CN112483415A - 基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵。本发明的目的是解决现有技术存在止推轴承和径向轴承的同轴度较难保证，止推轴承后设置的高压节流装置需采取确保可靠锁紧的措施、螺纹联接部位易产生装配多余物、浮动环结构工作特性设计与控制难度大、结构复杂的技术问题，提供一种基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵。该结构通过采用一体化支承座结构设计，使得转子系统两支承轴承具有高精度的结构同轴度，通过在支承座外部采用高精度定位法兰、外部凹槽结构共同实现支承座与涡轮泵壳体之间的高联接刚度和高结构刚度，通过迷宫齿节流结构，改善了转子系统的振动特性。

Description

基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵
技术领域
本发明涉及一种发动机涡轮泵，具体涉及一种基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵。
背景技术
液体火箭发动机低温涡轮泵包括涡轮泵壳体，设置在涡轮泵壳体内的转子系统和压紧螺母；转子系统包括转轴、泵轮、涡轮、设置在转轴安装泵轮一端的径向轴承、设置在转轴安装涡轮一端的止推轴承、套设在转轴上且位于径向轴承和止推轴承之间的轴套；压紧螺母用于顶紧止推轴承外圈。工作时，涡轮通常工作于高温、高压的燃气通道中；泵轮通常工作于低温介质中，用于将低温涡轮泵转子系统的振动幅值控制在一定范围之内；止推轴承用于承受转子系统的不平衡轴向力和径向力；径向轴承用于承受转子系统的不平衡径向力。
通常，由于低温涡轮泵无法通过润滑油或油脂进行润滑、冷却，其转子系统的两个支承轴承(径向轴承和止推轴承)只能采用泵低温工作介质(工质)进行冷却和润滑。同时，为了防止涡轮燃气倒灌流入止推轴承而导致轴承失效，止推轴承工质的压力通常远高于涡轮的燃气压力，属于低温、高压工质。同时，止推轴承和径向轴承通常分别安装于低温涡轮泵的涡轮壳体内腔、泵壳体内腔，而涡轮壳体和泵壳体为不同的组件，通过螺栓进行外部联接。这种结构使得低温涡轮泵转子系统两个支承轴承的同轴度较难保证，导致低温涡轮泵转子系统支承精度较低，转子系统的振动值偏高，进而使得涡轮泵的工作可靠性降低。
同时为了确保冷却止推轴承后的低温、高压工质回流至泵轮端的低温、低压工作腔，需要在止推轴承后设置高压节流装置。高压节流装置常采用浮动环或节流螺母等结构，这两种结构均存在螺纹联接部位需要采取相应的确保可靠锁紧的措施、涡轮泵装配过程中螺纹联接部位易产生装配多余物等问题。此外，浮动环结构为动密封，还存在工作特性设计与控制难度大、且需要与挡板和限位螺母等共同完成节流功能，导致结构复杂的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有液体火箭发动机低温涡轮泵存在止推轴承和径向轴承的同轴度较难保证，导致涡轮泵工作可靠性降低，止推轴承后设置的高压节流装置需采取确保可靠锁紧的措施、螺纹联接部位易产生装配多余物、浮动环结构工作特性设计与控制难度大、结构复杂的技术问题，提供一种基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，包括涡轮泵壳体，设置在涡轮泵壳体内的转子系统和压紧螺母；转子系统包括转轴、泵轮、涡轮、设置在转轴安装泵轮一端的径向轴承、设置在转轴安装涡轮一端的止推轴承、套设在转轴上且位于径向轴承和止推轴承之间的轴套；压紧螺母用于顶紧止推轴承外圈；
其特殊之处在于：还包括一体化筒状支承座，该支承座包括沿轴向依次设置的径向轴承安装段、集液段和止推轴承安装段；
所述径向轴承安装段的外径大于止推轴承安装段的外径；
所述集液段的外径小于径向轴承安装段和止推轴承安装段的外径，在集液段与涡轮泵壳体之间形成集液环腔，集液段内周靠近径向轴承安装段一侧设有迷宫齿节流结构；
所述径向轴承安装段外周设有法兰，法兰与涡轮泵壳体通过联接螺栓紧固联接；径向轴承安装段内周设有径向轴承配合面，径向轴承配合面的轴向长度大于径向轴承的宽度；
所述止推轴承安装段外表面与涡轮泵壳体间留有间隙，且止推轴承安装段外周开设有多个轴向凹槽，内周沿轴向由内至外依次设有止推轴承配合面和紧固螺纹，止推轴承配合面的轴向长度小于止推轴承的宽度，紧固螺纹处安装压紧螺母；
所述涡轮泵壳体上靠近径向轴承安装段一侧开设有与集液环腔连通的工作介质入口。
进一步地，为了使左端径向轴承配合面的轴向宽度足够，确保泵工作过程中径向轴承外圈不发生轴向限位，进而确保转子系统具有一定的轴向活动空间，所述径向轴承配合面的轴向长度比径向轴承宽度长4-5mm；
为了使止推轴承外圈与其压紧螺母良好贴合，确保止推轴承外圈在工作过程中不发生轴向移动，所述止推轴承配合面的轴向长度比止推轴承宽度短1-2mm。
进一步地，所述径向轴承安装段与涡轮泵壳体之间留有0.02-0.10mm的径向间隙；
所述径向轴承配合面与径向轴承的配合间隙为0-0.02mm；
所述止推轴承配合面与止推轴承的配合间隙为0-0.02mm。
进一步地，为了提高集液段的支承刚度和结构强度，所述集液段外周布置有多个轴向加强筋板。
进一步地，为了满足支承座与涡轮泵壳体之间的联接刚度和支承刚度要求，且确保支承座外部结构具有良好的工艺加工性能，多个所述轴向凹槽沿止推轴承安装段外周均匀布置；
多个所述轴向加强筋板沿集液段外周均匀布置；
轴向凹槽与轴向加强筋板的数量相等，且单个轴向凹槽与每两个相邻轴向加强筋板的间隔处一一对应，且宽度相等。
进一步地，为了方便支承座装配，实现支承座与涡轮泵壳体的高刚度联接和高同轴度精确定位，所述法兰上设有多个法兰联接孔和至少两个定位销孔。
进一步地，所述定位销孔有2个，且呈180度对称布置。
进一步地，为了达到较好的工作介质降压效果，迷宫齿节流结构的迷宫齿采用梯形齿结构。
进一步地，为了使法兰与涡轮泵壳体紧密贴合，所述法兰的端面与径向轴承安装段外周的垂直度偏差不超过0.05mm。
进一步地，为了方便加工，所述一体化筒状支承座利用车床和数控机床加工而成。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，通过采用一体化结构设计，使得转子系统两支承轴承具有高精度的结构同轴度，保证了涡轮泵工作的可靠性。
2、通过支承座内部的迷宫齿节流结构为转子系统提供了较高的支承刚度和适当的阻尼，降低了转子系统的挠度，改善了转子系统的振动特性，消除了止推轴承后高压节流装置工作特性设计与控制难度大、需要与挡板和限位螺母等共同完成节流功能，导致结构复杂、可靠性不高的问题，避免了现有技术中需采取的可靠锁紧措施、涡轮泵装配过程中螺纹联接部位易产生装配多余物等问题。
3、通过在支承座外部采用高精度定位法兰、外部加强筋板、外部凹槽结构，共同实现支承座与涡轮泵壳体之间的高联接刚度和高结构刚度。
附图说明
图1为本发明实施例中一体化筒状支承座的结构示意图；
图2为本发明实施例中一体化筒状支承座的半剖图；
图3为2中A处的局部放大图；
图4为本发明实施例的半剖图；
附图标记说明：
1-径向轴承安装段、2-集液段、3-止推轴承安装段、4-集液环腔、5-迷宫齿节流结构、6-法兰、7-联接螺栓、8-径向轴承配合面、9-轴向凹槽、10-止推轴承配合面、11-紧固螺纹、12-工作介质入口、13-轴向加强筋板、14-法兰联接孔、15-定位销孔、16-径向轴承、17-止推轴承、18-压紧螺母、19-轴套、20-涡轮泵壳体、21-转轴、22-泵轮、23-涡轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，如图1至图4所示，包括涡轮泵壳体20，设置在涡轮泵壳体20内的转子系统和压紧螺母18；转子系统包括转轴21、泵轮22、涡轮23、设置在转轴21安装泵轮22一端的径向轴承16、设置在转轴21安装涡轮23一端的止推轴承17、套设在转轴21上且位于径向轴承16和止推轴承17之间的轴套19，设置于涡轮泵壳体20和转子系统之间、采用一体化结构的圆筒状支承座；该支承座包括沿轴向依次设置的径向轴承安装段1、集液段2和止推轴承安装段3；所述径向轴承安装段1的外径大于止推轴承安装段3的外径；所述集液段2的外径小于径向轴承安装段1和止推轴承安装段3的外径，在集液段2与涡轮泵壳体20之间形成集液环腔4，集液段2内周靠近径向轴承安装段1一侧设有高压迷宫齿节流结构5，迷宫齿节流结构5的迷宫齿采用梯形齿结构。
所述径向轴承安装段1外周设有法兰6，法兰6作为高垂直度的轴向定位面，法兰6与涡轮泵壳体20通过联接螺栓7紧固联接；径向轴承安装段1内周设有径向轴承配合面8，用于与径向轴承16外圈高精度配合，径向轴承配合面8的轴向长度大于径向轴承16宽度，左端径向轴承配合面8轴向宽度足够，确保泵工作过程中径向轴承16外圈不发生轴向限位，进而确保转子系统具有一定的轴向活动空间。
所述止推轴承安装段3外表面与涡轮泵壳体20间留有间隙，且止推轴承安装段3外周开设有多个轴向凹槽9，内周沿轴向由内至外依次设有止推轴承配合面10和紧固螺纹11，止推轴承配合面10用于与止推轴承17外圈高精度配合，止推轴承配合面10的轴向长度小于止推轴承17宽度，确保止推轴承17外圈在工作过程中不发生轴向移动，紧固螺纹11处安装压紧螺母18，压紧螺母18顶紧止推轴承17外圈；止推轴承配合面10紧挨着紧固螺纹11，确保止推轴承17外圈与其压紧螺母18良好贴合，轴承的工作条件良好，则转子系统工作良好。所述涡轮泵壳体20上靠近径向轴承安装段1一侧开设有与集液环腔4连通的工作介质入口12。
采用上述结构，通过支承座的一体化结构，使得转子系统两支承轴承具有很高的结构同轴度，避免了低温涡轮泵转子系统的两个支承轴承分别位于不同壳体时，转子的支承轴承同轴度不高，转子系统挠度大、振动大和轴承负荷大的问题；缩小外径的凹槽结构与涡轮泵壳体之间留有合适的径向间隙，为悬臂结构，这样可以确保大流量低温介质流经支承座外部时，其外部流道流阻小，即降低了外部结构流阻，确保冷却右端止推轴承17的低温介质具有足够高的介质压力；支承座内部采用密封用迷宫齿节流结构，为泵转子系统止推轴承17提供了可靠工作所需的低温、高压工作环境和一定的介质密封阻尼及辅助支承刚度，确保了冷却止推轴承17后的低温、高压工质回流至泵轮22端的低温、低压工作腔，降低了低温涡轮泵转子系统的振动量值，进而实现降低涡轮泵转子系统挠度的目的，消除了以往止推轴承17后高压节流装置结构复杂、可靠性不高的问题。
所述径向轴承配合面8的轴向长度比径向轴承16宽度长4-5mm；所述止推轴承配合面10的轴向长度比止推轴承17宽度短1-2mm。所述径向轴承安装段1与涡轮泵壳体20之间留有0.02-0.10mm的径向间隙；所述径向轴承配合面8与径向轴承16的配合间隙为0-0.02mm；所述止推轴承配合面10与止推轴承17的配合间隙为0-0.02mm。
所述集液段2外周布置有多个轴向加强筋板13，轴向加强筋板13的设置可提高轴承座的支承刚度和结构强度。多个所述轴向凹槽9沿止推轴承安装段3外周均匀布置；多个所述轴向加强筋板13沿集液段2外周均匀布置；轴向凹槽9与轴向加强筋板13的数量相等，且单个轴向凹槽9与每两个相邻轴向加强筋板13的间隔处一一对应，且宽度相等。外部左端法兰6、外部轴向加强筋板13、外部轴向凹槽9共同实现了支承座与涡轮泵壳体之间的联接刚度和支承刚度要求，且确保了支承座外部结构具有良好的工艺加工性能。
所述法兰6上设有多个(一般不少于6个)法兰联接孔14和至少两个定位销孔15，所述定位销孔15有2个，且呈180度对称布置。所述法兰6的端面与径向轴承安装段1外周的垂直度偏差不超过0.05mm。利用法兰6可实现轴向定位，利用径向轴承安装段1外周面可实现径向定位，法兰6上带定位销孔15，可实现支承座与涡轮泵壳体20的高刚度联接和高同轴度精确定位，这样既便于支承座的装配，又确保了涡轮泵转子系统工作时，支承座结构能为转子系统提供足够的支承刚度，进而实现了降低低温涡轮泵转子系统振动挠度的目的。
所述一体化筒状支承座利用车床和数控机床加工而成，加工容易。
上述基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵转子系统的高精度支承座结构已经在低温发动机上进行了试验验证，达到了很好的试验效果，显著降低了涡轮泵转子系统的振动，大大提高了涡轮泵工作可靠性，可在类似的低温发动机涡轮泵中推广应用。
工作方式：
如图4所示，支承座与涡轮泵壳体20之间通过联接螺栓7紧固联接，该联接确保了支承座法兰6与涡轮泵壳体20的紧密贴合。支承座结构通过内部的径向轴承配合面8与径向轴承16外表面实现高精度的间隙配合，配合间隙约为0-0.02mm；支承座通过内部止推轴承配合面10与止推轴承17外环表面实现高精度的间隙配合，配合间隙约为0-0.02mm，支承座通过紧固螺纹11安装压紧螺母18，确保止推轴承17外环与支承座之间紧固联接。
低温涡轮泵转子系统转轴21的泵端安装有泵轮22，转轴21的涡轮23端安装有涡轮23。转轴21通过径向轴承16、止推轴承17与支承座实现高精度可靠联接，设在径向轴承16和止推轴承17之间的轴套19，轴套19将两轴承限位于转轴21上的固定位置，确保了两个轴承、支承座可为低温涡轮泵转子系统提供稳定、可靠的支承刚度。
为了保证低温涡轮泵转子系统可靠运转，需要对径向轴承16、止推轴承17进行充分的润滑和冷却。由于低温涡轮泵工作介质的低温环境，无法采用润滑油或脂进行润滑，常采用低温涡轮泵工质进行润滑和冷却。此处采用了低温涡轮泵的涡轮泵壳体20上的高压工作介质入口20引入，流经支承座与涡轮泵壳体20之间形成的集液环腔4，沿支承座外部加强筋之间的通道，流过支承座端头的轴向凹槽9，绝大部分工质冷却润滑止推轴承17，少量工质泄漏至涡轮23端。流经止推轴承17时对低温工质的压力损失很小，而后流经支承座的迷宫齿实现对低温工质的大幅度降压，再后来低温工质流经径向轴承16，最后流至低温涡轮泵的低压泵端。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，包括涡轮泵壳体(20)，设置在涡轮泵壳体(20)内的转子系统和压紧螺母(18)；转子系统包括转轴(21)、泵轮(22)、涡轮(23)、设置在转轴(21)安装泵轮(22)一端的径向轴承(16)、设置在转轴(21)安装涡轮(23)一端的止推轴承(17)、套设在转轴(21)上且位于径向轴承(16)和止推轴承(17)之间的轴套(19)；压紧螺母(18)用于顶紧止推轴承(17)外圈；
其特征在于：还包括一体化筒状支承座，该支承座包括沿轴向依次设置的径向轴承安装段(1)、集液段(2)和止推轴承安装段(3)；
所述径向轴承安装段(1)的外径大于止推轴承安装段(3)的外径；
所述集液段(2)的外径小于径向轴承安装段(1)和止推轴承安装段(3)的外径，在集液段(2)与涡轮泵壳体(20)之间形成集液环腔(4)，集液段(2)内周靠近径向轴承安装段(1)一侧设有迷宫齿节流结构(5)；
所述径向轴承安装段(1)外周设有法兰(6)，法兰(6)与涡轮泵壳体(20)通过联接螺栓(7)紧固联接；径向轴承安装段(1)内周设有径向轴承配合面(8)，径向轴承配合面(8)的轴向长度大于径向轴承(16)宽度；
所述止推轴承安装段(3)外表面与涡轮泵壳体(20)间留有间隙，且止推轴承安装段(3)外周开设有多个轴向凹槽(9)，内周沿轴向由内至外依次设有止推轴承配合面(10)和紧固螺纹(11)，止推轴承配合面(10)的轴向长度小于止推轴承(17)宽度，紧固螺纹(11)处安装压紧螺母(18)；
所述涡轮泵壳体(20)上靠近径向轴承安装段(1)一侧开设有与集液环腔(4)连通的工作介质入口(12)。
2.根据权利要求1所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：
所述径向轴承配合面(8)的轴向长度比径向轴承(16)宽度长4-5mm；
所述止推轴承配合面(10)的轴向长度比止推轴承(17)宽度短1-2mm。
3.根据权利要求2所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：
所述径向轴承安装段(1)与涡轮泵壳体(20)之间留有0.02-0.10mm的径向间隙；
所述径向轴承配合面(8)与径向轴承(16)的配合间隙为0-0.02mm；
所述止推轴承配合面(10)与止推轴承(17)的配合间隙为0-0.02mm。
4.根据权利要求1所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：所述集液段(2)外周布置有多个轴向加强筋板(13)。
5.根据权利要求4所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：
多个所述轴向凹槽(9)沿止推轴承安装段(3)外周均匀布置；
多个所述轴向加强筋板(13)沿集液段(2)外周均匀布置；
轴向凹槽(9)与轴向加强筋板(13)的数量相等，且单个轴向凹槽(9)与每两个相邻轴向加强筋板(13)的间隔处一一对应，且宽度相等。
6.根据权利要求1所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：所述法兰(6)上设有多个法兰联接孔(14)和至少两个定位销孔(15)。
7.根据权利要求6所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：所述定位销孔(15)有2个，且呈180度对称布置。
8.根据权利要求1所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：迷宫齿节流结构(5)的迷宫齿采用梯形齿结构。
9.根据权利要求1所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：所述法兰(6)的端面与径向轴承安装段(1)外周的垂直度偏差不超过0.05mm。
10.根据权利要求1至9任一所述的基于一体化筒状支承座的液体火箭发动机低温涡轮泵，其特征在于：所述一体化筒状支承座利用车床和数控机床加工而成。
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