CN110985433B - 用于涡轮泵的可调控动密封装置和涡轮泵组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于涡轮泵的可调控动密封装置和涡轮泵组。动密封装置包括动环、静环组件、轴向力加载器和壳体。静环组件包括依次连接的静环、静环座、静环波纹管和后座，其中静环用于抵接动环，后座用于固定连接壳体。静环座在其径向内侧与静环波纹管连接，且在其径向外侧与轴向力加载器的一端连接，轴向力加载器的另一端连接壳体。壳体与轴向力加载器连接的位置还设有与轴向力加载器对应的引压孔，气源通过引压孔向轴向力加载器施压，通过静环座将力传递至静环与动环，以调整静环与动环的端面配合力。本发明的动密封装置，可以通过使用不同压力值的气源作用于轴向力加载器而实现调控密封端面比压，从而提高涡轮泵端面密封的适应性和可靠性。

Description

用于涡轮泵的可调控动密封装置和涡轮泵组

技术领域

本发明涉及涡轮泵的密封技术领域，尤其涉及一种用于涡轮泵的可调控动密封装置和涡轮泵组。

背景技术

涡轮泵作为泵压式液体火箭发动机的重要组成部分，其作用主要是通过对储箱介质加压为发动机工作提供所需的氧化剂和燃料。为阻止推进剂泄漏，氧化剂泵和燃料泵通常需要设置有效的动密封装置。

动密封装置的性能将直接决定涡轮泵的寿命和可靠性，是液体火箭发动机的关键技术之一。特别是对于氧化剂泵和燃料泵为同轴的涡轮泵，必须设置有效动密封来阻止两种推进剂因泄漏相遇而发生爆炸，可以说动密封性能直接决定涡轮泵的寿命和可靠性。若动密封端面比压偏低，发动机预冷或充填和工作时容易发生大量泄漏，反之发动机运转时容易发生密封端面磨损，进而密封失效，带来事故。

目前现有的液体火箭发动机涡轮泵采用端面密封，按照设计参数，密封端面比压设计通常为一固定值，不能随着涡轮泵介质压力的波动或者不同运转工况对密封比压的需求而进行调控，从而降低了密封对介质压力等参数的适应性和密封工作的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于涡轮泵的可调控动密封装置和涡轮泵组，以实现密封端面比压的可调控，提高密封的适应性和可靠性。

本发明一个方面提供了一种用于涡轮泵的可调控动密封装置，包括动环、静环组件、轴向力加载器和壳体，所述静环组件和所述轴向力加载器均设置于所述壳体内，且分别与所述壳体连接。所述静环组件包括静环、静环座、静环波纹管和后座，其中所述静环沿其轴线方向的一端抵触所述静环座的端面，且另一端抵接所述动环，所述静环波纹管的两端分别连接所述静环座和所述后座，所述后座远离所述静环座侧固定连接所述壳体。所述静环座与抵触所述静环的端面的相反端面上，所述静环座在其径向内侧与所述静环波纹管连接，且在其径向外侧与所述轴向力加载器的一端连接，所述轴向力加载器的另一端连接所述壳体。所述壳体与所述轴向力加载器连接的位置设有与所述轴向力加载器对应的引压孔，气源通过所述引压孔向所述轴向力加载器施压，以调整所述静环与所述动环的端面配合力。其中，所述静环与所述动环接触的端面为密封端面。

在一个实施例中，所述轴向力加载器包括与所述引压孔对应设置的加载波纹管，所述加载波纹管的一端与所述壳体连接，且与所述引压孔连通，另一端与所述静环座连接。

在一个实施例中，所述轴向力加载器包括与所述引压孔对应设置且彼此连通的加载波纹管和用于抵触所述静环座的加载块，所述加载波纹管一端与所述壳体连接，另一端与所述加载块的一端连接，所述加载块的另一端抵触所述静环座。

在一个实施例中，所述引压孔与所述加载波纹管形成的夹角角度设置在80度至130度之间。

在一个实施例中，所述静环座与所述静环相背的端面上至少设置一个所述轴向力加载器。

例如，在一个实施例中，所述静环座与所述静环相背的端面周向方向等角度设置两个以上所述轴向力加载器；所述引压孔对应所述轴向力加载器的数量和位置均匀地设置于所述壳体。

在一个实施例中，所述轴向力加载器为与所述静环座周向匹配的环形结构；所述轴向力加载器包括沿所述静环座周向方向设置的同轴不同径的第一加载波纹管和第二加载波纹管，第一加载波纹管与第二加载波纹管之间形成的空隙构成与所述引压孔配合的腔体。

在一个实施例中，所述壳体在沿所述静环座的周向方向上均匀设置至少两个所述引压孔，以使气源通过所述引压孔和所述腔体，均匀地向所述静环座施加作用力。

在一个实施例中，所述静环座包括配合所述静环外形的环形凹槽，所述静环同轴地安装在所述环形槽内。

本发明的另一个方面提供了一种涡轮泵装置，包括氧化剂泵、燃料泵、涡轮以及如上所述实施例中所述的任一种动密封装置；其中所述氧化剂泵、燃料泵、涡轮和所述动密封装置同轴设置，且所述动密封装置设置于所述氧化剂泵和所述燃料泵之间，或者设置于所述燃料泵和所述涡轮之间，或者设置于所述氧化剂泵和所述涡轮之间。

本发明的动密封装置，通过改变流经所述引压孔的气源压力值，进而调整轴向力加载器作用于密封端面的闭合力，实现密封端面比压的调控。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明实施例的可调控动密封装置结构示意图；

图2为本发明一个实施例示意图；

图3为本发明另一个实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

本发明一个方面提供了一种用于涡轮泵的可调控动密封装置。参见图1，该密封装置包括动环1、静环组件2、轴向力加载器3和壳体4。静环组件2和轴向力加载器3均设置于壳体4内，且分别与壳体4连接。静环组件2包括静环21、静环座22、静环波纹管23和后座24，其中静环21沿其轴线方向的一端抵触静环座22的端面，且另一端抵接动环1，静环波纹管23的两端分别连接静环座22和后座24，后座24远离静环座22侧固定连接壳体4。其中静环波纹管23处于压缩状态，从而对静环座22和静环21施加朝向动环1的力，使静环21与动环1紧密配合，进而静环21靠近动环1的端面形成一个压力为固定值的密封端面。

静环座22与抵触静环21的端面的相反端面上，静环座22在其径向内侧与静环波纹管23连接，且在其径向外侧与轴向力加载器3的一端连接，轴向力加载器3的另一端连接壳体4。壳体4与轴向力加载器3连接的位置设有与轴向力加载器3对应的引压孔5，气源通过引压孔5向轴向力加载器3施压，以调整静环21与动环1密封端面间的端面配合力。

本发明的实施例，通过在壳体与静环座之间设置轴向力加载器，并通过设于壳体的引压孔向轴向力加载器引入压力值为p的气源，使轴向力加载器产生轴向力f，并通过静环座传递至密封端面。本发明的实施例还可以通过改变气源的压力值p，进而调整轴向力加载器作用于密封端面的闭合力f，实现密封端面比压的可调控。

具体地，上述的动密封装置应用于涡轮泵或涡轮泵组之间，通过静环与动环接触的密封端面实现泵腔介质的密封。当发动机预冷或填充时，通过设置在密封壳体上的引压孔引入压力值为p的气源(可以是氮气或其他气体)，气源作用于轴向力加载器产生轴向力f，并通过静环座传递至密封端面，提高密封端面比压，保证泵腔介质的可靠密封；当发动机运转时，为防止密封端面之间发生严重磨损，可以降低气源的压力值p或者停止气源的注入，防止密封端面之间磨损，尽量避免因密封端面磨损而发生的泄漏事故。

在一个实施例中，轴向力加载器可以是与引压孔对应设置的加载波纹管，加载波纹管的一端与壳体连接且与引压孔连通，另一端与静环座连接。本发明的实施例可调控动密封装置，通过将加载波纹管一端连接壳体，另一端连接静环座，且与壳体连接的一端还与引压孔连通，气源可以通过引压孔和加载波纹管的腔体作用于静环座并产生轴向力f，静环座将轴向力f传递至静环与动环，从而通过调整气源压力可以使密封端面比压值改变。

在该实施例中，例如，加载波纹管是金属波纹管的一种，如不锈钢波纹管。

继续参见图1，在一个实施例中，轴向力加载器3包括与引压孔5对应设置且彼此连通的加载波纹管32和用于抵触静环座22的加载块31。加载波纹管32一端与壳体4连接，另一端与加载块31的一端连接，加载块31的另一端抵触静环座22。本发明实施例的动密封装置，通过在加载波纹管与静环座之间设置一个加载块，可以在气源注入引压孔并贯穿加载波纹管的腔体后作用在加载块上，即通过加载块将气源压力稳定地转化为对静环座的挤压力，并通过静环座将轴向力f传递至静环，使静环与动环之间的密封端面比压增大，实现密封端面比压的可调控。

例如，引压孔5与加载波纹管32形成的夹角角度可以设置在80度至130度之间。例如，可以将上述角度设置在85-95度之间，从而引压孔5引入的气源可以运行到引压孔5端部与加载波纹管32的交界处时，可以充分适应加载波纹管32腔体的形状，避免由气源导致的密封端面的压力突变。例如，引压孔5在其长度方向上可以为非等径结构。例如，在引压孔5的长度方向上间隔设置多个直径较大的气体缓冲部，从而提高密封端面压力调节的稳定性。

在上述实施例中，在80度≤夹角角度＜130度范围内，引压孔5与加载波纹管32的连接位置可以采用弧形管路连接，从而减少气源由引压孔5进入加载波纹管32过程中的压力损失，同时也可以保证加载块被气源作用的各个位置受力更加均衡，以保证密封端面各个位置的端面比压调控量一致。

在一个实施例中，静环座与静环相背的端面上可以至少设置一个轴向力加载器。

例如，在静环座与静环相背的端面周向方向等角度设置两个以上轴向力加载器，引压孔对应所述轴向力加载器的数量与位置设置于所述壳体。每个轴向力加载器都对应一个设置于壳体上的引压孔，且在作业过程中，进入每个引压孔的气源种类、压力大小、进气时间等条件均一致。

参见图2，例如，在静环座与静环相背的端面周向方向上，可以等角度设置6个轴向力加载器，与轴向力加载器对应设置的6个引压孔分别设置在壳体的相应位置。具体地，每个引压孔分别与相应位置的加载波纹管一端连接，加载波纹管的另一端与加载块的一端连接，加载块的另一端抵触静环座与静环相背的端面。本发明的实施例，通过将6个轴向力加载器等角度设置于静环座与静环相背的端面周向方向上，在气源经由引压孔和加载波纹管作用于加载块产生轴向力f时，静环座周向等角度的6个位置将同时被轴向力f作用，使静环座周向端面受力相对均衡并将f传递至密封端面，保证密封端面周向各位置的密封力调控一致。

在一个实施例中，在静环座与静环相背的端面周向方向上设置一个轴向力加载器，所述轴向力加载器为与静环座周向匹配的环形结构。轴向力加载器包括沿静环座周向方向设置的同轴不同径的第一加载波纹管和第二加载波纹管，第一加载波纹管与第二加载波纹管之间的空隙构成与引压孔配合的冲压腔体。

进一步地，在上述实施例中，壳体在沿静环座的周向方向上均匀地设置至少两个引压孔，保证气源作用于周向设置的加载块时，加载块周向受力相对均衡，从而确保动环与静环的密封端面的受力一致。

参见图3，例如，在静环座与静环相背的端面周向方向上设置一个轴向力加载器，所述轴向力加载器包括沿静环座周向方向设置的同轴不同径的第一加载波纹管32-1和第二加载波纹管32-2，第一加载波纹管32-1与第二加载波纹管32-2之间的空隙构成与引压孔5配合的冲压腔体A。其中，在冲压腔体A的周向方向上，四个引压孔5等角等径的设置于壳体且分别与冲压腔体连接。

具体地，第一加载波纹管32-1的半径大于第二加载波纹管32-2的半径，且两者同轴向的一端分别与壳体连接，其另一端分别与沿静环座周向设置的加载块连接。第一加载波纹管32-1与第二加载波纹管32-2的间隙构成的冲压腔体A与四个引压孔5分别连通。本发明的实施例，通过将压力值为p的气源引入四个引压孔5并进入冲压腔体A作用加载块后，加载块产生轴向力f作用于静环座，并通过静环座将轴向力f传递至静环，以实现静环与动环之间密封端面的压力增大，当停止或减小压力值p的气源的引入时，可以实现密封端面的压力值至原固定值或逐渐减小，从而实现密封端面的压力调控。

在一个实施例中，所述静环座设置了用于配合所述静环外形的环形凹槽，所述静环同轴地安装在所述环形槽内。其中静环的一端抵触静环座的内端面，另一端的端面抵触动环。

本发明的另一个方面提供了一种涡轮泵装置。液体火箭发动机的涡轮泵组中的氧化剂泵、燃料泵、涡轮和动密封装置同轴设置，且动密封装置可以设置于氧化剂泵和燃料泵之间，或者设置于燃料泵和涡轮之间，或者设置于氧化剂泵和涡轮之间。

例如，在液体发动机的涡轮泵组的密封结构中，涡轮泵组的密封结构可以设置在氧化剂泵或者燃料泵的入口。当发动机预冷或填充时，通过向动密封装置注入压力值为p的气源，通过气源作用而产生的轴向力使动密封装置的密封比压增大，保证泵腔内介质(氧化剂和燃料)的可靠密封。当发动机运转时，可以降低或者去除气体压力p的作用，从而减小动密封装置的密封闭合力，据此来实现动密封装置的可调控性，以及提高动密封的可靠性和适应性。由于涡轮泵组采用了本发明的动密封装置，因此具有相应的技术效果，可参见之前的描述。

本发明的动密封装置，能随着涡轮泵介质压力的波动或者不同运转工况对密封比压的需求而进行调控，提高了动密封的适应性和工作可靠性，使涡轮泵内的介质得到可靠密封。

本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于涡轮泵的可调控动密封装置，其特征在于，包括动环、静环组件、轴向力加载器和壳体，所述静环组件和所述轴向力加载器均设置于所述壳体内，且分别与所述壳体连接；

所述静环组件包括静环、静环座、静环波纹管和后座；其中所述静环沿其轴线方向的一端抵触所述静环座的端面，且另一端抵接所述动环；所述静环波纹管的两端分别连接所述静环座和所述后座，所述后座远离所述静环座侧固定连接所述壳体；

所述静环座与抵触所述静环的端面的相反端面上，所述静环座在其径向内侧与所述静环波纹管连接，且在其径向外侧与所述轴向力加载器的一端连接，所述轴向力加载器的另一端连接所述壳体；

所述轴向力加载器包括加载波纹管和加载块，所述加载波纹管一端与所述壳体连接，另一端与所述加载块的一端连接，所述加载块的另一端抵触所述静环座；

所述壳体与所述加载波纹管连接的位置设有与所述加载波纹管对应的引压孔，气源通过所述引压孔向所述加载波纹管及所述加载块施压，进而调整所述静环与所述动环的端面配合力；

所述可调控动密封装置，通过改变流经所述引压孔的气源压力值P，进而调整轴向力加载器作用于所述静环与所述动环的密封端面间的所述端面配合力，当停止或减小压力值P的气源的引入时，能实现密封端面的压力值至原固定值或者逐渐减小，从而实现所述密封端面的压力调控；

所述引压孔在其长度方向上间隔设置多个直径大于所述引压孔入口端的气体缓冲部，且所述引压孔与所述加载波纹管的连接位置采用弧形管路连接，以减少气源的压力损失，保证所述加载块被气源作用的各个位置受力更加均衡。

2.根据权利要求1所述的动密封装置，其特征在于，所述引压孔与所述加载波纹管形成的夹角角度设置在80度至130度之间。

3.根据权利要求1或2所述的动密封装置，其特征在于，所述静环座与所述静环相背的端面上至少设置一个所述轴向力加载器。

4.根据权利要求3所述的动密封装置，其特征在于，所述静环座与所述静环相背的端面周向方向等角度设置两个以上所述轴向力加载器；所述引压孔对应所述轴向力加载器的数量和位置均匀地设置于所述壳体。

5.根据权利要求3所述的动密封装置，其特征在于，所述轴向力加载器为与所述静环座周向匹配的环形结构；所述加载波纹管包括沿所述静环座周向方向设置的同轴不同径的第一加载波纹管和第二加载波纹管，第一加载波纹管与第二加载波纹管之间形成的空隙构成与所述引压孔配合的腔体。

6.根据权利要求5所述的动密封装置，其特征在于，所述壳体在沿所述静环座的周向方向上均匀设置至少两个所述引压孔，以使气源通过所述引压孔和所述腔体，均匀地向所述静环座施加作用力。

7.根据权利要求3所述的动密封装置，其特征在于，所述静环座包括配合所述静环外形的环形凹槽，所述静环同轴地安装在所述环形凹槽内。

8.一种涡轮泵组，其特征在于，包括氧化剂泵、燃料泵、涡轮以及如权利要求1-7任一项所述的动密封装置；其中所述氧化剂泵、所述燃料泵、所述涡轮和所述动密封装置同轴设置，且所述动密封装置设置于所述氧化剂泵和所述燃料泵之间，或者设置于所述燃料泵和所述涡轮之间，或者设置于所述氧化剂泵和所述涡轮之间。

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