CN111120414B - 一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构及方法，该平衡结构位于预压泵壳体中，包括壳体筋板(1)、径向轴承(2)、止推轴承(5)、以及预压泵转子(6)，还可以包括平衡鼓(3)和双迷宫密封件(4)。本发明中平衡结构及方法是为了解决大流量大功率预压泵转子剩余轴向力过大的问题而提出的，适用于大推力泵压式液体火箭发动机中，其通过调整预压泵的结构布局，能够主动控制预压泵内部流动循环，在保证轴承冷却流量的同时，有效控制大流量大功率预压泵在不同工况下转子的压力分布，从而调节预压泵剩余轴向力，提高发动机工作可靠性。

Description

一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构及方法
技术领域
本发明属于流体机械领域，涉及一种轴向力平衡结构及方法，特别涉及一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构及方法。
背景技术
液体火箭发动机泵增压系统普遍采用预压泵结构，预压泵放置在主泵前，预先提高主泵进口推进剂压力，保证主泵在较低的贮箱压力下不发生汽蚀，降低了发动机对贮箱压力需求。预压泵起旋以后，转子结构在压力场的作用下会产生一定的轴向力，轴向力过大会引起转子结构破坏和轴承损坏，影响发动机正常工作。对于大流量大功率预压泵，由于转子外径较大，转子轴向力对压力场特别敏感，如何有效调节预压泵轴向力大小直接影响发动机的工作可靠性。
因而，有必要提供一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构及方法，调节预压泵剩余轴向力，提高发动机工作可靠性。
发明内容
为了降低大流量大功率预压泵转子的剩余轴向力，本发明人进行了锐意研究，提供了一种预压泵轴向力平衡结构和方法，通过主动控制预压泵内部流动循环，在保证轴承冷却流量的同时，有效控制大流量大功率预压泵在不同工况下转子的压力分布，从而调节预压泵剩余轴向力，提高发动机工作可靠性，适用于泵压式液体火箭发动机，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下技术方案：
第一方面，本发明的目的在于提供一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构，该平衡结构位于预压泵壳体中，包括壳体筋板、径向轴承、止推轴承、以及预压泵转子；其中：
预压泵为轴流泵，预压泵转子起旋以后，将预压泵转子进口较低的推进剂压力增加到预压泵转子出口较高的压力，预压泵转子由位于其两侧的径向轴承和止推轴承两点支撑，止推轴承承受预压泵转子的剩余轴向力；
预压泵转子包括轮毂和轮毂外周固定的多个转子叶片，轮毂为中空封闭结构的回转体，且轮毂的截面直径由预压泵转子进口端至预压泵转子出口端逐渐增加，进而轮毂外推进剂流通面积逐渐减小；
预压泵转子入口端通过径向轴承固定在预压泵壳体上，预压泵壳体上加工有至少一个壳体筋板；其中，壳体筋板由预压泵壳体表面向内延伸后汇集于径向轴承外端，与预压泵转子之间形成第一平衡腔，至少一个壳体筋板内开设有沿其长度方向的通孔，通过该通孔引流高压液流至转子与预压泵壳体形成的第一平衡腔中，引入的高压液流产生朝向预压泵出口侧的轴向力。
进一步地，在径向轴承位于预压泵转子进口侧的轴体上固定平衡鼓，平衡鼓在预压泵转子的带动下转动，平衡鼓的周向外缘加工环形密封齿，与其外围的预压泵壳体形成迷宫密封结构III，平衡鼓的迷宫密封结构III用于调节径向轴承的冷却量大小，并配合第一平衡腔中的高压液流调节预压泵转子入口端轴向力。
进一步地，预压泵转子出口侧设置双迷宫密封件，双迷宫密封件为回转体结构静止件，不随预压泵转子运动而转动，其用于紧固止推轴承，使止推轴承在转子轴向上不发生移动。
更进一步地，轮毂出口末端设有轴向或近轴向的平直段，双迷宫密封件与轮毂的平直段下部构成迷宫密封结构I，与止推轴承一侧的预压泵转子轴体构成迷宫密封结构II，通过两迷宫密封结构与预压泵出口侧转子轮毂形成非密闭腔室，腔室中产生的压力可通过调整两迷宫密封结构的密封性而得到调节。
更进一步地，转子轮毂在预压泵转子低压端和高压端均开设一个或多个径向通孔，高压端径向通孔与第二平衡腔连通，高压端推进剂经过双迷宫密封件形成的两个迷宫密封结构后进入第二平衡腔，由高压端径向通孔进入中空转子轮毂流入低压端，由低压端径向通孔流出后，进入预压泵转子进口。
第二方面，本发明的目的在于提供一种大流量大功率预压泵轴向力平衡方法，该方法通过上述第一方面所述的轴向力平衡结构实施，包括如下步骤：
预压泵转子运转，将预压泵转子进口较低的推进剂压力增加到预压泵转子出口较高的压力；
由壳体筋板内的通孔引流高压液流至预压泵转子与预压泵壳体之间形成的第一平衡腔中，并经过平衡鼓对应的迷宫密封结构III的节流作用，调节预压泵第一平衡腔压力Po，进而调节预压泵转子入口端的轴向力大小；
引入的高压液流经径向轴承和平衡鼓对应的迷宫密封结构III，进入预压泵转子进口；
预压泵转子出口的高压介质大部分流入发动机主路，未流入发动机主路的高压介质可以经过双迷宫密封件上的迷宫密封结构I和迷宫密封结构II后汇集在一起，通过调节双迷宫密封件的密封能力调节其内侧第二平衡腔中压力Px；
高压端介质通过轮毂上的径向通孔流入中空轮毂，由低压端轮毂上的径向通孔流出后，再次进入到预压泵转子的进口。
根据本发明提供的一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构及方法，带来了有益的技术效果：
(1)本发明提供的预压泵轴向力平衡结构及方法，通过在预压泵转子出口和入口同时调节预压泵转子的压力分布和受力面积，调节方法更加有效；
(2)本发明提供的预压泵轴向力平衡结构及方法，预压泵转子轮毂为空腔结构，预压泵轴向力平衡系统流动匹配性较好，有效调节预压泵转子出入口的压力分布；
(3)本发明提供的预压泵轴向力平衡结构及方法，有利于大流量大功率预压泵在不同工况下的适用情况。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式中预压泵轴向力平衡方法示意图；
图2示出本发明一种优选实施方式中预压泵转子的剖面图；
图3示出本发明一种优选实施方式中预压泵壳体筋板的结构示意图；
图4示出本发明一种优选实施方式中双迷宫密封件的结构示意图。
附图标号说明:
1-壳体筋板、2-径向轴承、3-平衡鼓、4-双迷宫密封件、5-止推轴承、6-预压泵转子、61-轮毂、62-转子叶片。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
根据本发明的第一方面，如图1所示，本发明提供了一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构，该平衡结构位于预压泵壳体中，包括壳体筋板1、径向轴承2、止推轴承5、以及预压泵转子6；其中，
预压泵为轴流泵，预压泵转子6起旋以后，将预压泵转子进口较低的推进剂压力增加到预压泵转子出口较高的压力，预压泵转子6由位于其两侧的径向轴承2和止推轴承5两点支撑，其中，止推轴承5承受预压泵转子6的剩余轴向力；该预压泵转子进口的推进剂主要来源于预压泵前的发动机贮箱。
如图2所示，预压泵转子6包括轮毂61和轮毂61外周固定的多个转子叶片62，轮毂61为中空封闭结构的回转体，且轮毂61的截面直径由预压泵转子进口端至预压泵转子出口端逐渐增加，进而轮毂61外推进剂流通面积逐渐减小(转子叶片径向高度逐渐减小)；
预压泵转子入口端通过径向轴承2固定在预压泵壳体上，预压泵壳体上加工有至少一个壳体筋板1，如图3所示；其中，壳体筋板1由预压泵壳体表面向内延伸后汇集于径向轴承2外端，与预压泵转子6之间形成第一平衡腔，至少一个壳体筋板1内开设有沿其长度方向的通孔，通过该通孔引流高压液流至第一平衡腔中。第一平衡腔中的压力Po可调节，且引入的高压液流起到对径向轴承2降温冷却、以及轴向压力调节的目的。
优选地，高压液流与预压泵中的推进剂为相同介质。
在本发明中，在径向轴承2位于转子进口侧的轴体上固定平衡鼓3，平衡鼓3为转动件，在预压泵转子6的带动下转动，平衡鼓3的周向外缘加工环形密封齿，与其外围的预压泵壳体形成迷宫密封结构III，平衡鼓3的宫密封结构III用于调节径向轴承2的冷却量大小，并配合第一平衡腔中的高压液流调节预压泵转子入口端轴向力。
在本发明中，预压泵转子出口侧设置双迷宫密封件4，双迷宫密封件4为回转体结构静止件，不随预压泵转子6运动而转动，其用于紧固止推轴承5，使止推轴承5在转子轴向上不发生移动。
进一步地，如图4所示，轮毂61高压段末端设有轴向或近轴向的平直段，双迷宫密封件4与轮毂61的平直段下部构成迷宫密封结构I，与止推轴承5一侧的预压泵转子轴体构成迷宫密封结构II，通过两迷宫密封结构与预压泵出口侧转子轮毂61形成非密闭腔室及第二平衡腔，腔室中压力Px可调节。其中，流经迷宫密封结构II的推进剂除了向进口端提供轴向力外，还具有冷却止推轴承5的作用。
更进一步地，转子轮毂61在预压泵转子低压端和高压端均开设一个或多个径向通孔，高压端径向通孔与第二平衡腔连通，高压端推进剂经过双迷宫密封件4形成的两个迷宫密封结构后进入第二平衡腔，由高压端径向通孔进入中空转子轮毂61流入低压端，由低压端径向通孔流出后，进入预压泵转子进口。
转子剩余轴向力由止推轴承5承受，调节预压泵转子的剩余轴向力应小于止推轴承5在当前转速下所能承受的最大轴向载荷。
预压泵转子旋转增压后，预压泵出口压力会高于进口压力，预压泵转子在前后压差的作用下会产生一定的轴向力，当预压泵转子结构一定时，通过主动调节转子进口侧和出口侧的压力分布，可以调节预压泵转子的剩余轴向力，直至平衡后的剩余轴向力满足轴承可承受轴载即可。
本发明中平衡结构的设计存在进口侧调节和出口侧调节两种平衡方式：
进口侧：转子进口的压力有两类，一类是预压泵进口的推进剂低压，一类是从壳体筋板1的通孔引流的高压液流。可以调节的是转子进口前的第一平衡腔内的压力(进口的推进剂低压发动机决定的，一般不可调，只能去适应)，可以通过调整引流处的高压大小和平衡鼓的密封能力来调节。
出口侧：预压泵转子出口的压力有两类，一类是预压泵转子旋转做功以后转子出口侧的推进剂高压Pe，既作用在转子出口侧的叶片上，也作用在转子出口侧的转轴上；一类是作用在转子出口侧轮毂上的第二平衡腔压力Px。可以调节的是第二平衡腔处的压力大小(通过双迷宫密封件的密封能力来调节)，以及两类压力作用的转子面积，比如，增加Px腔对应的转子轮毂高度，那么同时转子出口侧的推进剂高压Pe对应的转子叶片高度就减小了，由于双迷宫密封结构，Px<Pe，各自压力作用面积的改变会调节转子出口侧的轴向力，也就是主动调节转子出口侧的压力分布和受力面积。
根据本发明的第二方面，提供了一种大流量大功率预压泵轴向力平衡方法，该平衡方法通过上述平衡装置实施：
预压泵转子6运转，将预压泵转子进口较低的推进剂压力增加到预压泵转子出口较高的压力；该预压泵转子进口的推进剂主要来源于预压泵前的发动机贮箱；
由壳体筋板1内的通孔引流高压液流至预压泵转子6与预压泵壳体之间形成的第一平衡腔中，并经过平衡鼓3对应的迷宫密封结构III的节流作用，调节预压泵第一平衡腔压力Po，进而调节预压泵转子入口端的轴向力大小；
高压液流经径向轴承2和平衡鼓3对应的迷宫密封结构III，进入预压泵转子进口；
预压泵转子出口的高压介质大部分流入发动机主路，未流入发动机主路的高压介质可以经过双迷宫密封件4上的迷宫密封结构I和迷宫密封结构II后汇集在一起，通过调节双迷宫密封结构件4调节其内侧第二平衡腔中压力Px；
高压端介质通过轮毂61上的径向通孔流入中空轮毂61，由低压端轮毂61上的径向通孔流出后，再次进入到预压泵转子的进口。
在本发明中，平衡鼓3对应的迷宫密封结构III的调节方式为调节迷宫间隙和迷宫齿的数量及形式。双迷宫密封件4的调节方式为调节迷宫间隙和迷宫齿的数量及形式。调节的前提是，双迷宫密封件4和迷宫密封结构III的调节均需要满足轴承运转时的冷却量要求。
在本发明中，该预压泵中推进剂液体流量范围可达800～1100L/s，预压泵功率范围可达1～2.5MW。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大流量大功率预压泵轴向力平衡结构，其特征在于，该平衡结构位于预压泵壳体中，包括壳体筋板(1)、径向轴承(2)、止推轴承(5)、以及预压泵转子(6)；其中，
预压泵为轴流泵，预压泵转子(6)起旋以后，将预压泵转子进口较低的推进剂压力增加到预压泵转子出口较高的压力，预压泵转子(6)由位于其两侧的径向轴承(2)和止推轴承(5)两点支撑，止推轴承(5)承受预压泵转子(6)的剩余轴向力；
预压泵转子(6)包括轮毂(61)和轮毂(61)外周固定的多个转子叶片(62)，轮毂(61)为中空封闭结构的回转体，且轮毂(61)的截面直径由预压泵转子进口端至预压泵转子出口端逐渐增加，进而轮毂(61)外推进剂流通面积逐渐减小；
预压泵转子(6)入口端通过径向轴承(2)固定在预压泵壳体上，预压泵壳体上加工有至少一个壳体筋板(1)；其中，壳体筋板(1)由预压泵壳体表面向内延伸后汇集于径向轴承(2)外端，与预压泵转子(6)之间形成第一平衡腔，至少一个壳体筋板(1)内开设有沿其长度方向的通孔，通过该通孔引流高压液流至第一平衡腔中，引入的高压液流产生朝向预压泵出口侧的轴向力；
预压泵转子出口侧设置双迷宫密封件(4)，双迷宫密封件(4)为回转体结构静止件，不随预压泵转子(6)运动而转动，其用于紧固止推轴承(5)，使止推轴承(5)在转子轴向上不发生移动；轮毂(61)出口末端设有轴向或近轴向的平直段，双迷宫密封件(4)与轮毂(61)的平直段下部构成迷宫密封结构I，与止推轴承(5)一侧的预压泵转子轴体构成迷宫密封结构II，通过两迷宫密封结构与预压泵出口侧转子轮毂(61)形成非密闭腔室即第二平衡腔，腔室中产生的压力可通过调整两迷宫密封结构的密封性而得到调节；
转子轮毂(61)在预压泵转子低压端和高压端均开设一个或多个径向通孔，高压端径向通孔与第二平衡腔连通，高压端推进剂经过双迷宫密封件(4)形成的两个迷宫密封结构后进入第二平衡腔，由高压端径向通孔进入中空轮毂(61)流入低压端，由低压端径向通孔流出后，进入预压泵转子进口。
2.根据权利要求1所述的大流量大功率预压泵轴向力平衡结构，其特征在于，引入的高压液流与预压泵中的推进剂为相同介质。
3.根据权利要求1所述的大流量大功率预压泵轴向力平衡结构，其特征在于，在径向轴承(2)位于预压泵转子进口侧的轴体上固定平衡鼓(3)，平衡鼓(3)在预压泵转子(6)的带动下转动，平衡鼓(3)的周向外缘加工环形密封齿，与其外围的预压泵壳体形成迷宫密封结构III，平衡鼓(3)的迷宫密封结构III用于调节径向轴承(2)的冷却量大小，并配合第一平衡腔中的高压液流调节预压泵转子入口端轴向力。
4.一种大流量大功率预压泵轴向力平衡方法，该方法通过上述权利要求3所述的轴向力平衡结构实施，包括如下步骤：
预压泵转子(6)运转，将预压泵转子进口较低的推进剂压力增加到预压泵转子出口较高的压力；
由壳体筋板(1)内的通孔引流高压液流至预压泵转子(6)与预压泵壳体之间形成的第一平衡腔中，并经过平衡鼓(3)对应的迷宫密封结构III的节流作用，调节预压泵第一平衡腔压力Po，进而调节预压泵转子入口端的轴向力大小；
引入的高压液流经径向轴承(2)和平衡鼓(3)对应的迷宫密封结构III，进入预压泵转子进口；
预压泵转子出口的高压介质大部分流入发动机主路，未流入发动机主路的高压介质可以经过双迷宫密封件(4)上的迷宫密封结构I和迷宫密封结构II后汇集在一起，通过调节双迷宫密封件(4)的密封能力调节其内侧第二平衡腔中压力Px；
高压端介质通过轮毂(61)上的径向通孔流入中空轮毂(61)，由低压端轮毂(61)上的径向通孔流出后，再次进入到预压泵转子的进口。
5.根据权利要求4所述的大流量大功率预压泵轴向力平衡方法，其特征在于，该预压泵中推进剂液体流量范围可达800～1100L/s，预压泵功率范围可达1～2.5MW。
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