CN112012954A - 一种涡轮泵密封机构及涡轮泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮泵密封机构和应用该机构的涡轮泵。涡轮泵密封机构包括动环、静环、双层波纹管、隔离环、密封壳体和转轴。密封壳体适于连接涡轮泵的涡轮泵壳体。隔离环套设于转轴，并在与转轴的接触面形成密封。隔离环的外圈端面顶抵于密封壳体的内壁，形成密封。动环套设于转轴一侧端面与静环的一侧端面贴合形成密封。静环套设焊接于隔离环，静环的一侧端面与动环贴合形成密封。另一侧端面通过双层波纹管连接隔离环的一侧端面。双层波纹管两端分别连接静环和隔离环，双层波纹管接触泄露介质侧均匀设置有小孔。该涡轮泵密封机构密封可靠性高、高压环境中损耗小，适用于高速高压易汽化介质环境使用。

Description

一种涡轮泵密封机构及涡轮泵

技术领域

本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种涡轮泵密封机构以及应用该密封机构的涡轮泵。

背景技术

甲烷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甲烷，甲烷泵与涡轮紧邻。通常在液体火箭发动机涡轮泵中的甲烷泵和涡轮之间设置一套密封装置，避免低温甲烷和高温燃气两种介质大量相遇。目前，国内外用于涡轮与低温泵之间的密封主要有两种：

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，该种密封结构简单，但密封性能不理想，即工作时介质泄漏量较大，为提高密封可靠性，还需增加高压吹除系统；

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。目前该类密封在高压环境中，主要存在密封磨损量较大，密封的寿命较短等不足，故该类密封不能满足涡轮泵高转速、高压力、介质汽化等恶劣工况下长寿命和可靠性的要求。

发明内容

为解决现有的涡轮泵密封可靠性不高和高压环境中损耗较大的问题，本发明提供了一种适用于高速高压易汽化介质的涡轮泵密封机构以及应用该机构的涡轮泵。

本发明提供一种涡轮泵密封机构，包括动环、静环、双层波纹管、隔离环、密封壳体和转轴；所述密封壳体连接所述涡轮泵的涡轮泵壳体；所述隔离环套设于所述转轴，并在与所述转轴的接触面形成密封；所述隔离环的外圈端面顶抵于所述密封壳体的内壁，形成密封；所述动环套设于所述转轴，一侧端面与所述静环的一侧端面贴合形成密封；所述静环套设焊接于所述隔离环，所述静环的一侧端面与所述动环贴合形成密封；另一侧端面通过所述双层波纹管连接所述隔离环的一侧端面；所述双层波纹管两端分别连接所述静环和所述隔离环，所述双层波纹管接触泄露介质一侧均匀设置有小孔。

在本发明的一些实施例中，所述静环外圈设置有限位槽，所述密封壳体靠近所述静环处设置有销钉，所述销钉伸入所述限位槽内，抵接所述静环。

在本发明的一些实施例中，所述销钉在所述密封壳体内部的位置设置有弹簧。

在本发明的一些实施例中，所述转轴设置有台阶结构，所述动环套设于所述转轴的所述台阶结构处，部分端面贴合所述静环的端面，部分端面贴合所述转轴的台阶结构的端面；所述转轴的台阶结构处设置有密封圈。

在本发明的一些实施例中，所述密封壳体与所述涡轮泵壳体抵接处设置有台阶结构，在所述密封壳体的台阶结构处设置有金属密封环。

在本发明的一些实施例中，所述静环包含：石墨环，所述石墨环的一侧端面贴合所述动环的一侧端面，形成密封；所述静环套设于所述石墨环的部分连接所述双层波纹管。

在本发明的一些实施例中，所述转轴上套设有轴承，所述轴承靠近所述动环的一侧设置有定位件，所述定位件抵接所述轴承的端面和所述动环的端面。

在本发明的一些实施例中，所述隔离环与所述转轴套接的端面设置为迷宫密封结构。

在本发明的一些实施例中，所述密封壳体靠近所述双层波纹管的位置设置有阻尼带，所述阻尼带接触所述双层波纹管。

本发明还提供一种涡轮泵，所述涡轮泵的涡轮组件与泵组件之间设置有如上所述的涡轮泵密封机构；所述转轴连接所述涡轮组件；所述动环、静环及双层波纹管设置于靠近泵组件一侧；所述密封壳体通过一连接件与所述涡轮泵壳体连接紧固。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的涡轮泵密封机构，通过密封壳体、隔离环、转轴的设置，将涡轮泵的泵组件与涡轮组件之间的密封泄漏腔分隔成两部分。隔离环与密封壳体之间形成静密封。在靠近涡轮组件的部分通过直接或间接套设于转轴的动环与静环的端面贴合形成动密封。双层波纹管接触泄露介质侧均匀设置小孔，能够降低波纹管单位弹力，可解决波纹管在高压介质中形变量大的问题，可以起支撑作用。动环与静环贴合端面在波纹管弹力和介质压力作用下紧密贴合，保证贴合面处密封性能。波纹管为双层结构，可有效减少泵组件侧介质高压导致的波纹管的形变量，可有效降低密封端面(动环与静环贴合面)的作用压力，达到降低密封面处摩擦热，保证贴合面处液膜不发生汽化，达到降低密封磨损的目的。

2.本发明的涡轮泵密封机构，通过密封壳体的销钉和静环外圈限位槽的设置，销钉与限位槽配合，保证静环不发生周向转动，避免波纹管产生拧扭而产生裂纹，在静环磨损量大时，销钉可起到限位作用，减少静环沿转轴延伸方向的振动。销钉处设置弹簧，可有效地避免销钉与静环出现卡滞。

3.本发明的涡轮泵密封机构，通过密封圈的设置，可保证动环与转轴之间径向和轴向的静密封。

4.本发明的涡轮泵密封机构，通过金属密封环的设置，可保证密封壳体与涡轮泵壳体之间的静密封。金属密封环属于自紧密封，随介质压力的增加，金属密封环与壳体接触面处预紧力增加，达到密封的作用。

5.本发明的涡轮泵密封机构，通过石墨环的设置，可使动环与静环接触面贴合更加紧密，同时相比于金属件，可有效降低磨损。

6.本发明的涡轮泵密封机构，通过轴承及定位件与动环的抵接，可实现动环的定位和限位，降低动环在转轴轴向方向的位移，可提高密封性能的保障。

7.本发明的涡轮泵密封机构，通过隔离环与转轴接触面迷宫密封的设置，双层波纹管与隔离环围成的区域，泄漏的介质在环境高温作用下汽化压力升高，形成局部高压区，从而可降低该部分与泵组件侧的压差，从而达到降低密封机构涡轮组件侧和泵组件侧的比压的效果，进而降低密封面摩擦热，减少密封面处的介质汽化，最终达到提高密封寿命的目的。

8.本发明的涡轮泵密封机构，通过阻尼带接触双层波纹管的设置，可减少波纹管的振动，进而减少静环的振动。

9.本发明提供的涡轮泵密封机构，通过使用上述涡轮泵密封机构，密封可靠性高、高压环境中损耗小，适用于高速高压易汽化介质环境使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一实施例的涡轮泵密封机构的侧视剖视图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为本发明一实施例的涡轮泵密封机构中双层波纹管的剖视示意图；

图4为本发明一实施例的涡轮泵密封机构双层波纹管端面的示意图；

附图标记说明：

1.动环

2.静环

3.双层波纹管

4.隔离环

5.密封壳体

6.金属密封环

7.销钉

8.弹簧

9.阻尼带

10.密封圈

11.螺钉

12.转轴

13.轴承

14.定位件

15.石墨环

16.涡轮泵壳体

17.泄露液

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明提供一种涡轮泵密封机构，参见图1和图2。图1为本实施例的涡轮泵密封机构的侧视剖视图。图2为图1的局部放大示意图。图3为本实施例的涡轮泵密封机构中双层波纹管的剖视示意图。图4实施例的涡轮泵密封机构双层波纹管端面的示意图。如图1和图2所示，本实施例的涡轮泵密封机构包括：动环1、静环2、双层波纹管3、隔离环4、密封壳体5和转轴12。

其中，

密封壳体5适于连接涡轮泵的涡轮泵壳体16。

隔离环4套设于转轴12，并在与转轴12的接触面形成密封。隔离环4的外圈端面顶抵于密封壳体5的内壁，形成密封。

动环1套设于转轴12一侧端面与静环2的一侧端面贴合形成密封。

静环2套设焊接于隔离环4，静环2的一侧端面与动环1贴合形成密封。另一侧端面通过双层波纹管3连接隔离环4的一侧端面。

双层波纹管3两端分别连接静环2和隔离环4，双层波纹管3接触泄漏介质一侧均匀设置有小孔(参见图3和图4)。

实际应用中，动环1端面贴合静环2端面，动环随转轴12转动，形成动密封，为涡轮泵密封机构的主密封。

涡轮泵密封机构，通过密封壳体5、隔离环4、转轴12的设置，将涡轮泵的泵组件与涡轮组件之间的密封泄漏腔分隔成两部分(图1和图2中I区和III区)。隔离环4与密封壳体5之间形成静密封。在靠近涡轮组件的部分通过直接或间接套设于转轴12的动环1与静环2的端面贴合形成动密封。双层波纹管3接触泄漏介质一侧均匀设置小孔，能够降低波纹管单位弹力，可解决双层波纹管3在高压介质中形变量大的问题，可以起支撑作用。动环1与静环2贴合端面在双层波纹管3弹力和介质压力作用下紧密贴合，保证贴合面处密封性能。波纹管为双层结构，可有效减少泵组件侧介质高压导致的波纹管的形变量，可有效降低密封端面(动环1与静环2贴合面)的作用压力，达到降低密封面处摩擦热，保证贴合面处液膜不发生汽化，达到降低密封磨损的目的。

在一些实施例中，隔离环4的外圈端面焊接于密封壳体5，形成静密封。隔离环4与转轴12套接的端面设置为迷宫密封结构。当动环1与静环2之间出现泄漏时，泄漏液17渗入动环1与静环2之间，由于隔离环4与转轴12之间的迷宫密封，只有极少量泄漏液17进入迷宫密封的空间流向III区，进入III区后由于高温环境迅速汽化，部分情况下在迷宫密封空间内直接汽化。其余的部分进入双层波纹管3，由于双层波纹管3与隔离环4围成的区域为死腔，泄漏的介质在环境高温作用下汽化压力升高，形成局部高压区(II区，图中未示出)，在III区与I区之间形成缓冲压力区，从而达到降低密封机构涡轮组件侧和泵组件侧的比压的效果，进而降低密封面(动环1与静环2接触面)摩擦热，减少密封面处的介质汽化，最终达到提高密封寿命的目的。

在一些实施例中，静环2外圈设置有限位槽，密封壳体5靠近静环2处设置有销钉7，销钉7伸入限位槽内，抵接静环2。销钉7在密封壳体5内部的位置设置有弹簧8。实际应用中，销钉7与限位槽配合，保证静环2不发生周向转动，避免双层波纹管3产生拧扭而产生裂纹。在静环磨损量大时，销钉7可起到限位作用，减少静环2沿转轴延伸方向的振动。销钉7处设置弹簧8，可有效避免销钉7与静环2出现卡滞。

在一些实施例中，转轴12设置有台阶结构，动环1套设于转轴的台阶结构处，部分端面贴合静环2的端面，部分端面贴合转轴12的台阶结构的端面。转轴12的台阶结构处设置有密封圈10。通过密封圈的设置，可保证动环与转轴之间径向和轴向的静密封。

在一些实施例中，密封壳体5与涡轮泵壳体16抵接处设置有台阶结构，在密封壳体5的台阶结构处设置有金属密封环6。通过金属密封环6的设置，可保证密封壳体5与涡轮泵壳体16之间的静密封。金属密封环6属于自紧密封，随介质压力的增加，金属密封环6与涡轮泵壳体16处预紧力增加，达到密封的作用。在一些具体实施例中，为提高密封性能，可在金属密封环6表面镀银，厚度范围：0.05～0.15mm。

在一些实施例中，静环2包含石墨环15。石墨环15的一侧端面贴合动环1的一侧端面，形成密封。静环2套设于石墨环15的部分连接双层波纹管3。通过石墨环的设置，可使动环与静环接触面贴合更加紧密，同时相比于金属件，可有效降低磨损。

需特别说明的是，仅仅是将静环2的一部分替换为石墨，形成石墨环15，静环2实际上包含图1中石墨环15和套设于石墨环15外的部分。在其他实施例中，石墨环15可以是和套设部分采用相同的材料，或为一体件。即，静环2的范围实际上包含图1中石墨环15的位置，图1中仅仅是为了表示石墨环15的位置而特意示出，并非表示石墨环15与静环2为两个器件，或不采用石墨替换时静环2不包括石墨环15所示位置部分。

在一些实施例中，转轴12上套设有轴承13。轴承13靠近动环1的一侧设置有定位件14，定位件抵接轴承13的端面和动环1的端面。通过轴承及定位件与动环的抵接，可实现动环的定位和限位，降低动环在转轴轴向方向的位移，可提高密封性能的保障。在其他一些实施例中，也可以不设置定位件14，轴承13直接抵接动环1，实现动环1的定位和限位。

在一些实施例中，密封壳体5靠近双层波纹管3的位置设置有阻尼带9，阻尼带9接触双层波纹管3。通过阻尼带接触双层波纹管的设置，可减少波纹管的振动，进而减少静环的振动。

实施例2

本发明还提供一种涡轮泵，涡轮泵的涡轮组件与泵组件之间设置有如上述实施例1所述的涡轮泵密封机构。

其中，

转轴12连接涡轮组件。

动环1、静环2及双层波纹管3设置于靠近泵组件一侧。

密封壳体5通过一连接件，如图1中的螺钉11，与涡轮泵壳体16连接紧固。

涡轮泵密封机构内部的各部件连接关系如上述实施例1所述，在此不予赘述。

本实施例提供的涡轮泵密封机构，通过使用上述涡轮泵密封机构，密封可靠性高、高压环境中损耗小，适用于高速高压易汽化介质环境使用。在一些具体实施例中，双层波纹管可减少在介质压力高于1.5MPa时的变形，可有效降低密封端面的作用压力。涡轮泵可保证介质压力：1.5～3.5MPa；密封介质：液氧、甲烷、液氢等；介质温度≤-196℃；燃气温度≤400℃；转速≤40000r/min条件下的密封性。

本发明的技术方案已通过实施例说明如上，相信本领域技术人员可根据上述实施例了解本发明。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种涡轮泵密封机构，其特征在于：

包括动环(1)、静环(2)、双层波纹管(3)、隔离环(4)、密封壳体(5)和转轴(12)；

所述密封壳体(5)适于连接所述涡轮泵的涡轮泵壳体(16)；

所述隔离环(4)套设于所述转轴(12)，并在与所述转轴(12)的接触面形成密封；所述隔离环(4)的外圈端面顶抵于所述密封壳体(5)的内壁，形成密封；

所述动环(1)套设于所述转轴(12)一侧端面与所述静环(2)的一侧端面贴合形成密封；

所述静环(2)套设焊接于所述隔离环(4)，所述静环(2)的一侧端面与所述动环(1)贴合形成密封；另一侧端面通过所述双层波纹管(3)连接所述隔离环(4)的一侧端面；

所述双层波纹管(3)两端分别连接所述静环(2)和所述隔离环(4)，所述双层波纹管(3)接触泄露介质一侧均匀设置有小孔。

2.根据权利要求1所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述静环(2)外圈设置有限位槽，所述密封壳体(5)靠近所述静环(2)处设置有销钉(7)，所述销钉(7)伸入所述限位槽内，抵接所述静环(2)。

3.根据权利要求2所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述销钉(7)在所述密封壳体(5)内部的位置设置有弹簧(8)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述转轴(12)设置有台阶结构，所述动环(1)套设于所述转轴的所述台阶结构处，部分端面贴合所述静环(2)的端面，部分端面贴合所述转轴(12)的台阶结构的端面；所述转轴(12)的台阶结构处设置有密封圈(10)。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述密封壳体(5)与所述涡轮泵壳体(16)抵接处设置有台阶结构，在所述密封壳体(5)的台阶结构处设置有金属密封环(6)。

6.根据权利要求4或5所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述静环(2)包含：石墨环(15)，所述石墨环(15)的一侧端面贴合所述动环(1)的一侧端面，形成密封；所述静环(2)套设于所述石墨环(15)的部分连接所述双层波纹管(3)。

7.根据权利要求4或5所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述转轴(12)上套设有轴承(13)，所述轴承(13)靠近所述动环(1)的一侧设置有定位件(14)，所述定位件抵接所述轴承(13)的端面和所述动环(1)的端面。

8.根据权利要求4或5所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述隔离环(4)与所述转轴(12)套接的端面设置为迷宫密封结构。

9.根据权利要求4或5所述的涡轮泵密封机构，其特征在于：所述密封壳体(5)靠近所述双层波纹管(3)的位置设置有阻尼带(9)，所述阻尼带(9)接触所述双层波纹管(3)。

10.一种涡轮泵，其特征在于，所述涡轮泵的涡轮组件与泵组件之间设置有如权利要求1-9中任一项所述的涡轮泵密封机构；

所述转轴(12)连接所述涡轮组件；

所述动环(1)、静环(2)及双层波纹管(3)设置于靠近泵组件一侧；

所述密封壳体(5)通过一连接件与所述涡轮泵壳体(16)连接紧固。

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