CN113405735B - 一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，包括壳体、主轴、前轴承、后轴承、前轴承压盖、前轴封、前轴封压盖；主轴位于壳体内，通过前轴承和后轴承支撑；前轴承通过前轴承压盖固紧在壳体上；主轴前端安装有轴套和动环，轴套位于前轴承、调整轴套和动环之间；前锁紧螺帽与主轴前端连接，用于将动环垫片、动环、调整轴套和轴套固定在主轴上；静环组件穿过轴套和主轴，固紧在壳体上，静环组件与前端盖之间形成密封腔；前端盖固紧在壳体上，前端盖和壳体之间设置有密封垫。本发明既可以用工艺动环验证静环组件的密封性能，也可用工艺静环考核动环的结构合理性。

Description

一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置
技术领域
本发明涉及一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，应用于液氢液氧推进剂火箭发动机氦气端面密封组件的抽检、跑合试验及研究性试验，属于液体火箭发动机涡轮泵用端面密封试验技术应用领域。
背景技术
涡轮泵是液体火箭发动机的核心动力组件，也是整个发动机中最复杂的组件。端面密封是涡轮泵中隔离不同工作介质的关键组件，对涡轮泵安全工作和功能实现至关重要；端面密封的可靠性是发动机可靠性的基础。
氦气端面密封是用来隔离涡轮泵中液氧与液氢的接触，防止氢氧接触后产生爆炸。高转速条件下，氦气端面密封的密封性能与压力、转速、静环膜盒刚度以及静环压缩量等因素有关。
氦气端面密封试验装置是模拟发动机涡轮泵的工作环境，包括工作介质、工作转速、密封腔压力以及泄漏量来判断端面密封产品的密封性能和结构合理性。试验装置需要在高速状态下具有良好的结构性能和密封性能，设计时也需考虑试验装置的可靠性和稳定性问题。目前还没有适用于高转速条件下的氦气端面密封试验装置。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，实现高转速条件下的氦气端面密封。
本发明解决技术的方案是：
一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，包括壳体、主轴、前轴承、后轴承、前轴承压盖、前轴封、前轴封压盖、静环组件、轴套、调整轴套、动环、前锁紧螺帽、前端盖、后轴承压盖、隔环、调整垫片、调整轴套、后锁紧螺帽、后轴封、后轴封压盖和后端盖；
主轴位于壳体内，通过前轴承和后轴承支撑；前轴承通过前轴承压盖固紧在壳体上；
主轴前端安装有轴套和动环，轴套位于前轴承、调整轴套和动环之间；前锁紧螺帽与主轴前端连接，用于将动环垫片、动环、调整轴套和轴套固定在主轴上；
静环组件穿过轴套和主轴，固紧在壳体上，静环组件与前端盖之间形成密封腔；
前端盖固紧在壳体上，前端盖和壳体之间设置有密封垫；
前轴封压盖和静环组件之间形成泄出腔；
前轴承压盖固紧在壳体上；
后轴承通过后轴承压盖固紧在壳体上；后轴承和后轴承压盖之间设置有不同厚度的调整垫片，用于施加前轴承和后轴承的轴向装配预紧力，消除轴承的轴向游隙；
主轴后端安装有后锁紧螺帽，后锁紧螺帽位于后轴承和后端盖之间，用于将后轴承内圈固紧在主轴上；
后端盖固紧在壳体上，后端盖和壳体之间设置有密封垫；前油封压盖和后端盖之间形成轴承腔，壳体前端靠近前轴承的位置加工有一个与轴承腔相通的冷却液进口，壳体后端靠近后轴承的最上方加工有与轴承腔连通的冷却液出口；主轴穿出后端盖，与外部动力驱动装置的输出轴联接。
进一步的，前端盖固紧在壳体上，前端盖和壳体之间设置有密封垫。
进一步的，试验装置包括密封腔、泄出腔和轴承腔，静环组件和动环构成密封组件，密封组件与前端盖形成密封腔；静环组件、壳体与前轴承压盖形成泄出腔；前轴承压盖和后端盖形成轴承腔。
进一步的，密封腔的前端盖设置密封垫片进行密封腔的密封。
进一步的，轴承腔前端通过O型圈和前轴封组合密封，后端通过后轴封进行密封。
进一步的，密封腔设置进介质口、压力测量接口和温度测量接口。
进一步的，轴承腔设置冷却液进口和出口。
进一步的，泄出腔设置气体泄出口和液体泄出口。
进一步的，前锁紧螺帽和动环之间设置有动环垫片。
进一步的，静环组件和壳体之间设置有静环垫片，既用于调整静环组件的压缩量，又实现密封。
进一步的，与密封腔相通的前端盖上加工有三个通孔，一个通孔作为介质入口安装有流量计测量入口流量，另外两个分别用于测量密封腔的压力和密封腔温度。
进一步的，在壳体上与泄出腔相通的位置加工有三个通孔，分别用于测量泄漏腔的压力、气体泄出口和液体泄出口。
进一步的，隔环为前轴封安装的端面，隔环上设计有安装O型圈槽。
进一步的，在后端盖上加工有环形凹槽，环形凹槽内安装有后轴封，通过后轴封后盖固定在后端盖上。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明试验装置功能性强，在高速状态下性能良好，可进行氦端面静环运转试验、动环抽检试验，既可以用工艺动环验证静环组件的密封性能，也可用工艺静环考核动环的结构合理性；
(2)本发明试验装置将主轴设计为刚性轴，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；
(3)本发明前端盖设计成凸字形形状，可以减少壳体的长度和重量；并采用3个焊接接管嘴设计，减轻了端盖厚度和重量；
(4)本发明高转速下工艺密封采用轴封和O形圈组合使用保证冷却介质不泄漏，降低试验成本；
(5)本发明试验装置在介质进口设置流量计，采用介质进入多少等于密封组件泄漏量即是多少的原理，测量的泄漏量准确可靠；
(6)本发明在装配静环组件时，对于固紧用螺栓加工有专用工装，拧紧力矩是一固定值，保证静环组件装配的力矩为固定值；在装配发动机动环时，采用前锁紧螺帽固紧动环，锁紧螺帽拧紧力矩是一固定值，既要保证动环被压紧，还要保证动环平面不变形；
(7)本发明试验装置同轴精度高，结构合理，装配方便。对于主轴、壳体及装配在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主轴与试验台驱动轴的同轴度精度。
(8)本发明设计的一种液体火箭发动机氧涡轮泵用氦气端面密封试验装置，加工精度高，结构合理，在高速状态下装置稳定性强，目前已经投入使用并完成了多批次氦气端面密封跑合试验、抽检试验和研究性试验，使用效果良好。
附图说明
图1为本发明装配图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
为了进行液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封跑合试验、抽检试验和研究性试验，检测静环组件和动环之间的密封性能，本发明设计了一种试验装置，该装置首先要求机械精度高，静环组件压缩量可以调节，工艺密封性能良好，并且工作转速、密封腔压力、密封腔温度满足技术条件要求。
按照技术要求的压缩量及装配程序将氦气端面密封产品(静环组件和动环)装配到本发明试验装置中，然后进行常温气密性检查，合格后将试验装置安装到试验台架上，连接好介质管路及冷却润滑系统后，安装测量测试设备。按照技术条件给密封腔额定的工作压力的介质，启动冷却润滑设备，驱动动力系统，模拟发动机涡轮泵的工作环境，考核氦气密封组件产品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。
下面结合附图1对本发明提供的技术方案进一步说明：
本发明液体火箭发动机氧涡轮泵用氦气端面密封试验装置结构如图1所示。包括主轴4、壳体1、前轴承11、后轴承12、前轴承压盖10、前轴封压盖2、后轴承压盖5、前锁紧螺帽13、前端盖14和后端盖6。
主轴设计首先按照静环产品的尺寸确定主轴前端直径尺寸及悬臂尺寸，确定前后轴承的尺寸，通过临界转速的仿真计算确定主轴为刚性轴。
主轴4位于壳体1内，通过前轴承11和后轴承12支撑；前轴承11通过前轴承压盖10固紧在壳体1上。
壳体设计首先按照静环产品的安装尺寸确定壳体中与产品的配合尺寸；壳体中部设计有定位面和8个通孔用于将壳体固定在试验台，还有2个螺纹顶丝孔，方便壳体拆卸。
前端盖设计采用凸字形结构：优点是将壳体重量尽量减轻，增加端盖的长度，减少壳体的重量；前端盖有三个接口：进介质，测量密封腔压力和密封腔温度。
前轴承压盖设计有双重功能，第一可以固紧前轴承外圈，第二在圆周方向均布6个通孔，可以将冷却液通过。此结构可以缩短主轴悬臂长度，使得主轴总长度减小，同时减小了壳体的长度，使得试验装置整体结构更加合理。
隔环设计具有双重功能，首先隔环设计有安装O型圈槽，其次还是前轴封安装的端面。
轴套设计具有双重功能，首先是固定前轴承内圈，其次当静环组件需要压缩量变化较大时可以更换不同的轴套进行调节。
前轴封压盖具有双重功能，首先是固定前轴封，其次固紧O型圈，保证轴封和O型圈同时具有密封功能。
前锁紧螺帽设计具有3个功能，第一通过轴套和动环固紧轴承，第二具有密封作用保证轴向密封，第三通过专用力矩扳手保证固紧动环的力矩为固定值。
调整轴套设计有不同的厚度，通过改变不同调整轴套可以得到静环组件不同的压缩量。
静环垫片具有双重功能，首先具有密封功能，第二通过改变不同厚度的静环垫片可以得到静环组件不同的压缩量。
调整垫片有不同的厚度，通过改变不同调整垫片可以得到不同轴承合适的预紧力。
后轴封，可以对主轴后端进行轴向密封。
主轴4前端安装有轴套21和动环22，轴套21位于前轴承11、调整轴套23和动环22之间，前锁紧螺帽13与主轴4前端采用螺纹方式连接，用于将动环垫片24、动环22、调整轴套23和轴套21固定在主轴4上。前锁紧螺帽13和动环22之间设置有动环垫片24。
静环组件20穿过轴套21和主轴4，固紧在壳体1上，静环组件20和壳体1之间设置有静环垫片25，既用于调整静环组件20的压缩量，又实现密封作用。静环组件20与前端盖14之间形成密封腔；与密封腔相通的前端盖14上加工有三个通孔，一个通孔作为介质入口安装有流量计测量入口流量，另外两个分别用于测量密封腔的压力和密封腔温度。
前端盖14固紧在壳体1上，前端盖14和壳体1之间设置有密封垫15。
前轴封压盖2和静环组件20之间形成泄出腔，且在壳体1上与泄出腔相通的位置加工有三个通孔，分别用于测量泄漏腔的压力、气体泄出口和液体泄出口。隔环19
前轴承压盖10固紧在壳体1上，具有双重作用
后轴承12通过后轴承压盖5固紧在壳体1上；后轴承12和后轴承压盖5之间设置有不同厚度的调整垫片17，用于施加前轴承11和后轴承12的轴向装配预紧力，消除轴承的轴向游隙。
主轴4后端安装有后锁紧螺帽7，后锁紧螺帽7位于后轴承12和后端盖6之间，用于将后轴承12内圈固紧在主轴4上。后锁紧螺帽7与主轴4采用螺纹方式连接。
后端盖6固紧在壳体1上，后端盖6和壳体1之间设置有密封垫16。前油封压盖2和后端盖6之间形成轴承腔，壳体1前端靠近前轴承11的位置加工有一个与轴承腔相通的冷却液进口，壳体1后端靠近后轴承12的最上方加工有与轴承腔连通的冷却液出口；主轴4穿出后端盖6，与外部动力驱动装置的输出轴联接。
为了实现后端盖6和主轴4之间的密封，保证主轴后端冷却液的密封，在后端盖6上加工有环形凹槽，环形凹槽内安装有后轴封9，通过后轴封后盖8固定在后端盖6上。
本发明的试验过程如下：将试验装置安装到试验台支架上并固紧，安装增速箱与试验装置的主轴之间的联轴器。打开介质入口阀门和介质出口阀门，为试验装置充入氦气，对试验装置工艺轴承冷却。通过配气台调整密封腔压力为工作压力，启动增速箱的水冷机，然后启动电机，开始测量介质入口流量、密封腔压力、密封腔温度、泄漏腔的压力、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氦气端面密封组件产品密封性能是否合格，到达试验时间后，关闭电机、关闭水冷机、关闭进介质开关，试验结束。将试验装置分解，测量静环组件的磨损量及动环磨损情况并记录，获得所有测量参数曲线。根据压力、温度和流量来分析密封组件产品的密封性能和结构合理性，为改进端面密封组件产品设计中出现的各种问题提供重要依据。
本发明圆满完成多批次氦端面密封件的抽检试验、跑合试验及研究性试验，使用效果良好。本发明试验装置技术参数如下：工作转速：20000r/min；试验腔压力：1.0Mpa(表压)；工作介质：氦气；工作温度：20℃～150℃；泄漏量测量范围：10L/min～10g/s。试验装置测量参数包括：工作转速，密封腔介质压力，密封腔温度，密封腔流量，泄漏腔泄漏量，泄漏腔压力，泄漏腔温度，试验系统功率及静环组件磨损量。多次试验表明，本发明的试验装置加工精度高，结构合理，在高速状态下装置稳定性强。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，包括壳体（1）、主轴（4）、前轴承（11）、后轴承（12）、前轴承压盖（10）、前轴封（3）、前轴封压盖（2）、静环组件（20）、轴套（21）、调整轴套（23）、动环（22）、前锁紧螺帽（13）、前端盖（14）、后轴承压盖（5）、隔环（19）、调整垫片（17）、后锁紧螺帽（7）、后轴封（9）、后轴封压盖（8）和后端盖（6）；
主轴（4）位于壳体（1）内，通过前轴承（11）和后轴承（12）支撑；前轴承（11）通过前轴承压盖（10）固紧在壳体（1）上；
主轴（4）前端安装有轴套（21）和动环（22），轴套（21）位于前轴承（11）、调整轴套（23）和动环（22）之间；前锁紧螺帽（13）与主轴（4）前端连接，用于将动环垫片（24）、动环（22）、调整轴套（23）和轴套（21）固定在主轴（4）上；
静环组件（20）穿过轴套（21）和主轴（4），固紧在壳体（1）上；
前轴承压盖（10）固紧在壳体（1）上；
后轴承（12）通过后轴承压盖（5）固紧在壳体（1）上；后轴承（12）和后轴承压盖（5）之间设置有不同厚度的调整垫片（17），用于施加前轴承（11）和后轴承（12）的轴向装配预紧力，消除轴承的轴向游隙；
主轴（4）后端安装有后锁紧螺帽（7），后锁紧螺帽（7）位于后轴承（12）和后端盖（6）之间，用于将后轴承（12）内圈固紧在主轴（4）上；
后端盖（6）固紧在壳体（1）上，后端盖（6）和壳体（1）之间设置有第二密封垫（16）；前轴封压盖（2）和后端盖（6）之间形成轴承腔，壳体（1）前端靠近前轴承（11）的位置加工有一个与轴承腔相通的冷却液进口，壳体（1）后端靠近后轴承（12）的最上方加工有与轴承腔连通的冷却液出口；主轴（4）穿出后端盖（6），与外部动力驱动装置的输出轴联接；
试验装置包括密封腔、泄出腔和轴承腔，静环组件（20）和动环（22）构成密封组件，密封组件与前端盖形成密封腔；静环组件（20）、壳体（1）与前轴封压盖（2）之间形成泄出腔；
在后端盖（6）上加工有环形凹槽，环形凹槽内安装有后轴封（9），通过后轴封压盖（8）固定在后端盖（6）上；
与密封腔相通的前端盖（14）上加工有三个通孔，一个通孔作为介质入口安装有流量计测量入口流量，另外两个分别用于测量密封腔的压力和密封腔温度；
试验时，将试验装置安装到试验台支架上并固紧，安装增速箱与试验装置的主轴之间的联轴器，打开介质入口阀门和介质出口阀门，为试验装置充入氦气，对试验装置工艺轴承冷却，通过配气台调整密封腔压力为工作压力，启动增速箱的水冷机，然后启动电机，开始测量介质入口流量、密封腔压力、密封腔温度、泄出腔的压力、泄出腔温度、泄漏量、工作转速、试验系统功率，通过判断泄漏量曲线来判定氦气端面密封组件产品密封性能是否合格，到达试验时间后，关闭电机、关闭水冷机、关闭进介质开关，试验结束；将试验装置分解，测量静环组件的磨损量及动环磨损情况并记录，获得所有测量参数曲线；根据压力、温度和流量来分析密封组件产品的密封性能和结构合理性。
2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，前端盖（14）固紧在壳体（1）上，前端盖（14）和壳体（1）之间设置有第一密封垫（15）。
3.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，轴承腔前端通过O型圈和前轴封组合密封，后端通过后轴封进行密封。
4.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，密封腔设置进介质口、压力测量接口和温度测量接口。
5.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，轴承腔设置冷却液进口和出口。
6.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，泄出腔设置气体泄出口和液体泄出口。
7.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，前锁紧螺帽（13）和动环（22）之间设置有动环垫片（24）。
8.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，静环组件（20）和壳体（1）之间设置有静环垫片（25），既用于调整静环组件（20）的压缩量，又实现密封。
9.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，在壳体（1）上与泄出腔相通的位置加工有三个通孔，分别用于测量泄出腔的压力、气体泄漏量和液体泄漏量。
10.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵用高速氦气端面密封试验装置，其特征在于，隔环（19）为前轴封（3）安装的端面，隔环（19）上设计有安装O型圈的槽。
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