CN110821879B - 一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构 - Google Patents

一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构 Download PDF

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Abstract

一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，属于火箭发动机技术领域，包括转轴（1）、密封壳体（2）、浮动环（3）、波形弹簧（4）、盖板（5）、第一轴套（7）、第二轴套（8）、密封轴套（9）；第一轴套（7）、密封轴套（9）、第二轴套（8）依次套装在转轴（1）上；密封轴套（9）靠近转轴（1）的表面设有环形槽，环形槽与转轴（1）之间形成环形腔（14）；密封轴套（9）在环形槽处设有径向孔（13）；密封壳体（2）套装在密封轴套（9）上，其上设有相互连通的进氦孔（11）、隔离腔（12）；盖板（5）与密封壳体（2）连接后使浮动环（3）位于隔离腔（12）内；波形弹簧（4）用于向浮动环（3）施加轴向预载，同时使隔离腔（12）与径向孔（13）连通。本发明实现了氧化剂与燃料的隔离，大幅提高了涡轮泵的安全性。

Description

一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构
技术领域
本发明涉及一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，属于火箭发动机技术领域。
背景技术
液体火箭发动机涡轮泵同时存在氧化剂和燃料时，两种介质的接触燃烧是一种典型的致灾故障，危害巨大。一旦氧化剂与燃料接触，将成裂变式发展燃烧，造成涡轮叶片烧蚀、壳体烧穿，甚至导致整个发动机爆炸。因此，涡轮泵工作时需要彻底隔离氧化剂与燃料。目前，涡轮泵常采用浮动环或迷宫密封形式的动密封，并在浮动环或迷宫密封中间通入一定压力的氦气以隔离两侧腔体的氧化剂与燃料。通常在转轴上安装密封轴套，与浮动环或迷宫密封组成摩擦副。但是，密封轴套与转轴为间隙配合，该配合间隙内也会存在氧化剂和燃料，从而诱发氧化剂与燃料接触燃烧甚至爆炸的破坏性故障。
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，提供了一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，包括转轴、密封壳体、浮动环、波形弹簧、盖板、第一轴套、第二轴套、密封轴套；第一轴套、密封轴套、第二轴套依次套装在转轴上，密封轴套与第一轴套和第二轴套均密封连接；密封轴套靠近转轴的表面设有环形槽，环形槽与转轴之间形成环形腔；密封轴套在环形槽处设有径向孔；密封壳体套装在密封轴套上，密封壳体上设有相互连通的进氦孔、隔离腔；盖板与密封壳体连接后使浮动环位于隔离腔内；波形弹簧用于向浮动环施加轴向预载，同时使隔离腔与径向孔连通。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，包括转轴、密封壳体、浮动环、波形弹簧、盖板、第一轴套、第二轴套、密封轴套；
所述第一轴套、密封轴套、第二轴套依次套装在所述转轴上，密封轴套与第一轴套和第二轴套均密封连接；所述密封轴套靠近转轴的表面设有环形槽，当所述密封轴套套装在所述转轴上后，所述环形槽与转轴之间形成环形腔；所述密封轴套在所述环形槽处设有径向孔；
所述密封壳体套装在所述密封轴套上，所述密封壳体上设有相互连通的进氦孔、隔离腔；所述盖板与所述密封壳体连接后使所述浮动环位于所述隔离腔内；所述波形弹簧用于向浮动环施加轴向预载，同时使所述隔离腔与径向孔连通。
优选的，还包括铝垫；所述密封轴套的两端设有密封齿，所述铝垫安装在密封齿，用于密封轴套与第一轴套和第二轴套的密封。
优选的，所述密封轴套的表面采用氮化铬改性处理。
优选的，所述密封轴套在所述环形槽处共设有4～6个径向孔，该4～6个径向孔沿所述密封轴套的圆周方面均有分布。
优选的，所述波形弹簧向浮动环施加的轴向预载大于等于15N。
优选的，经所述径向孔向环形腔通入的氦气的压力大于外部氧化剂的压力，同时所述氦气的压力大于外部燃料的压力。
优选的，所述氦气的压力比所述外部氧化剂的压力大0.4～0.5MPa，同时所述氦气的压力比所述外部燃料的压力大0.4～0.5MPa。
优选的，所述径向孔的直径为1.5～1.8mm。
优选的，所述密封齿的锥角为55°～65°，高度为0.3mm～0.5mm。
优选的，所述铝垫的厚度为0.6～0.9mm。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明设计的氦气隔离密封装置适用于液体火箭发动机涡轮泵，可以有效可靠地解决涡轮泵转轴与轴套密封间隙两侧氧化剂与燃料的隔离问题，极大提高涡轮泵工作安全性；
(2)密封轴套进行氮化铬表面改性，提高表面硬度及耐摩擦性能，并有利于进行径向孔结构的机加工，可避免氧化铬陶瓷涂层难加工、易崩边的问题；
(3)密封轴套设置4处Φ1.6mm的径向孔，使密封轴套与转轴配合间隙内充满氦气，以实现氧化剂和燃料的安全可靠隔离，避免了两者接触燃烧、爆炸的危害；
(4)密封轴套两端设置密封齿，并安装密封铝垫，增加轴套与转轴的静密封效果，进一步降低氦气泄漏量。
附图说明
图1为本发明阻燃密封结构的组成示意图；
图2为本发明密封轴套的结构示意图；
图3为本发明密封轴套的局部结构示意图；
图4为本发明阻燃密封结构注入氦气的气体流动图。
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：
一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，包括转轴1、密封壳体2、浮动环3、波形弹簧4、盖板5、第一轴套7、第二轴套8、密封轴套9、铝垫10。
所述第一轴套7、密封轴套9、第二轴套8依次套装在所述转轴1上，密封轴套9与第一轴套7和第二轴套8均密封连接；所述密封轴套9靠近转轴1的表面设有环形槽，当所述密封轴套9套装在所述转轴1上后，所述环形槽与转轴1之间形成环形腔14；所述密封轴套9在所述环形槽处共设有4～6个径向孔，该4～6个径向孔13沿所述密封轴套9的圆周方面均有分布。
所述密封壳体2套装在所述密封轴套9上，所述密封壳体2上设有相互连通的进氦孔11、隔离腔12；所述盖板5与所述密封壳体2连接后使所述浮动环3位于所述隔离腔12内；所述波形弹簧4用于向浮动环3施加轴向预载，轴向预载大于等于15N，同时使所述隔离腔12与径向孔13连通。所述径向孔13的直径为1.5～1.8mm。
所述密封轴套9的两端设有密封齿19，所述铝垫10安装在密封齿19，用于密封轴套9与第一轴套7和第二轴套8的密封。所述密封齿19的锥角为55°～65°，高度为0.3mm～0.5mm。所述铝垫10的厚度为0.6～0.9mm。所述密封轴套9的表面采用氮化铬改性处理。
经所述径向孔13向环形腔14通入的氦气的压力大于外部氧化剂的压力，同时所述氦气的压力大于外部燃料的压力。所述氦气的压力比所述外部氧化剂的压力大0.4～0.5MPa，同时所述氦气的压力比所述外部燃料的压力大0.4～0.5MPa。
实施例2：
一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，包括转轴1、密封壳体2、浮动环3、波形弹簧4、盖板5、螺钉6第一轴套7、第二轴套8、密封轴套9、铝垫10；其中浮动环3共有两道，如图1所示。
密封轴套9对应背靠背安装的浮动环3中间位置设置4处径向孔13，密封轴套9两端设置密封齿19，如图2～3所示。密封轴套9内表面加工环形槽。装配后，密封轴套9与转轴1形成环形腔14。工作时，动密封隔离腔12中的氦气由浮动环3的中部间隙经密封轴套9的径向孔13进入环形腔14，形成氦气隔离腔，以隔离第一轴套7、第二轴套8、密封轴套9分别与转轴1的配合间隙16、18中的氧化剂与燃料，如图4所示。
为降低氦气泄漏量，密封轴套9的两端设置密封齿19，并在密封轴套9与第一轴套7、密封轴套9与第二轴套8之间均安装铝垫10，第一轴套7、密封轴套9、第二轴套8依次连接的过程中，在轴套轴向压紧力作用下，密封齿19挤压铝垫10，使铝垫10发生轴向和径向变形，以提高第一轴套7、第二轴套8、密封轴套9分别与转轴1的静密封效果。
密封轴套9进行氮化铬离子注入表面改性，提高表面硬度及耐摩擦性能。密封轴套9表面圆周方向加工均布的4个径向孔13的直径为1.6mm。波形弹簧4对两道浮动环3施加轴向预载。密封轴套9的径向孔13与两道浮动环13的中间位置对齐。由密封壳体2的进氦孔11通入氦气，氦气压力同时大于氧化剂的压力和燃料的压力，差值为0.4～0.5MPa。两道浮动环3中间的氦气由密封轴套9的径向孔13进入转轴1与密封轴套9的配合间隙。
密封轴套9两端均设置密封齿19，密封齿锥角为60°，高度为0.3mm，轴套端面距密封齿根部为0.8mm。
铝垫10厚度为0.7mm，装配后仅密封齿部位压紧变形，保证第一轴套7、第二轴套8分别与密封轴套9端面完全接触、压紧。
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 (8)

1.一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，包括转轴(1)、密封壳体(2)、浮动环(3)、波形弹簧(4)、盖板(5)、第一轴套(7)、第二轴套(8)、密封轴套(9)；
所述第一轴套(7)、密封轴套(9)、第二轴套(8)依次套装在所述转轴(1)上，密封轴套(9)与第一轴套(7)和第二轴套(8)均密封连接；所述密封轴套(9)靠近转轴(1)的表面设有环形槽，当所述密封轴套(9)套装在所述转轴(1)上后，所述环形槽与转轴(1)之间形成环形腔(14)；所述密封轴套(9)在所述环形槽处设有径向孔(13)；
所述密封壳体(2)套装在所述密封轴套(9)上，所述密封壳体(2)上设有相互连通的进氦孔(11)、隔离腔(12)；所述盖板(5)与所述密封壳体(2)连接后使所述浮动环(3)位于所述隔离腔(12)内；所述波形弹簧(4)用于向浮动环(3)施加轴向预载，同时使所述隔离腔(12)与径向孔(13)连通；
还包括铝垫(10)；所述密封轴套(9)的两端设有密封齿(19)，所述铝垫(10)安装在密封齿(19)，用于密封轴套(9)与第一轴套(7)和第二轴套(8)的密封；
所述密封轴套(9)的表面采用氮化铬改性处理。
2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，所述密封轴套(9)在所述环形槽处共设有4～6个径向孔，该4～6个径向孔(13)沿所述密封轴套(9)的圆周方面均有分布。
3.根据权利要求1～2之一所述的一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，所述波形弹簧(4)向浮动环(3)施加的轴向预载大于等于15N。
4.根据权利要求1～2之一所述的一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，经所述径向孔(13)向环形腔(14)通入的氦气的压力大于外部氧化剂的压力，同时所述氦气的压力大于外部燃料的压力。
5.根据权利要求4所述的一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，所述氦气的压力比所述外部氧化剂的压力大0.4～0.5MPa，同时所述氦气的压力比所述外部燃料的压力大0.4～0.5MPa。
6.根据权利要求1～2之一所述的一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，所述径向孔(13)的直径为1.5～1.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，所述密封齿(19)的锥角为55°～65°，高度为0.3mm～0.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵氦气阻燃密封结构，其特征在于，所述铝垫(10)的厚度为0.6～0.9mm。
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