锈钢或高温合金材料制成。

优选的，所述阻尼密封装置两侧的压强不超过30MPa。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

目前，国内氢氧发动机涡轮泵中，低温氢、氧泵叶轮凸肩密封，及多级泵之间密封多采用迷宫密封或浮动环密封。浮动环密封泄漏率较小，但浮动环无法向转子提供有效的刚度和阻尼，不能促进转子系统稳定性。迷宫密封泄漏率较大，且密封流体刚度和阻尼均较小，有时甚至具有较大的交叉刚度，不利于转子稳定性。

与上述现有技术相比，本发明通过提高密封内圆面粗糙度的孔式阻尼密封采用交错排列的小沉孔结构，可以提高节流能力，显著降低密封泄漏率，并且可以降低密封间隙流体周向流速，提高流体刚度和阻尼，降低交叉刚度，可显著提高转子稳定性。对振动能量大、振动环境复杂的高速、高压低温氢氧涡轮泵，应用阻尼密封可以提高对数衰减率，降低转子应变能，抑制转子振动能量，相比于迷宫密封，阻尼密封均有更大的优势。

附图说明

图1为氢氧涡轮泵阻尼密封装置装配图；

图2为阻尼密封组件示意图；

图3为阻尼密封装配间隙示意图；

图4为阻尼密封装配间隙示意图；

图5为阻尼密封内表面圆孔的排列方式；

图6为阻尼密封入口防旋叶片的结构形式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种低温高速、重载荷氢氧涡轮泵阻尼密封装置(即一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置)，可应用于低温泵叶轮凸肩或多级泵的级间密封处，其结构由阻尼密封组件1、密封轴套2组成。阻尼密封组件1通过螺栓连接安装于涡轮泵壳体3上，为静止组件。轴套2安装于转轴4上，其两侧分别受轴系零件夹紧，随轴转动。阻尼密封装置示意图见图1，阻尼密封组件示意图见图2。如图1所示，阻尼密封装置右侧为泵内高压腔，左侧为泵内低压腔，阻尼密封组件1与轴套2形成一个环形密封间隙，用于限制高压介质流向低压腔的泄漏量。

密封间隙越小越有利于泵容积效率的提高，但为防止转动的轴套与静止的阻尼密封组件发生剧烈碰磨，阻尼密封组件1与轴套2之间的密封间隙不宜过小，其径向间隙Cs与轴套直径D的比值一般为1×10^-3～3×10^-3，见图3。

当阻尼密封应用于叶轮凸肩密封时，密封轴套2实际为叶轮凸肩。当多级泵通过叶轮轮毂来轴向定位时，级间的阻尼密封的密封轴套2实际为叶轮轮毂。

考虑氢氧涡轮泵中密封结构强度要求和摩擦副的介质适应性，阻尼密封组件1由不锈钢或铝合金外壳5与银镁镍合金或纯银内衬6焊接而成，外壳5材料具有较高强度，内衬6材料较软，而与其配合的轴套2为不锈钢或高温合金材料，以形成良好的摩擦副。不锈钢或铝合金外壳5与银镁镍内合金或纯银内衬6采用钎焊或电子束焊接。

对于高速、重载荷氢氧涡轮泵而言，其泵叶轮凸肩密封或级间密封往往承受较大的压差(最高达30MPa)，为了进一步提高阻尼密封不锈钢或铝合金外壳与银合金内衬的结合强度，从密封入口向密封出口处，两者的焊接配合面为收敛的圆锥状，即焊缝7为斜线，使得阻尼密封上下游形成流体压差时，银合金内衬6与不锈钢外壳5的剪切力不仅仅由焊接结合强度来承受。焊接配合面的收敛锥度α为1°～2°,见图4。

为了提高密封的粗糙度，在内衬6内圆上设置有密排分布、交错排列的一系列圆孔8，见图4。圆孔8为深度h约为0.4mm～1.0mm的平底孔形式；圆孔8直径d为2mm或3.2mm，当密封轴向宽度L小于20mm时孔径d取2mm，L大于等于20mm时孔径d取3.2mm；圆孔8在轴向上按等间距方式排列，在周向为交错式排列，即一排孔的每孔中心线位于相邻另一排的两孔中心连线的中点所在的平面上，这种排列方式使两孔之间的最小壁厚s为0.3mm～0.5mm。

为了降低密封入口流体的周向预旋速度，阻尼密封组件1入口处设置有均匀分布的防旋叶片9，两个防旋叶片之间形成均流槽10。防旋叶片9为径向叶片，沿圆周均匀分布，叶片个数为36到40个，取偶数，防旋叶片9的厚度b为2～3mm，防旋叶片9深度hc为2～3mm。两个防旋叶片9形成的均流槽10外径距不锈钢壳体5与银合金内衬6焊接配合面7的距离j为1mm～1.5mm。

实施例2：

一种用于高转速液氢、液氧涡轮泵的低温泵叶轮凸肩及泵级间的阻尼密封装置，其结构由静止的阻尼密封组件1和旋转的密封轴套2组成，装配关系见图1所示，阻尼密封组件1装配在氢氧涡轮泵的泵壳体3上，密封轴套2装配在涡轮泵转子轴套2上随轴高速转动。

阻尼密封装置的右侧为泵腔高压区域，左侧为泵腔低压区域，阻尼密封在限制泵腔内部介质泄漏率的同时，还能减小密封交叉刚度，提高阻尼效果，抑制转子振动，提高转子稳定性。

阻尼密封组件1由不锈钢或铝合金密封壳体5和银或银镁镍合金内衬6钎焊而成，密封壳体5起到强化结构强度，银或银镁镍合金内衬6具有良好的减摩性能、氢氧环境下的介质兼容性能。

密封壳体5和银内衬6的焊接配合面为锥孔形状，从密封高压侧向低压侧看，为收敛锥孔，锥度角α为1°～2°，见图4。

在阻尼密封组件1的银内衬6的内圆面上设置有密排分布、交错排列的一系列圆孔8；圆孔8为深度h约为0.8mm的平底孔形式；圆孔8直径d为3.2mm，圆孔8在轴向上按等间距方式排列，在周向为交错式排列，两孔之间的最小壁厚s为0.3mm～0.5mm，见图5。

在阻尼密封组件1入口处设置有均匀分布的径向防旋叶片9，两个防旋叶片9之间形成均流槽10，防旋叶片9个数为40个，防旋叶片9厚度b为3mm，防旋叶片9深度hc为2～3mm，均流槽10外径距不锈钢壳体5与银合金内衬6焊接配合面的距离j为1.5mm，见图6。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，其特征在于，包括阻尼密封组件(1)、密封轴套(2)；

所述阻尼密封组件(1)安装在外部涡轮泵壳体(3)上；所述密封轴套(2)安装在外部转轴(4)上；所述阻尼密封组件(1)包括外壳(5)和内衬(6)；所述外壳(5)和内衬(6)之间采用锥面配合；所述内衬(6)与密封轴套(2)形成摩擦副；

所述内衬(6)靠近密封轴套(2)的内表面设有交错排列的孔；所述内衬(6)在高压液体的端面设有防旋叶片(9)；

所述内衬(6)靠近密封轴套(2)的内表面设有交错排列的圆孔(8)；所述圆孔(8)为平底孔，圆孔(8)的深度h为0.4mm～1.0mm；相邻的两个圆孔(8)之间最小壁厚s为0.3mm～0.5mm；所述外壳(5)采用不锈钢或铝合金材料制成，所述内衬(6)采用银镁镍合金或纯银材料制成；

所述外壳(5)和内衬(6)之间锥面配合的锥度为1°～2°；

所述阻尼密封组件(1)的内衬(6)与所述密封轴套(2)之间的间隙Cs，与所述密封轴套(2)的直径D的比值为1×10^-3～3×10^-3；

所述防旋叶片(9)的个数为偶数，沿内衬(6)的圆周均匀分布，两个相邻的防旋叶片(9)之间形成均流槽(10)。

2.根据权利要求1所述的一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，其特征在于，所述防旋叶片(9)的厚度b为2mm～3mm；防旋叶片(9)的深度hc为2mm～3mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，其特征在于，所述外壳(5)和内衬(6)之间采用钎焊或电子束焊焊接。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，其特征在于，所述密封轴套(2)采用不锈钢或高温合金材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于大功率氢氧涡轮泵的阻尼密封装置，其特征在于，所述阻尼密封装置两侧的压强不超过30MPa。

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