CN113124163B - 一种对称型耐低温组合式密封装置 - Google Patents

一种对称型耐低温组合式密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种组合式密封装置，具体涉及一种对称型耐低温组合式密封装置。本发明的目的是解决现有动密封结构中存在采用端面密封，存在密封性和可靠性有限，且环境适应性差和可重复性差的技术问题。该装置采用液封轮、液封轮内端面与静环密封组件的端面密封和浮动环密封串联布局，以液封轮和静环密封组件的端面密封为主密封，浮动环密封为辅助密封，微量泄漏介质可通过各泄出通道排出，具有密封结构紧凑，密封能力强，可靠性高，耐受环境温度范围大，可耐受液氧的低温，可重复性好，以及适应高压工作环境的优点。

Description

一种对称型耐低温组合式密封装置
技术领域
本发明涉及一种组合式密封装置，具体涉及一种对称型耐低温组合式密封装置，可用于液体火箭发动机涡轮泵、船舶、核工业等领域，以及其他领域须保证密封性且尺寸空间狭小的旋转装置中。
背景技术
在液体火箭发动机涡轮泵、船舶、核工业等领域，以及其他领域须保证密封性且尺寸空间狭小的旋转装置中，经常需要用到动密封装置。比如液体火箭发动机涡轮泵中的液氧煤油发动机采用低温液氧与常温煤油作为推进剂，具有温度范围大、介质易气化、强氧化等特性。为防止液氧介质与煤油介质相遇而发生起火现象，在发动机涡轮泵的液氧泵和煤油泵间设置一套组合式动密封装置，以确保高密封性和高可靠性。但是现有的动密封结构大多采用端面密封，密封性和可靠性有限，且存在环境适应性差和可重复性差的缺点。
发明内容
本发明的目的是解决现有动密封结构中存在采用端面密封，存在密封性和可靠性有限，且环境适应性差和可重复性差的技术问题，提供一种对称型耐低温组合式密封装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种对称型耐低温组合式密封装置，其特殊之处在于：
包括泵壳体、插入泵壳体内的旋转轴、套设于旋转轴上的轴套，以及密封组件和两个定位键；
所述旋转轴上设置有两个第一键槽，分别位于轴套的两端，两个所述定位键分别设置于两个第一键槽内；
所述泵壳体内壁上沿周向设有第一凸台c，第一凸台c上沿周向设有第二凸台b；第二凸台b上设有第二泄出通道，第一凸台c上设有两个第一泄出通道，两个第一泄出通道分别位于第二泄出通道的两侧，第一泄出通道和第二泄出通道均用于连通泵壳体内外空间；
所述密封组件包括套设于所述轴套上的两个浮动环密封组件和两个静环密封组件，以及套设于旋转轴上的两个液封轮；两个浮动环密封组件关于第二凸台b镜像对称设置并被第二凸台b轴向限位；两个静环密封组件关于第一凸台c镜像对称设置并被第一凸台c轴向限位；两个浮动环密封组件分别位于第二泄出通道的两侧；第二泄出通道两侧的浮动环密封组件和静环密封组件分别位于第一泄出通道的两侧；
两个所述液封轮均为一体件，包括套设在旋转轴上的动环和与动环外周固连的液封环；动环内侧端面接触旋转轴位置处设有第二键槽，第二键槽与所述定位键配合，动环被定位键轴向定位；动环的内侧端面与静环密封组件的石墨环侧端面相接触，形成端面密封；液封环朝向静环密封组件一侧的端面上设有液体容腔a。
进一步地，所述静环密封组件包括静环壳体，以及设置于静环壳体内的后环、金属波纹管、环座、所述石墨环及阻尼带；
所述后环、金属波纹管和环座依次套设于轴套上，后环的外侧与静环壳体端部内侧设置的凸缘固连，侧端与金属波纹管的一端固连，金属波纹管的另一端与环座的底面固连；
所述环座的截面为U型槽结构，石墨环设置于U型槽内，与U型槽过盈配合，石墨环突出U型槽且突出端面与动环内侧端面相接触，形成端面密封，环座的外圆壁上固连有凸耳；
所述静环壳体的外壁与泵壳体的内壁螺纹连接，静环壳体的内壁上设有环向槽和长条形的轴向槽，轴向槽与静环壳体的端部贯通；所述凸耳插入轴向槽内，可在轴向槽内沿轴向移动并防止随轴转动；
所述阻尼带包括圆环带和圆环带外壁上沿圆周固连的环形凸起，环形凸起的形状与所述环向槽的形状相适配，二者过盈配合，圆环带的内径略小于金属波纹管的外径，以环向抱紧金属波纹管。
进一步地，所述浮动环密封组件包括浮动环壳体、设置于浮动环壳体内的浮动环、盖板和螺钉；
所述浮动环壳体的外壁与第一凸台c间隙配合，浮动环壳体的内壁向内侧沿周向设有凸缘；
所述浮动环壳体的凸缘、浮动环和盖板依次套设于所述轴套上，通过所述螺钉将盖板固定在浮动环壳体的端面上用于浮动环的限位，浮动环与轴套、盖板和浮动环壳体的内壁之间，均采用间隙配合。
进一步地，所述静环壳体与第一凸台c侧面之间设有第一密封圈；
所述浮动环壳体与第二凸台b侧面之间设有第二密封圈。
进一步地，所述第一密封圈和第二密封圈均为聚四氟乙烯材质。
进一步地，所述浮动环的两侧端面均为研磨面。
进一步地，所述浮动环的材质为碳-碳复合材料。
进一步地，所述螺钉有多个，多个螺钉沿盖板的同一圆周均布。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的对称型耐低温组合式密封装置，采用液封轮、液封轮内端面与静环密封组件的端面密封和浮动环密封串联布局，以液封轮和静环密封组件的端面密封为主密封，浮动环密封为辅助密封，微量泄漏介质可通过各泄出通道排出，具有密封结构紧凑，密封能力强，可靠性高，耐受环境温度范围大，可耐受液氧的低温，以及适应高压工作环境的优点。
2、本发明提供的对称型耐低温组合式密封装置，将涡轮泵液氧侧与煤油侧动密封结构设置为对称型，均采用结构完全一致的两个液封轮、两个静环密封组件、两个浮动环密封组件以及两个第一密封圈和两个第二密封圈的组合式密封，结构通用性强，简化了生产与装配过程，且构造精巧，空间尺寸小。
3、本发明提供的对称型耐低温组合式密封装置，工作期间无需进行吹除，液氧侧A及煤油侧B静环密封组件的端面密封后设置第一泄出通道，使泄漏的大部分介质由第一泄出通道泄出，之后各设置两道浮动环密封，进一步避免液氧介质和煤油介质相接触。在确保涡轮泵可靠工作的同时，减少吹除气体的消耗量，提高了发动机的有效载荷。
4、本发明提供的对称型耐低温组合式密封装置，液封轮的动环与液封环采用一体化设计，有效节约密封空间，同时降低端面密封前的密封压力，减小密封的泄漏量。
5、本发明提供的对称型耐低温组合式密封装置，采用端面密封结合浮动环密封，以及在多处采用间隙配合，尤其适用于转速高、压力大、振动大、环境温度范围大、介质易汽化，以及需多次启动和长时间工作的液体火箭发动机涡轮泵，实现将液体火箭发动机涡轮泵液氧介质和煤油介质隔离的功能，保证液氧和煤油介质在液体火箭发动机工作和滑行阶段不发生大量泄漏，密封可靠性高。
6、本发明提供的对称型耐低温组合式密封装置，浮动环两侧端面均为研磨面，启动前吹除时两侧浮动环紧贴盖板，浮动环和盖板面可作为副密封面减少介质的泄漏，工作期间不进行吹除，两侧浮动环紧贴浮动环壳体内表面的凸缘处，浮动环和浮动环壳体的凸缘面作为副密封面减少介质的泄漏。
7、本发明提供的对称型耐低温组合式密封装置，浮动环采用碳-碳复合材料，具有耐低温和抗冲击能力强的优点。
附图说明
图1为本发明对称型耐低温组合式密封装置的结构示意图；
图2为本发明对称型耐低温组合式密封装置中液封轮的结构示意图；
图3为本发明对称型耐低温组合式密封装置中静环密封组件的结构示意图；
图4为本发明对称型耐低温组合式密封装置中浮动环密封组件的结构示意图；
附图标记说明：
1-液封轮、1-1-动环、1-2-液封环、2-静环密封组件、2-1-石墨环、2-2-环座、2-3-金属波纹管、2-4-静环壳体、2-5-阻尼带、2-6-后环、3-浮动环密封组件、3-1-浮动环、3-2-浮动环壳体、3-3-盖板、3-4-螺钉、4-第一密封圈、5-第二密封圈、6-定位键、7-轴套、8-旋转轴、9-泵壳体、10-第一泄出通道、11-第二泄出通道。
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。
一种对称型耐低温组合式密封装置，如图1至4所示，包括泵壳体9、插入泵壳体9内的旋转轴8、套设于旋转轴8上的轴套7，以及密封组件和两个定位键6；所述旋转轴8上设置有两个第一键槽，分别位于轴套7的两端，两个定位键6分别设置于两个第一键槽内；所述泵壳体9内壁上沿周向设有第一凸台c，第一凸台c上沿周向设有第二凸台b；第二凸台b上设有第二泄出通道11(吹除泄出通道)，第一凸台c上设有两个第一泄出通道10，两个第一泄出通道10分别位于第二泄出通道11的两侧，第一泄出通道10和第二泄出通道11均用于连通泵壳体9内外空间；所述密封组件包括套设于所述轴套7上的两个浮动环密封组件3和两个静环密封组件2，以及套设于旋转轴8上的两个液封轮1；两个浮动环密封组件3关于第二凸台b镜像对称设置并被第二凸台b轴向限位；两个静环密封组件2关于第一凸台c镜像对称设置并被第一凸台c轴向限位；两个浮动环密封组件3分别位于第二泄出通道11的两侧；第二泄出通道11两侧的浮动环密封组件3和静环密封组件2分别位于第一泄出通道10的两侧。
如图2所示，两个所述液封轮1均为一体件，包括套设在旋转轴8上的动环1-1和与动环1-1外周固连的液封环1-2；动环1-1内侧端面接触旋转轴8位置处设有第二键槽，第二键槽与所述定位键6配合，动环1-1被定位键6轴向定位；动环1-1的内侧端面与静环密封组件2的石墨环2-1侧端面相接触，形成端面密封，动环1-1即作为端面密封中的动环；液封环1-2朝向静环密封组件2一侧的端面上设有液体容腔a，液体容腔a也可采用一个环形槽作为护圈，以及在环形槽的槽底沿圆周均布多个容槽的结构形式，用于实现对液体介质的密封。
如图3所示，所述静环密封组件2包括静环壳体2-4，以及设置于静环壳体2-4内的后环2-6、金属波纹管2-3、环座2-2、所述石墨环2-1及阻尼带2-5；所述后环2-6、金属波纹管2-3和环座2-2依次套设于轴套7上，后环2-6的外侧与静环壳体2-4端部内侧设置的凸缘固连，侧端与金属波纹管2-3的一端固连，金属波纹管2-3的另一端与环座2-2的底面固连；所述环座2-2的截面为U型槽结构，石墨环2-1设置于U型槽内，与U型槽过盈配合，石墨环2-1突出U型槽且突出端面与动环1-1内侧端面相接触，形成端面密封，环座2-2的外圆壁上固连有两个凸耳；所述静环壳体2-4的外壁与泵壳体9的内壁螺纹连接，静环壳体2-4的内壁上设有环向槽和两个长条形的轴向槽，轴向槽与静环壳体2-4的端部贯通；两个所述凸耳分别插入两个轴向槽内，可在轴向槽内沿轴向移动并防止随轴转动；所述阻尼带2-5包括圆环带和圆环带外壁上沿圆周固连的环形凸起，环形凸起的形状与所述环向槽的形状相适配，二者过盈配合，圆环带的内径略小于金属波纹管2-3的外径，以环向抱紧金属波纹管2-3，起到缓冲作用；静环壳体2-4与第一凸台c侧面之间设有聚四氟乙烯材质的第一密封圈4。
如图4所示，所述浮动环密封组件3包括浮动环壳体3-2、设置于浮动环壳体3-2内的浮动环3-1、盖板3-3和螺钉3-4；所述浮动环壳体3-2的外壁与第一凸台c的内壁间隙配合，浮动环壳体3-2的内壁向内侧沿周向设有凸缘；所述浮动环壳体3-2的凸缘、浮动环3-1和盖板3-3依次套设于所述轴套7上，通过所述螺钉3-4有多个，多个螺钉3-4将盖板3-3固定在浮动环壳体3-2的端面上用于浮动环3-1的限位，多个螺钉3-4沿盖板3-3的同一圆周均布；浮动环3-1的材质为碳-碳复合材料，浮动环3-1与轴套7、盖板3-3和浮动环壳体3-2的内壁之间，均采用间隙配合，且浮动环3-1与所述盖板3-3和浮动环壳体3-2凸缘接触的端面均为研磨面。浮动环壳体3-2与第二凸台b侧面之间设有聚四氟乙烯材质的第二密封圈5。
以采用上述密封装置的液氧煤油火箭发动机涡轮泵为例，试车试验表明，可满足如下技术条件：
密封介质压力：1～1.2MPa
密封介质：液氧/煤油
运转速度：10000±1000r/min。
工作原理：
泵壳体9两侧分别为液氧侧A和煤油侧B，液氧侧A腔体内充满低温液氧介质，煤油侧B腔内充满常温煤油介质，通过液封轮1降低作用于端面密封(石墨环2-1与动环1-1接触位置)的压力，两侧液封轮1后的介质压力和金属波纹管2-3的预紧力共同作用(即端面比压)使各自动环1-1端面和石墨环2-1的密封面(端面)紧密贴合，并自动补偿石墨的摩擦磨损，保证机械密封的正常工作。两侧泄漏介质通过对称的端面密封后从各自的第一泄出通道10泄出。浮动环密封组件3工作时悬浮于轴套7之上，两道对称的浮动环3-1前后压差均为零，用于隔离液氧介质与煤油介质的相遇；浮动环密封组件3之间设置一个吹除用第二泄出通道11，用于启动前的氮气吹除操作。
安装顺序：
装配前对泵壳体9内腔进行检查，防止残存多余物；安装第二密封圈5，将浮动环密封组件3由两侧装入泵壳体9内腔；安装第一密封圈4，将静环密封组件2由两侧装入泵壳体9内腔并与泵壳体9内壁螺纹连接；将轴套7从一侧装至旋转轴8上，轴套7穿过各静环密封组件2和浮动环密封组件3，轴套7的两个端面与旋转轴8上的两个第一键槽处平齐；将两个定位键6装入两个第一键槽；将液封轮1的动环1-1内侧端面朝向静环密封组件2从两侧装至旋转轴8上，第二键槽处与定位键6对应。
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 (6)

1.一种对称型耐低温组合式密封装置，其特征在于：
包括泵壳体(9)、插入泵壳体(9)内的旋转轴(8)、套设于旋转轴(8)上的轴套(7)，以及密封组件和两个定位键(6)；
所述旋转轴(8)上设置有两个第一键槽，分别位于轴套(7)的两端，两个所述定位键(6)分别设置于两个第一键槽内；
所述泵壳体(9)内壁上沿周向设有第一凸台c，第一凸台c上沿周向设有第二凸台b；第二凸台b上设有第二泄出通道(11)，第一凸台c上设有两个第一泄出通道(10)，两个第一泄出通道(10)分别位于第二泄出通道(11)的两侧，第一泄出通道(10)和第二泄出通道(11)均用于连通泵壳体(9)内外空间；
所述密封组件包括套设于所述轴套(7)上的两个浮动环密封组件(3)和两个静环密封组件(2)，以及套设于旋转轴(8)上的两个液封轮(1)；两个浮动环密封组件(3)关于第二凸台b镜像对称设置并被第二凸台b轴向限位；两个静环密封组件(2)关于第一凸台c镜像对称设置并被第一凸台c轴向限位；两个浮动环密封组件(3)分别位于第二泄出通道(11)的两侧；第二泄出通道(11)两侧的浮动环密封组件(3)和静环密封组件(2)分别位于第一泄出通道(10)的两侧；
两个所述液封轮(1)均为一体件，包括套设在旋转轴(8)上的动环(1-1)和与动环(1-1)外周固连的液封环(1-2)；动环(1-1)内侧端面接触旋转轴(8)位置处设有第二键槽，第二键槽与所述定位键(6)配合，动环(1-1)被定位键(6)轴向定位；动环(1-1)的内侧端面与静环密封组件(2)的石墨环(2-1)侧端面相接触，形成端面密封；液封环(1-2)朝向静环密封组件(2)一侧的端面上设有液体容腔a；液体容腔a采用一个环形槽作为护圈，以及在环形槽的槽底沿圆周均布多个容槽的结构形式，用于实现对液体介质的密封；
所述浮动环密封组件(3)包括浮动环壳体(3-2)、设置于浮动环壳体(3-2)内的浮动环(3-1)、盖板(3-3)和螺钉(3-4)；
所述浮动环壳体(3-2)的外壁与泵壳体(9)的第一凸台c间隙配合，浮动环壳体(3-2)的内壁向内侧沿周向设有凸缘；
所述浮动环壳体(3-2)的凸缘、浮动环(3-1)和盖板(3-3)依次套设于所述轴套(7)上，通过所述螺钉(3-4)将盖板(3-3)固定在浮动环壳体(3-2)的端面上用于浮动环(3-1)的限位，浮动环(3-1)与轴套(7)、盖板(3-3)和浮动环壳体(3-2)的内壁之间，均采用间隙配合；
所述浮动环(3-1)的两侧端面均为研磨面。
2.根据权利要求1所述的对称型耐低温组合式密封装置，其特征在于：
所述静环密封组件(2)包括静环壳体(2-4)，以及设置于静环壳体(2-4)内的后环(2-6)、金属波纹管(2-3)、环座(2-2)、所述石墨环(2-1)及阻尼带(2-5)；
所述后环(2-6)、金属波纹管(2-3)和环座(2-2)依次套设于轴套(7)上，后环(2-6)的外侧与静环壳体(2-4)端部内侧设置的凸缘固连，侧端与金属波纹管(2-3)的一端固连，金属波纹管(2-3)的另一端与环座(2-2)的底面固连；
所述环座(2-2)的截面为U型槽结构，石墨环(2-1)设置于U型槽内，与U型槽过盈配合，石墨环(2-1)突出U型槽且突出端面与动环(1-1)内侧端面相接触，形成端面密封，环座(2-2)的外圆壁上固连有凸耳；
所述静环壳体(2-4)的外壁与泵壳体(9)的内壁螺纹连接，静环壳体(2-4)的内壁上设有环向槽和长条形的轴向槽，轴向槽与静环壳体(2-4)的端部贯通；所述凸耳插入轴向槽内，可在轴向槽内沿轴向移动并防止随轴转动；
所述阻尼带(2-5)包括圆环带和圆环带外壁上沿圆周固连的环形凸起，环形凸起的形状与所述环向槽的形状相适配，二者过盈配合，圆环带的内径略小于金属波纹管(2-3)的外径，以环向抱紧金属波纹管(2-3)。
3.根据权利要求2所述的对称型耐低温组合式密封装置，其特征在于：
所述静环壳体(2-4)与第一凸台c侧面之间设有第一密封圈(4)；
所述浮动环壳体(3-2)与第二凸台b侧面之间设有第二密封圈(5)。
4.根据权利要求3所述的对称型耐低温组合式密封装置，其特征在于：
所述第一密封圈(4)和第二密封圈(5)均为聚四氟乙烯材质。
5.根据权利要求4所述的对称型耐低温组合式密封装置，其特征在于：
所述浮动环(3-1)的材质为碳-碳复合材料。
6.根据权利要求5所述的对称型耐低温组合式密封装置，其特征在于：
所述螺钉(3-4)有多个，多个螺钉(3-4)沿盖板(3-3)的同一圆周均布。
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