CN113027810A - 一种蓄能密封结构以及用于高压易汽化介质的动密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种蓄能密封结构以及用于高压易汽化介质的动密封装置。一种蓄能密封结构，包括：至少一个弹性外壳，具有相对设置的一对弹性臂，一对所述弹性臂的一端相连，另一端形成有允许介质进入一对所述弹性臂之间的空间的开口，所述弹性臂包括成夹角设置的第一支臂和第二支臂，所述第一支臂与所述弹性外壳的轴线之间的第一夹角大于所述第二支臂与所述弹性外壳的轴线之间的第二夹角；至少一个蓄能弹性件，设于所述弹性外壳的空间中，用于支撑所述弹性外壳，并在受到压力作用时发生形变蓄能。本发明提供了一种结构简单，密封效果好的蓄能密封结构以及用于高压易汽化介质的动密封装置。

Description

一种蓄能密封结构以及用于高压易汽化介质的动密封装置

分案申请的相关信息

本案是分案申请。该分案的母案是申请日2019年12月27日、申请号为2019113899969、发明名称为“一种蓄能密封结构以及用于高压易汽化介质的动密封装置”的发明专利申请案。

技术领域

本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种蓄能密封结构以及用于高压易汽化介质的动密封装置。

背景技术

液氧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液氧。液氧泵与甲烷泵紧邻，通常在液体火箭发动机涡轮泵中的液氧泵和甲烷泵之间设置一套密封装置，防止工作介质发生泄漏。目前，国内外用于低温环境的密封装置主要分为两种形式：

一种为非接触式密封，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。至于非接触式机械密封，其成本较高，对环境工况条件要求较高：振动较小，工况稳定等，这些要求在火箭发动机上难以满足。

另一种为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。低温环境中密封弹性元件一般采用焊接波纹管，该类密封装配低压介质中工作较理想，介质压力超过3MPa后焊接波纹管变形较严重，直接导致密封磨损量大，密封性能下降，甚至失效，故该类密封不能满足涡轮泵高转速、高压力等恶劣工况下长寿命和重复使用的要求。

然而，目前现有高压动密封装置中，采用其他辅助手段将密封前压力降低，这样系统较复杂，可能出现辅助装置发生故障而导致密封失效的风险。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的高压动密封装置结构复杂，易失效导致介质泄露的缺陷，从而提供一种结构简单，密封效果好的蓄能密封结构以及用于高压易汽化介质的动密封装置。

本发明要解决的另一个技术问题在于克服现有技术中的静环磨损后易与动环发生碰撞，影响密封效果的缺陷。

本发明要解决的再一个技术问题在于克服动环与静环的密封端面由于摩擦导致工作前后比压不稳定，导致密封效果差的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄能密封结构，包括：

至少一个弹性外壳，具有相对设置的一对弹性臂，一对所述弹性臂的一端相连，另一端形成有允许介质进入一对所述弹性臂之间的空间的开口，所述弹性臂包括成夹角设置的第一支臂和第二支臂，所述第一支臂与所述弹性外壳的轴线之间的第一夹角大于所述第二支臂与所述弹性外壳的轴线之间的第二夹角；

至少一个蓄能弹性件，设于所述弹性外壳的空间中，用于支撑所述弹性外壳，并在受到压力作用时发生形变蓄能。

所述的蓄能密封结构，所述蓄能弹性件为与所述弹性外壳的空间形状一致的U形。

所述的蓄能密封结构，所述弹性外壳为相向设置的一对，且开口朝向相互远离的方向设置，每一所述弹性外壳中均设有一个所述蓄能弹性件。

还提供了一种用于高压易汽化介质的动密封装置，包括所述的蓄能密封结构，所述蓄能密封结构设于弹簧壳体与静环组件之间。

所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，所述弹簧壳体与所述静环组件之间通过若干紧固件连接。

所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，所述静环组件包括静环本体和部分嵌入所述静环本体中的石墨环，所述石墨环与动环接触设置，所述紧固件安装在所述静环本体上，且所述紧固件与所述动环之间的距离小于所述石墨环延伸出所述静环本体的距离。

所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，所述紧固件与所述动环之间的距离为0.2mm。

所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，所述石墨环的直径由靠近所述动环的第一端向远离所述动环的第二端逐渐增大。

所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，还包括设于所述弹簧壳体与所述静环组件之间的弹性件，所述弹性件用于对所述静环组件施加朝向所述动环的预紧力。

所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，还包括设于轴套外周的分体浮动环。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的蓄能密封结构，由于弹性外壳的第一支臂与弹性外壳的轴线之间的第一夹角大于第二支臂与弹性外壳的轴线之间的第二夹角，这样在介质进入一对弹性臂之间的空间后，在压力作用下，第二支臂相对于第一支臂更加贴近与其接触的密封面，即第一支臂和第二支臂与密封面的接触面积不同，从而防止受压后蓄能密封结构与密封面抱死，导致密封失效，使得介质泄露。

2.本发明提供的蓄能密封结构，一对背向设置的蓄能密封结构，有效解决了双向密封的问题。

3.本发明提供的用于高压易汽化介质的动密封装置，弹簧壳体与静环组件之间紧固件的设置，不仅可以起到防转的作用，还由于紧固件与动环之间的距离小于石墨环延伸出静环本体的距离，这样就会在石墨环磨损到一定程度时，在紧固件的阻挡作用下，避免动环与静环本体发生碰撞，保证密封效果。

4.本发明提供的用于高压易汽化介质的动密封装置，石墨环的直径由靠近动环的第一端向远离动环的第二端逐渐增大。这样在石墨环磨损后密封端面的弹性件弹力的减小量就会通过石墨环横截面积的增加得到相应的补偿，从而保持密封端面工作前后比压的稳定，确保密封性能；同时石墨环的斜面还可以引导介质顺利进入摩擦面处，对摩擦面进行冷却，避免介质汽化。

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为本发明提供的蓄能密封结构在充压前的示意图；

图2为本发明提供的蓄能密封结构在充压后的示意图；

图3为本发明提供的用于高压易汽化介质的动密封装置的示意图；

图4为图3中A部分的放大示意图；

图5为图3中B部分的放大示意图。

附图标记说明：

1、弹性外壳；2、蓄能弹性件；3、第一支臂；4、第二支臂；5、第一夹角；6、第二夹角；7、外壳；8、轴；9、轴承；10、动环；11、轴套；12、第一密封垫；13、分体浮动环；14、弹簧壳体；15、第二密封垫；16、第三密封垫；17、第四密封垫；18、静环本体；19、石墨环；20、紧固件；21、弹性件。

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。

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。

如图1和2所示的蓄能密封结构的一种具体实施方式，包括一个弹性外壳1和设于所述弹性外壳1中的一个蓄能弹性件2。弹性外壳1为增强聚四氟乙烯材质，具有相对设置的一对弹性臂，一对所述弹性臂的一端相连，另一端形成有允许介质进入一对所述弹性臂之间的空间的开口，介质从开口进入弹性外壳1内部，并对一对弹性臂施加压力，使其朝向密封面发生形变，实现密封。所述弹性臂包括成夹角设置的第一支臂3和第二支臂4，第一支臂3的长度小于第二支臂4的长度，所述第一支臂3与所述弹性外壳1的轴线之间的第一夹角5大于所述第二支臂4与所述弹性外壳1的轴线之间的第二夹角6。在充压前，弹性外壳1通过第一支臂3和第二支臂4之间的连接线与密封面接触，为线接触；充压后，第一支臂3和第二支臂4均朝向密封面发生形变，由于第二支臂4更加靠近密封面，因此第二支臂4与密封面的接触面积大于第一支臂3与密封面的接触面积，弹性外壳1与密封面之间的线接触转变为面接触。蓄能弹性件2为与所述弹性外壳1的空间形状一致的U形弹簧，用于支撑所述弹性外壳1，并在受到压力作用时发生形变蓄能。U形弹簧的两端分别卡持在弹性外壳1的第一支臂3的弯折处，保证连接的稳定性。

为了实现双向密封，如图4所示，所述弹性外壳1为相向设置的一对，且开口朝向相互远离的方向设置，每一所述弹性外壳1中均设有一个所述蓄能弹性件2。

如图3－5所示的用于高压易汽化介质的动密封装置的一种具体实施方式，包括外壳7，依次套设在轴8上的轴承9、动环10和轴套11，动环10和轴套11之间设有第一密封垫12，轴套11上套设有静环组件和分体浮动环13，动环10与静环组件接触设置，静环组件外周还套设有弹簧壳体14，蓄能密封结构设于弹簧壳体14与静环组件之间，既保证了弹簧壳体14和静环组件之间的密封性能，又保证在高压环境中蓄能密封结构变形量较小，可根据实际工况需要，调整该处摩擦力大小，确保密封结构不过度磨损，保证密封寿命。弹簧壳体14与外壳7之间设有第二密封垫15，分体浮动环13与外壳7之间设有第三密封垫16和第四密封垫17，在分体浮动环13之间吹除惰性气体，以避免左侧介质向右侧泄露。

所述静环组件包括静环本体18和部分嵌入所述静环本体18中的石墨环19，所述石墨环19与动环10接触设置。所述弹簧壳体14与所述静环组件之间通过作为紧固件20的螺钉连接，静环本体18为阶梯状，所述紧固件20安装在所述静环本体18的远离轴套11的最高台阶上，且所述紧固件20与所述动环10之间的距离小于所述石墨环19延伸出所述静环本体18的距离，在本实施例中，所述紧固件20与所述动环10之间的距离为0.2mm；石墨环19安装在静环本体18的靠近轴套11的最低台阶上。

为了保证动环10与石墨环19接触密封端面在工作前后的比压的稳定性，如图5所示，所述石墨环19的直径由靠近所述动环10的第一端向远离所述动环10的第二端逐渐增大，该变径部分延伸出静环本体18设置。在本实施例中，远离轴套11侧的石墨环19的外壁为斜面，而靠近轴套11侧的石墨环19的外侧为水平面，即可满足需求，这是因为介质不会进入石墨环19与轴套11之间的空间，而只会在石墨环19外侧流动，斜面石墨环19则起到了引导介质流入动环10和石墨环19的摩擦面处的作用，降低该处的摩擦热，保证摩擦面处介质不会发生汽化，避免了摩擦面出现干摩擦，提高了石墨环的使用寿命，保证了密封性能。

为了保证动环10和静环组件始终保持有效接触，在所述弹簧壳体14与所述静环组件之间设置有作为弹性件21的弹簧，弹簧的形变方向平行于轴套11的轴向，两端分别与动环10和静环组件抵接，以对所述静环组件施加朝向所述动环10的预紧力。

本发明提供的高压易汽化介质的动密封装置，满足如下技术条件下：介质压力≤5MPa；密封介质为液氧、甲烷、液氢等；介质温度≤－196℃：转速≤50000r/min，主要应用在液体火箭发动机液氧泵与甲烷泵之间，用于隔离液氧和甲烷两种介质，属于液体火箭发动机涡轮泵用密封装置，也可用于航空、兵器等领域的旋转装置中。本发明能够适应重复使用、长寿命、介质易汽化以及高参数等要求，满足发达机长寿命和重复使用的功能。

作为替代的实施方式，石墨环19延伸出静环本体18的部分还可以为锥台状，即外壁均为斜面。

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)

1.一种蓄能密封结构，其特征在于，包括：

至少一个弹性外壳(1)，具有相对设置的一对弹性臂，一对所述弹性臂的一端相连，另一端形成有允许介质进入一对所述弹性臂之间的空间的开口，所述弹性臂包括成夹角设置的第一支臂(3)和第二支臂(4)，所述第一支臂(3)与所述弹性外壳(1)的轴线之间的第一夹角(5)大于所述第二支臂(4)与所述弹性外壳(1)的轴线之间的第二夹角(6)，所述第一支臂(3)的长度小于第二支臂(4)的长度；

至少一个蓄能弹性件(2)，设于所述弹性外壳(1)的空间中，用于支撑所述弹性外壳(1)，并在受到压力作用时发生形变蓄能。

2.根据权利要求1所述的蓄能密封结构，其特征在于，所述蓄能弹性件(2)为与所述弹性外壳(1)的空间形状一致的U形。

3.根据权利要求1或2所述的蓄能密封结构，其特征在于，所述弹性外壳(1)为相向设置的一对，且开口朝向相互远离的方向设置，每一所述弹性外壳(1)中均设有一个所述蓄能弹性件(2)。

4.一种用于高压易汽化介质的动密封装置，其特征在于，包括权利要求1－3任一项所述的蓄能密封结构，所述蓄能密封结构设于弹簧壳体(14)与静环组件之间。

5.根据权利要求4所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，其特征在于，所述弹簧壳体(14)与所述静环组件之间通过若干紧固件(20)连接。

6.根据权利要求5所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，其特征在于，所述静环组件包括静环本体(18)和部分嵌入所述静环本体(18)中的石墨环(19)，所述石墨环(19)与动环(10)接触设置，所述紧固件(20)安装在所述静环本体(18)上，且所述紧固件(20)与所述动环(10)之间的距离小于所述石墨环(19)延伸出所述静环本体(18)的距离。

7.根据权利要求6所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，其特征在于，所述紧固件(20)与所述动环(10)之间的距离为0.2mm。

8.根据权利要求6所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，其特征在于，所述石墨环(19)的直径由靠近所述动环(10)的第一端向远离所述动环(10)的第二端逐渐增大。

9.根据权利要求6-8任一项所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，其特征在于，还包括设于所述弹簧壳体(14)与所述静环组件之间的弹性件(21)，所述弹性件(21)用于对所述静环组件施加朝向所述动环(10)的预紧力。

10.根据权利要求4-8任一项所述的用于高压易汽化介质的动密封装置，其特征在于，还包括设于轴套(11)外周的分体浮动环(13)。

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