CN112324591B - 一种火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其包括壳体，其包括壳体I、壳体II和壳体III；设置在壳体内部的阶梯主轴；套设在阶梯主轴上的前浮动环密封组件和后浮动环密封组件；前浮动环密封组件和后浮动环密封组件在壳体II内形成试验腔。本发明所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，功能性强，兼容性好，在低温高速状态下性能良好，可进行多种浮动环低温密封试验，既可验证浮动环组件的密封性能，也可考核浮动环结构的合理性。

Description

一种火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机涡轮泵用浮动环密封应用领域，且特别涉及一种多用途火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，应用于多种液体火箭发动机浮动环密封组件的批次抽检试验、跑合试验及研究性试验。

背景技术

高速旋转涡轮泵是液体火箭发动机的重要组件，浮动环密封组件是涡轮泵中的关键件，浮动环密封的可靠性是发动机可靠性的基础。在低温高转速工况下，浮动环密封组件的密封性能与工作压力、转速、浮环间隙等因素有关。此浮动环密封试验装置可模拟发动机涡轮泵的真实工况，并可进行密封试验腔入口压力变化和转速边界的低温运转试验偏工况考核及验证密封方案、结构设计及性能的合理性。设计此装置时需考虑密封产品在试验装置上的可兼容性好，拆装方便，利用率高，试验装置在低温环境下密封试验运行具有良好的性能，结构稳定，在低温环境下不收缩变形，设计时也需考虑系统稳定性及阶梯主轴的安全及可靠性，工作转速需避开临界转速等问题。目前还未发现适用于低温高转速工况下的浮动环密封试验装置。

中国专利CN 108708802 A公开了一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置。该装置应用于液氢液氧推进剂的火箭发动机端面密封组件的抽检试验、跑合试验及研究性试验中，将端面密封组件产品装配到本发明试验装置中，模拟发动机涡轮泵的工作环境。该装置存在下列缺点：一是仅用于端面密封产品试验，不能用于浮动环密封产品高速低温运转考核试验。

因此，如何提供一种适用于浮动环密封产品高速低温运转考核试验的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决至少部分上述技术问题，本发明提供一种火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，该试验装置包括：壳体，其包括壳体I、壳体II和壳体III；设置在所述壳体内部的阶梯主轴，所述阶梯主轴的一端通过前轴承固定在所述壳体I上，所述阶梯主轴的另一端穿过所述壳体II通过后轴承固定在所述壳体III上；套设在所述阶梯主轴上的前浮动环密封组件和后浮动环密封组件；所述前浮动环密封组件通过前浮动环壳体固定至所述壳体II上，所述后浮动环密封组件通过后浮动环壳体固定至所述壳体II上，前浮动环密封组件和后浮动环密封组件在所述壳体II内形成试验腔；其中，所述壳体II上开设有用于向所述试验腔输入试验介质的第一通孔，用于测量所述试验腔压力的第二通孔，以及用于测量所述试验腔温度的第三通孔。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，壳体I内壁的前端面上开设有第一圆形凹槽，所述第一圆形凹槽内利用3个第一皮碗进行密封，所述第一皮碗通过第一皮碗压盖固定在壳体I内壁上，所述第一圆形凹槽、壳体I和前浮动环组件形成一道泄漏腔；所述后浮动环密封组件、所述壳体II内壁的后端面和所述壳体III围成二道泄漏腔。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，所述壳体I上开设有3个与所述一道泄漏腔连通的第四通孔，和3个与所述二道泄漏腔连通的第五通孔；所述壳体II上开设有3个与所述一道泄漏腔连通的第六通孔，和3个与所述二道泄漏腔连通的第七通孔。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，该试验装置还包括设置在所述壳体I上的前端盖和设置在所述壳体III上的后端盖。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，所述后端盖上开设有第二圆形凹槽，所述第二圆形凹槽内利用3个第二皮碗进行密封，所述第二皮碗通过第二皮碗压盖固定在所述后端盖上。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，所述前端盖与所述第一皮碗间形成前轴承冷却腔；所述后端盖与所述第二大皮碗间形成后轴承冷却腔。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，所述壳体I上开设与所述前轴承冷却腔连通的第八通孔和第九通孔，所述第八通孔用于向所述前轴承冷却腔输入轴承冷却介质，所述第九通孔用于将所述前轴承冷却腔中的冷却介质排出；所述前端盖上开设有与所述前轴承冷却腔连通的第十通孔和第十一通孔，所述第十通孔用于检测所述前轴承冷却腔的压力值，所述第十一通孔用于检测所述前轴承冷却腔的温度值；所述壳体III上开设有与所述后轴承冷却腔连通的第十二通孔和第十三通孔，所述第十二通孔用于向所述后轴承冷却腔输入轴承冷却介质，所述第十三通孔用于将所述后轴承冷却腔中的冷却介质排出。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，壳体II后端的内侧壁上开设第三圆形凹槽，所述第三圆形凹槽利用3个第三皮碗密封进行密封，所述第三圆形凹槽将所述后轴承冷却腔和二道泄漏腔隔开。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，所述阶梯主轴的另一端穿出所述后端盖，所述另一端通过柔性联轴节与设置在所述壳体外部的增速箱连接。

在某些实施方式中，所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置中，所述前浮动环密封组件和所述壳体之间、所述后浮动环密封组件和所述壳体之间、所述前端盖和所述壳体之间、以及所述后端盖和所述壳体之间均设置有密封垫；所述密封垫材料为经退火处理的软铝；所述阶梯主轴与所述前轴承的配合面、所述阶梯主轴与所述后轴承的配合面、所述阶梯主轴与所述前浮动环密封组件的配合面、以及所述阶梯主轴与所述后浮动环密封组件的配合面的加工精度均为0.8级，形位公差小于0.02mm。

本发明实施例所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置至少具有如下之一的有益效果：

本发明所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，功能性强，兼容性好，在低温高速状态下性能良好，可进行多种浮动环低温密封试验，既可验证浮动环组件的密封性能，也可考核浮动环结构的合理性。

本发明所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，可同时进行2套密封组件的试验，相比其他试验装置提高1倍效率。

本发明所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，可进行具有一道泄出和二道泄出的浮动环组件试验，使用范围广。

本发明所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，阶梯主轴设计为刚性轴，使其工作转速避开了一阶临界转速，保证了足够的刚度和稳定性。阶梯主轴进行动平衡去重，进一步提高了试验装置在高速(0-36000r/min)状态下的稳定性。

本发明所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，各组成零件在精加工之前，在液氮中进行深冷处理，保证在低温试验过程中试验装置不收缩变形。

本发明所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，同轴精度高，结构合理，装配方便。对于阶梯主轴、壳体及装配在阶梯主轴上的零件的关键配合面均要求加工精度为0.8级，形位公差要求小于0.02mm，从而确保了试验装置的阶梯主轴与试验台驱动轴的同轴度精度。

附图说明

图1是本发明其中一个实施方式中所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置的结构示意图。

图2是本发明其中一个实施方式中所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置的左视结构示意图。

图3是本发明其中一个实施方式中所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置的右视结构示意图。

图4是本发明其中一个实施方式中所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置的组装示意图。

图5是本发明其中一个实施方式中所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置的试验流程图。

附图标记：

1代表壳体I，2代表壳体II，3代表壳体III，4代表碟簧保持架，5代表调整垫片，6代表后端盖，7代表第二皮碗压盖，8代表第二皮碗，9代表后轴承压板，10代表轴承中间套，11代表第三皮碗压盖，12代表后轴承压紧螺母，13代表前轴承压紧螺母，14代表前锁紧螺帽，15代表后锁紧螺帽，16代表后轴承压套，17代表前轴承压板，18代表前轴承压套，19代表第三皮碗，20代表前端盖，21代表主轴，22代表前轴套，23代表后轴套，24代表轴承预紧碟簧，25代表石墨密封垫，26代表第三皮碗垫片，27代表第二皮碗垫片，28代表垫片，29代表第一壳体密封垫片，30代表第二壳体密封垫片，31代表第三壳体密封垫片，32代表第一接管嘴密封垫片，33代表第二接管嘴密封垫片，34代表第三接管嘴密封垫片，35代表第四接管嘴密封垫片，36代表第一旋入接管嘴，37代表第二旋入接管嘴，38代表第三旋入接管嘴，39代表第四旋入接管嘴，40代表低温轴承，41代表键A5X15，42代表销A8X15，43代表销A8X65，44代表第一螺栓，45代表第二螺栓，46代表第三螺栓，47代表前浮动环密封组件，48代表后浮动环密封组件，49代表第一皮碗，50代表第一皮碗压盖，51代表一道泄漏腔，52代表二道泄漏腔，53代表前轴承冷却介质入口，54代表前轴承冷却介质出口，55代表后轴承冷却介质入口，56代表后轴承冷却介质出口，57代表工艺氧密封一道泄出口、58代表工艺氧密封二道泄出口、59代表氧密封介质入口，60代表氧密封一道泄出口，61代表氧密封二道泄出口，62代表氧密封一道泄出腔测压口，63代表氧密封二道泄出腔测压口，64代表氧密封二道泄出腔测温口，65代表氧密封进介质腔测压口，66代表工艺氧密封一道泄出测压口，67代表工艺氧密封泄漏腔测温口，68代表氧密封进介质腔测温口，69代表工艺氧密封二道泄漏测压口，70代表轴承冷却测压口，71代表轴承冷却测温口，72代表试验腔。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“和/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，本发明提供一种火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，该试验装置包括：

壳体，其包括壳体I1、壳体II2和壳体III3。试验装置壳体选用2Cr13不锈钢材料；

设置在所述壳体内部的阶梯主轴21，所述阶梯主轴21的一端通过前轴承固定在所述壳体I1上，所述阶梯主轴21的另一端穿过所述壳体II2通过后轴承固定在所述壳体III3上；所述阶梯主轴21位于壳体内，所述阶梯主轴21穿过设置在所述壳体内的平键、轴承中间套10、前轴承和后轴承支撑，前轴承装入前轴承压套18，用前轴承压板17压紧，前轴承压紧螺母13(反螺纹)锁紧，通过螺栓将前轴承压套18固紧在壳体I1上；后轴承装入后轴承压套16，通过后轴承压紧螺母12锁紧。通过轴承预紧碟簧24、碟簧保持架4、调整垫片5、后轴承压板9、螺栓固紧在壳体III3上。轴承预紧碟簧24、碟簧保持架4和调整垫片5用于装配时对前轴承和后轴承施加轴向预紧力。低温试验轴承选用角接触球轴承配对使用，注意轴承安装方向，采用轴承预紧碟簧24压紧轴承，利用预紧碟簧的压缩给轴承提供轴向预紧力，使得轴承可同时承受轴向力和径向力。

套设在所述阶梯主轴21上的前浮动环密封组件47和后浮动环密封组件48；所述前浮动环密封组件47通过前浮动环壳体固定至所述壳体II2上，所述后浮动环密封组件48通过后浮动环壳体固定至所述壳体II2上，前浮动环密封组件47和后浮动环密封组件48在所述壳体II2内形成试验腔72；其中，所述壳体II2上开设有用于向所述试验腔72输入试验介质的第一通孔，用于测量所述试验腔72压力的第二通孔，以及用于测量所述试验腔72温度的第三通孔。前浮动环密封组件47和后浮动环密封组件48对称设置。

轴系上还包括4套锁紧螺帽，材料均为2Cr13不锈钢，可确保螺帽与阶梯主轴21螺纹不粘连，其中前锁紧螺母均为反螺纹，在阶梯主轴21高速运转时可起到有效防松的效果。锁紧螺帽均与阶梯主轴21螺纹连接，包括前锁紧螺帽14和后锁紧螺帽15，2套锁紧螺母分别用于将前浮动环轴套和后浮动环轴套固紧在阶梯主轴21上，2套锁紧螺母用于固定前轴承和后轴承，其中前锁紧螺母均为反螺纹。

为进行液体火箭发动机涡轮泵浮动环密封低温高速批次抽检试验和跑合试验，考核涡轮泵浮动环密封的密封性能，本发明所述的试验装置，满足-196℃～-186℃低温和36000r/min转速下的工作条件，并且在低温环境下不收缩变形，同时，阶梯主轴21具有动态稳定性，阶梯主满足低速动平衡去重的要求。

将密封产品装配到本发明试验装置中，模拟发动机涡轮泵的真实工作环境，考核密封组件产品设计的密封性能和结构合理性，并且可以定量的检测密封组件产品的密封性能，解决密封组件产品设计中出现的各种问题，为改进产品设计提供重要依据和技术支持。

上述方案中，所述阶梯主轴21选用9Cr18不锈钢材料，加工时需进行动平衡，动平衡转速不低于4000r/min，动平衡精度等级为G1级。

上述方案中，壳体I1内壁的前端面上开设有第一圆形凹槽，所述第一圆形凹槽内利用3个第一皮碗49进行密封，所述第一皮碗49通过第一皮碗压盖50固定在壳体I1内壁上，所述第一圆形凹槽、壳体I1与前浮动环组件形成一道泄漏腔51；

所述后浮动环密封组件48、所述壳体II2内壁的后端面和所述壳体III3围成二道泄漏腔52。

上述方案中，所述壳体I1上开设有3个与所述一道泄漏腔51连通的第四通孔，和3个与所述二道泄漏腔52连通的第五通孔；3个所述第四通孔分布用于连接压力传感器、温度传感器和泄漏量传感器，检测所述一道泄漏腔51内的压力值、温度值和泄漏量。3个所述第五通孔分布用于连接压力传感器、温度传感器和泄漏量传感器，检测二道泄漏腔52内的压力值、温度值和泄漏量。

所述壳体II2上开设有3个与所述一道泄漏腔51连通的第六通孔，和3个与所述二道泄漏腔52连通的第期通孔。3个所述第六通孔分布用于连接压力传感器、温度传感器和泄漏量传感器，检测所述一道泄漏腔51内的压力值、温度值和泄漏量。3个所述第七通孔分布用于连接压力传感器、温度传感器和泄漏量传感器，检测二道泄漏腔52内的压力值、温度值和泄漏量。

上述方案中，进出口管路及传感器连接方式均采用喇叭口球头密封形式连接，经多次验证，此种球头密封效果良好；

上述方案中，该试验装置还包括设置在所述壳体I1上的前端盖20和设置在所述壳体III3上的后端盖6。

上述方案中，所述后端盖6上开设有第二圆形凹槽，所述第二圆形凹槽内利用3个第二皮碗8进行密封，所述第二皮碗8通过第二皮碗压盖7固定在所述后端盖6上。

上述方案中，所述前端盖20与所述第一皮碗49间形成前轴承冷却腔；所述后端盖6与所述第二大皮碗间形成后轴承冷却腔。所述前轴承冷却腔和后轴承冷却腔密封，防止液氮从阶梯轴花键端泄漏。

上述方案中，所述壳体I1上开设与所述前轴承冷却腔连通的第八通孔和第九通孔，所述第八通孔用于向所述前轴承冷却腔输入轴承冷却介质，所述第九通孔用于将所述前轴承冷却腔中的冷却介质排出。

所述前端盖20上开设有与所述前轴承冷却腔连通的第十通孔和第十一通孔，所述第十通孔用于检测所述前轴承冷却腔的压力值，所述第十一通孔用于检测所述前轴承冷却腔的温度值。

所述壳体III3上开设有与所述后轴承冷却腔连通的第十二通孔和第十三通孔，所述第十二通孔用于向所述后轴承冷却腔输入轴承冷却介质，所述第十三通孔用于将所述后轴承冷却腔中的冷却介质排出。

上述方案中，壳体II2后端的内侧壁上开设第三圆形凹槽，所述第三圆形凹槽利用3个第三皮碗19密封进行密封，所述第三圆形凹槽将所述后轴承冷却腔和二道泄漏腔52隔开。第三皮碗19利用第三皮碗压盖11固定至第三圆形凹槽上，相邻的两个第三皮碗19用第三皮碗垫片26隔开。

上述方案中，第一皮碗49、第二皮碗8和第三皮碗19均采用聚四氟乙烯+石墨，低温试验时具有良好的密封效果。相邻的第一皮碗49间设置第一垫片间隔，第一垫片为铝垫片、相邻的第二皮碗8间设置铝垫片间隔和相邻的第三皮碗19间设置铝垫片间隔，铝垫片为取得理想的密封效果，需根据压缩量选取合适厚度的垫片，低温环境下铝垫片具有良好的密封效果。

上述方案中，所述阶梯主轴21的另一端穿出所述后端盖6，所述另一端通过柔性联轴节与设置在所述壳体外部的增速箱连接。

上述方案中，所述前浮动环密封组件47和所述壳体之间、所述后浮动环密封组件48和所述壳体之间、所述前端盖20和所述壳体之间、以及所述后端盖6和所述壳体之间均设置有密封垫；所述密封垫材料为经退火处理的软铝。

所述阶梯主轴21与所述前轴承的配合面、所述阶梯主轴21与所述后轴承的配合面、所述阶梯主轴21与所述前浮动环密封组件47的配合面、以及所述阶梯主轴21与所述后浮动环密封组件48的配合面的加工精度均为0.8级，形位公差小于0.02mm。

上述方案中，还包括前轴承冷却介质入口53、前轴承冷却介质出口54、后轴承冷却介质入口55和后轴承冷却介质出口56。

上述方案中，所述阶梯主轴21为刚性轴，加工时进行动平衡去重。

上述方案中，所述试验装置各组成零件在精加工之前，均需在液氮中进行深冷处理，防止试验时零件受低温影响收缩变形。

上述方案中，还包括氧密封一道泄出腔测压口62、氧密封二道泄出腔测压口63、工艺氧密封泄漏腔测温口67、氧密封进介质腔测温口68、工艺氧密封二道泄漏测压口69和轴承冷却测压口70。

本发明其中一个实施方式中，如图4所示，加工时需将壳体I1、壳体II2、壳体III3、前轴承压套18以及后轴承压套16需要组装好，配钻销钉孔，打销钉，在精密镗床上找正先加工前轴承压套18的内孔，再加工后轴承压套16的内孔，以便保证装配精度和轴系同轴度。上述方案中，包括键A5X1541、销A8X1542、销A8X6543、第一螺栓44、第二螺栓45、第三螺栓46。

上述方案中，该试验装置还开设有工艺氧密封一道泄出口57、工艺氧密封二道泄出口58、氧密封介质入口59、氧密封一道泄出口60、氧密封二道泄出口61。

上述方案中，该试验装置还包括：第一接管嘴密封垫片32、第二接管嘴密封垫片33、第三接管嘴密封垫片34、第四接管嘴密封垫片35、第一旋入接管嘴36、第二旋入接管嘴37、第三旋入接管嘴38和第四旋入接管嘴39。

本发明所述的试验装置，其装配过程如下：

测量前后轴套23的外径及浮动环内径尺寸并记录，依据图1至图3将前轴套22、后轴套23装入轴上，分别用专用扳手将前锁紧螺母(反螺纹)及后锁紧螺母锁紧。

按图1至图3将石墨密封垫25安装于壳体II2的密封槽内，再将后浮动环密封组件48安装在壳体II2上，用涂好润滑脂的螺栓和鞍形垫圈拧紧。

按图1将石墨密封垫25安装于壳体I1的密封槽内，再将前浮动环密封组件47安装在壳体I1上，用涂好润滑脂的螺栓和鞍形垫圈拧紧。

将轴承按图示方向装入前轴承压套18，再安装前轴承压板17，用螺栓拧紧。

将壳体I1水平放置，按图将阶梯主轴21穿过壳体I1，不允许划伤前浮动环组件内圈。

按图将第一皮碗49、第一皮碗垫片、第一皮碗压盖50装入壳体I1，注意第一皮碗49安装方向。

将平键装入轴的键槽中，轴承中间套10装入轴承组件内，再将轴承组件装在轴上，并与壳体I1相连，插入定位销，用螺栓拧紧；装入前轴承锁紧螺母，暂不拧紧，待装壳体I1、II、III连接完成后再拧紧。

将壳体I1组件竖直放于装配桌上，将第一壳体密封垫片29安装在壳体I1的凸台外缘，再将壳体II2组件缓慢穿过轴系与壳体I1组件相连，不允许划伤后浮动环组件内圈，插入定位销，用螺栓和垫片紧固。

将第二壳体密封垫片30安装在壳体II2的密封槽中，将壳体III3安装于壳体II2上，插入定位销，用螺栓和垫片紧固。

按图将壳体III3内的第二皮碗8、第二皮碗垫片27、第二皮碗压盖7装入壳体III3，注意第二皮碗8安装方向。

将平键装入阶梯主轴21的平键槽内，轴承中间套10装在轴上，再将轴承按图示方向装在轴承中间套10上；装上后轴承压套16，并用螺栓固紧在壳体III3。

将轴承预紧碟簧24，碟簧保持架4压在轴承上，将计算好压缩量的调整垫片5放置于碟簧保持架4上，装入后轴承压板9，用螺钉固紧，用专用扳手将前后轴承压紧螺母12固紧。

将第三壳体密封垫片31装入壳体III3的密封槽内，盖上后端盖6，用螺栓拧紧。

依图示方向装入第二皮碗8、第二皮碗垫片27、第二皮碗压板，用螺栓拧紧。

将第一壳体密封垫片29装入壳体I1的密封槽内，盖上前端盖20，用螺栓拧紧。

将所有旋入接管咀和垫片装入相应的螺纹孔内。

前后浮动环组件对称布置，所述前浮动环密封组件47通过前浮动环壳体固定至所述壳体II2上，并在所述壳体II2内形成前试验腔72；所述后浮动环密封组件48通过后浮动环壳体固定至所述壳体II2上，并在所述壳体II2内形成后试验腔72。壳体II2上开设有与试验腔72相连第一通孔、第二通孔和第三通孔，第一通孔位于壳体最下方用于试验介质入口，第二通孔和第三通孔用于测量试验腔72的压力及温度；

壳体I1的前端内侧加工有第一圆形凹槽，第一圆形凹槽内安装有3个密封第一皮碗49，使壳体I1与前浮动环组件之间形成一道泄漏腔51；壳体I1上加工有6个通孔，其中3个第四通孔与一道泄漏腔51连通，分别用于测量泄漏腔的压力、温度以及二道密封泄漏量测量，另外3个第五通孔与浮动环密封组件二道泄漏腔52连通，分别测量密封一道泄漏腔51的压力、温度及泄漏量。

壳体II2后端内侧也加工有第三圆形凹槽，采用3个第三皮碗19密封，用于隔开轴承冷却腔及二道泄漏腔52。壳体II2后端与右侧浮动环组件之间形成二道泄漏腔52，壳体II2上另加工有6个通孔，其中3个第六通孔与一道泄漏腔51连通，分别用于测量泄漏腔的压力、温度以及第一密封泄漏量测量，另外3个第七通孔与浮动环密封组件二道泄漏腔52连通，分别测量密封二道泄漏腔52的压力、温度及泄漏量。

前端盖20与壳体I1连接，前端第一皮碗49与前端盖20之间形成前轴承冷却腔，壳体I1上开设有第八通孔和第九通孔，下端的第八通孔为轴承冷却介质入口，上端的第九通孔为冷却介质出口，同时在前端盖20上开设第十通孔和第十一通孔，用于测量轴承冷却腔的压力及温度。

后端盖6与壳体III3连接，后端第二皮碗8与后端盖6之间形成后轴承冷却腔，壳体III3上加工第十二通孔和第十三通孔，下端的第十二通孔为轴承冷却介质入口，上端的第十三通孔为冷却介质出口。

阶梯主轴21穿出后端盖6，与外部增速箱通过专门设计的柔性联轴节连接。

后端盖6上加工有第二圆形凹槽，第二圆形凹槽内安装有3个第二密封皮碗，3个第二密封皮碗之间有垫片，3个第二密封皮碗通过第二皮碗压盖7固定在后端盖6上，用于轴承冷却腔密封，防止液氮从阶梯轴花键端泄漏减少轴承腔液氮冷却量以及损坏齿轮箱。

所述发动机浮动环组件和壳体之间、前端盖20和壳体之间、后端盖6和壳体之间均设置有密封垫；所述壳体密封垫材料为铝，在机械加工后进行退火处理。

后轴承和后轴承压盖之间设置有轴承预紧碟簧24、碟簧保持架4、调整垫片5，用于装配时对前轴承和后轴承施加轴向预紧力。

所述试验装置各组成零件在精加工之前，均需在液氮中进行深冷处理，防止试验时零件受低温影响收缩变形。

所述阶梯主轴21与前轴承配合面、阶梯主轴21与后轴承配合面、阶梯主轴21与发动机动环配合面的加工精度均为0.8级，形位公差小于0.02mm。

由于浮动环密封组件产品种类多，每批产品数量较多，进行低温运转试验考核，试验装置装配拆卸频繁，使用率高，对于阶梯主轴21上有螺纹连接的零件，选用与阶梯主轴21不同的材料：阶梯主轴21选用9Cr18不锈钢，后轴承压紧螺母12、前轴承压紧螺母13、前锁紧螺母、后锁紧螺母均采用2Cr13不锈钢，以防止螺纹配合频繁拆装时粘连。

装配完成后，需用塞尺对壳体间密封效果进行间隙检查。

阶梯主轴21穿过第二皮碗8密封，通过专门设计的柔性联轴节与齿轮箱高速输出轴联接。

试验装置装配完成后，要求阶梯主轴21转动跳动量不大于0.02mm，并采用专门设计的调同轴工装，调整阶梯主轴21与后端盖6的端面垂直偏移量不大于0.02mm，否则需调整轴系或重装。

将试验装置整体放置于支架上，复核齿轮箱高速轴圆跳动不大于0.02mm，调整试验装置阶梯主轴21与齿轮箱高速轴的同轴度，齿轮箱高速轴与后端盖6的端面垂直偏移量不大于0.02mm。齿轮箱高速轴与试验装置阶梯主轴21的左右偏移量不大于0.02mm。

低温试验时，试验装置通入液氮后会整体下沉，为保证齿轮箱高速轴与试验装置阶梯主轴21的上下偏移量不大于0.02mm，故安装试验装置时，阶梯主轴21中心高度需有提高量。

试验装置中的进出口接管均已通过工程流体力学核算，保证进出口接管的流阻满足试验要求。

本发明的试验过程如下：

根据附图3，进行同时具有一道泄出及二道泄出的浮动环密封组件低温试验时，将试验装置安装到低温密封试验平台上的专用支架上并用相应规格的螺栓固紧，调整试验装置轴与齿轮箱高速轴同轴度，安装齿轮箱高速轴与试验装置的阶梯主轴21之间的联轴节，并用尼龙绳固紧，形成柔性连接；连接试验装置上所需的进出管路及传感器，包括轴承冷却入口、轴承冷却泄出口、试验腔72测压口、一道及二道介质泄漏量检测口、泄漏量测压口、泄漏量测温口；对试验系统进行气体吹除，吹除完成后；给试验装置通入低压压缩空气，用检漏液对试验装置各密封面进行检漏；检漏合格后，对密封组件进行规定压力下的静态常温气体泄漏量检测。常温气体泄漏量检测完成后打开介质入口阀门和介质出口阀门，为试验装置充入液氮，对试验装置进行预冷，当轴承冷却测温口71温度低于-180℃时，对浮动环密封组件进行规定压力下的静态低温气体泄漏量检测。当前后浮动环组件二道泄出测温口温度均低于-190℃时，方可启动电机，通过配气台增压液氮储罐调整试验装置试验腔72压力，启动齿轮箱润滑油站的回油泵和供油泵，之后启动电机，带动齿轮箱和试验装置阶梯主轴21运转，按试验条件缓慢升至规定转速，且密封腔压力达到工作压力时，密封腔介质入口流量，要在保持密封入口压力和温度的前提下进行调节，测量介质入口流量、试验腔72压力、轴承泄出口温度、齿轮箱轴承温度、试验装置振动、浮动环密封组件泄漏腔压力、泄漏腔温度、泄漏量、工作转速、试验系统功率等，通过判断泄漏量曲线来判定密封组件产品密封性能是否合格，达到试验时间及次数后，关闭电机、齿轮箱润滑油站油泵，对密封组件进行规定压力下的静态低温气体泄漏量检测，关闭进介质阀门，试验结束。

进行只有一道泄出的浮动环密封组件低温试验时，只需将壳体I1、壳体II2上二道泄出检测口、测温口、测压口全部封堵即可。

进行只有二道泄出的浮动环密封组件低温试验时，只需将壳体I1、壳体II2上一道泄出检测口、测温口、测压口全部封堵即可。

试验装置恢复常温后，对浮动环密封组件进行规定压力下的静态常温气体泄漏量检测，之后将试验装置分解，测量发动机浮动环组件内径的磨情况并记录，获得所有测量参数曲线。根据浮动环密封组件试验腔72压力、温度和泄漏量来分析密封组件产品的密封性能和结构合理性，为改进密封组件产品设计中出现的各种问题提供技术支持和依据。

本发明完成了多批次和种类的液体火箭发动机浮动环密封件(如燃料密封、氧化剂密封及涡轮密封浮动环)的批次抽检试验、跑合试验及研究性试验，使用效果良好。根据多次试验得出本发明试验装置额定参数如下：工作转速：0-36000r/min；试验腔72压力：4MPa(表压)；工作介质：液氮；工作温度：-196℃～-186℃。试验装置能够测量的参数如下：工作转速、试验腔72介质压力、试验腔72温度、试验腔72流量、泄漏腔泄漏量、泄漏腔压力、泄漏腔温度、试验系统功率及浮动环组件内径磨损量。多次试验表明，本发明的试验装置耐低温和常温，加工精度高，结构设计合理，在常温和低温高速状态下装置兼容性好、稳定性高。

多次试验表明，本发明试验装置耐低温，加工精度高，结构合理，试验高效，在低温高转速状态下装置稳定性强。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

Claims (8)

1.一种火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，该试验装置包括：

壳体，其包括壳体I(1)、壳体II(2)和壳体III(3)；

设置在所述壳体内部的阶梯主轴(21)，所述阶梯主轴(21)的一端通过前轴承固定在所述壳体I(1)上，所述阶梯主轴(21)的另一端穿过所述壳体II(2)通过后轴承固定在所述壳体III(3)上；

套设在所述阶梯主轴(21)上的前浮动环密封组件(47)和后浮动环密封组件(48)；所述前浮动环密封组件(47)通过前浮动环壳体固定至所述壳体II(2)上，所述后浮动环密封组件(48)通过后浮动环壳体固定至所述壳体II(2)上，前浮动环密封组件(47)和后浮动环密封组件(48)在所述壳体II(2)内形成试验腔(72)；

设置在所述壳体I(1)上的前端盖(20)和设置在所述壳体III(3)上的后端盖(6)；

第一皮碗(49)，其通过第一皮碗压盖(50)固定在壳体I(1)内壁上；

第二皮碗(8)，其通过第二皮碗压盖(7)固定在所述后端盖(6)上；其中，所述前端盖(20)与所述第一皮碗(49)间形成前轴承冷却腔；所述后端盖(6)与所述第二皮碗间形成后轴承冷却腔；

所述壳体II(2)上开设有用于向所述试验腔(72)输入试验介质的第一通孔，用于测量所述试验腔(72)压力的第二通孔，以及用于测量所述试验腔(72)温度的第三通孔。

2.根据权利要求1所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，

壳体I(1)内壁的前端面上开设有第一圆形凹槽，所述第一圆形凹槽内利用3个第一皮碗(49)进行密封，所述第一圆形凹槽、所述壳体I(1)和所述前浮动环组件间形成一道泄漏腔(51)；

所述后浮动环密封组件(48)、所述壳体II(2)内壁的后端面和所述壳体III(3)围成二道泄漏腔(52)。

3.根据权利要求2所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，

所述壳体I(1)上开设有3个与所述一道泄漏腔(51)连通的第四通孔，和3个与所述二道泄漏腔(52)连通的第五通孔；

所述壳体II(2)上开设有3个与所述一道泄漏腔(51)连通的第六通孔，和3个与所述二道泄漏腔(52)连通的第七通孔。

4.根据权利要求3所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，所述后端盖(6)上开设有第二圆形凹槽，所述第二圆形凹槽内利用3个第二皮碗(8)进行密封。

5.根据权利要求1所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，

所述壳体I(1)上开设与所述前轴承冷却腔连通的第八通孔和第九通孔，所述第八通孔用于向所述前轴承冷却腔输入轴承冷却介质，所述第九通孔用于将所述前轴承冷却腔中的冷却介质排出；

所述前端盖(20)上开设有与所述前轴承冷却腔连通的第十通孔和第十一通孔，所述第十通孔用于检测所述前轴承冷却腔的压力值，所述第十一通孔用于检测所述前轴承冷却腔的温度值；

所述壳体III(3)上开设有与所述后轴承冷却腔连通的第十二通孔和第十三通孔，所述第十二通孔用于向所述后轴承冷却腔输入轴承冷却介质，所述第十三通孔用于将所述后轴承冷却腔中的冷却介质排出。

6.根据权利要求1所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，

壳体II(2)后端的内侧壁上开设第三圆形凹槽，所述第三圆形凹槽利用3个第三皮碗(19)密封进行密封，所述第三圆形凹槽将所述后轴承冷却腔和二道泄漏腔(52)隔开。

7.根据权利要求1所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，

所述阶梯主轴(21)的另一端穿出所述后端盖(6)，所述另一端通过柔性联轴节与设置在所述壳体外部的增速箱连接。

8.根据权利要求1所述的火箭发动机用低温高转速浮动环密封试验装置，其特征在于，

所述前浮动环密封组件(47)和所述壳体之间、所述后浮动环密封组件(48)和所述壳体之间、所述前端盖(20)和所述壳体之间、以及所述后端盖(6)和所述壳体之间均设置有密封垫；所述密封垫材料为经退火处理的软铝；

所述阶梯主轴(21)与所述前轴承的配合面、所述阶梯主轴(21)与所述后轴承的配合面、所述阶梯主轴(21)与所述前浮动环密封组件(47)的配合面、以及所述阶梯主轴(21)与所述后浮动环密封组件(48)的配合面的加工精度均为0.8级，形位公差小于0.02mm。

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