CN114198222A - 一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，包括轴向位移传感器，径向位移传感器和传感器底座组件，轴向位移传感器和径向位移传感器安装于涡轮泵内部，传感器底座组件设有多道密封，将导线引出的同时能够保证涡轮泵的低温密封性能，本发明能够实时监测氢氧涡轮泵转子组件在低温环境运转过程中的轴向及径向位移，并以此为依据，获取转子的轴向窜动量和轴心轨迹，为涡轮泵的工作健康状态提供判据，特别适用于发动机试验及执行飞行任务时进行在线监测和故障预警。

Description

一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置
技术领域
本发明属于液体火箭发动机技术领域，特别涉及一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置。
背景技术
随着人们探索浩瀚宇宙的需求日益强烈，载人航天工程，空间站的建设，登陆火星深空探测等发射任务的日益增多，对运载火箭的安全性及可靠性就有了更高的标准和更严苛的要求。为此，世界航天也迎来了全新的数字化发展新时代。在数字化航天建设中，对系统中各个重要零组件实际工作状态的实时测量是必不可少的一项重要环节。以当前零组件的实际工作参数为依据，对零组件工作的正常与否进行判别和预警，并以此对整个系统的下一步工作计划作出相应调整。因此，实时监测核心零组件工作时的一些重要的工作参数对故障的判别和预警至关重要，为设计人员对相关产品的后续改进也将提供很大价值的参考。
氢氧火箭发动机作为火箭推进系统的核心部件，为火箭提供持续飞行的动力。发展航天，动力先行。而氢氧涡轮泵在氢氧火箭发动机中的作用举足轻重，因此被誉为发动机的“心脏”。因此，能实时监测氢氧涡轮泵的实际工作状态，将实测数据实时反馈给数学模型，进而对涡轮泵的工作状态进行诊断、评估并进行故障预测，对台架试验，飞行任务的顺利进行提供重要支撑。
氢氧涡轮泵结构复杂，工作环境十分恶劣。目前国内在涡轮泵试验及飞行时的压力，温度，振动参数方面的测量都有了较为成熟的发展。但对于液氢液氧涡轮泵来说，内部结构复杂紧凑，可允许安装测量装置空间十分狭小，且由于液氢液氧是超低温介质，考虑到不同材料在低温下的收缩性差异，对涡轮泵内部传感器引出导线的固定密封要求严苛，尺寸配合设计稍有偏差就易发生泄露。综合种种因素，目前在低温环境下长时间工作的氢氧涡轮泵，在其高速运转过程中转子组件的位移参数尚无法获取。运转过程中转子的位移参数恰恰反映了这一时刻转子运转的稳定性，在国内外因转子运转过程中的不稳定导致试验、发射任务失败，造成惨重后果的案例不胜枚举。
在运转过程中转子组件的轴向位移可以反映涡轮泵所受到的轴向力，当转子组件平稳运转产生轴向窜动时，转子组件的轴向位移值会在设计值范围内，表明涡轮泵轴向窜动正常。一旦转子组件受到较大轴向冲击，轴向位移会超出设计值范围，此时，转子组件会瞬时发生轴向碰磨，产生的不平衡轴向力将由轴承承受。转子组件发生碰磨，运转不稳定，轴承也会有失效的风险，后果不言而喻。同时，转子运转过程中的径向位移即转子的轴心轨迹可以形象且直观的表示转子运转的实际状况。通过众多学者大量的理论及实验研究，转子运转过程中的轴心轨迹与故障类型有一定的直接联系，基本确定了一些典型的转子故障与其对应的轴线轨迹的关系。例如，转子组件因制造、装配或长时间的运转产生转子不对中现象时，其运转过程中的轴心轨迹往往为“8”字型或香蕉型，若转子在运转过程中发生了动静碰磨，则其产生的轴心轨迹往往时规则或者不规则的花瓣形。但现有技术中未发现能在低温环境下，对运转过程中的转子系统轴向位移与径向位移的实时监测的相关装置，无法根据上述原理进行转子系统实时运转的故障检测和预警。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，包括轴向位移传感器，径向位移传感器和传感器底座组件，轴向位移传感器和径向位移传感器安装于涡轮泵内部，传感器底座组件设有多道密封，将导线引出的同时能够保证涡轮泵的低温密封性能，本发明能够实时监测氢氧涡轮泵转子组件在低温环境运转过程中的轴向及径向位移，并以此为依据，获取转子的轴向窜动量和轴心轨迹，为涡轮泵的工作健康状态提供判据，特别适用于发动机试验及执行飞行任务时进行在线监测和故障预警。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，包括轴向位移传感器，径向位移传感器和传感器底座组件；
轴向位移传感器和径向位移传感器分别固定安装于涡轮泵内部的静止件上，用于检测涡轮泵转子或与涡轮泵转子相对静止的运动件的轴向位移和径向位移；
传感器底座组件设于涡轮泵壳体上，包括接管嘴，球面密封，压紧螺母和套筒；接管嘴一端与涡轮泵壳体固定连接，另一端设有锥形槽且外表面设有外螺纹，压紧螺母一端设有内螺纹，另一端设有通孔，球面密封第一端设有半球形端面，球面密封第一端置于接管嘴所设锥形槽内，压紧螺母套于球面密封第一端外部，压紧螺母内螺纹与接管嘴外螺纹配合，实现球面密封半球形端面与接管嘴锥形槽内的锥形面的压紧，球面密封第二端通过压紧螺母所设通孔伸出并与套筒连接；
所述接管嘴，球面密封和套筒内部分别设有用于导线通过的第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔，所述轴向位移传感器和径向位移传感器的导线依次通过第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔引出涡轮泵。
进一步的，所述静止件包括密封壳体或其他支承组件；所述运动件包括转轴或轴上轴套。
进一步的，所述接管嘴一端焊接于涡轮泵壳体上；接管嘴所设锥形槽的锥角为60°。
进一步的，将导线引出涡轮泵后位于所述第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔中的部分记为第一导线段，第二导线段和第三导线段，所述第一导线段和第三导线段由橡胶外包皮和内部电缆组成，第二导线段仅包含经绝缘漆处理后的内部电缆；
所述第二导线段和第二导线孔之间灌有密封胶。
进一步的，所述第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔的直径分别比第一导线段，第二导线段和第三导线段的直径大0.2～0.3mm。
进一步的，所述压紧螺母外部形状为六角形；压紧螺母和接管嘴分别设有保险孔，所述压紧螺母所设保险孔和接管嘴所设保险孔通过保险丝连接。
进一步的，所述导线在第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔内通过低温胶固定；所述低温胶为耐受20k低温的胶体。
进一步的，所述轴向位移传感器和径向位移传感器均包括传感器外壳和设于传感器外壳内部的传感器主体，传感器主体为电涡流传感器；
传感器主体一端设有传感器探头，另一端引出导线；
传感器主体还包含采用铁，镍或钼材料制成的传感器磁芯和耐受20k低温的导线制成的敏感线圈。
进一步的，所述传感器探头为增设了Pt100电阻的电涡流探头，所述Pt100电阻用于标定环境温度。
进一步的，所述轴向位移传感器外壳为立方体，以与涡轮泵转子或与涡轮泵转子相对静止的运动件的位移方向为传感器的厚度方向，其余两方向的尺寸为长度和宽度方向，轴向位移传感器外壳的长度≤20mm，宽度小于等于10mm；轴向位移传感器外壳设有安装孔，螺钉与所述安装孔配合，实现轴向位移传感器与静止件的固定连接；
径向位移传感器外壳为设有外螺纹的圆柱体，与静止件通过螺纹连接。
本发明与现有技术相比具有如下至少一项有益效果：
(1)本发明一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，可通过在涡轮泵内部实际允许空间安装电涡流位移传感器对转子组件运转过程中的轴向及径向位移进行实时监测，同时将引出的导线通过设有多道密封的传感器底座组件固定安装在涡轮泵壳体上，保证低温密封性；
(2)本发明一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置中，安装在涡轮泵内部的传感器的实际形状可依据涡轮泵内部实际空间及传感器探头形式及尺寸进行灵活调整，体积较小，一般可满足允许安装的空间要求，为适应超低温工作环境要求，传感器磁芯和敏感线圈分别选用铁镍钼材料和低温导线制作，充分改善其低温测量性能；进一步的，为最大限度减少测量系统的温漂性能，电涡流位移传感器内部增识了Pt100测温电阻，实时获取传感器在工作时的真实环境温度，根据低温标定试验数据，对实时监测值进行修正，可准确、定量、实时反映出转子组件的实际运转状态；
(3)本发明液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置中设计的传感器底座组件，在低温下具有很好的密封性能，较高的安全性及可靠性，可推广应用至氢氧涡轮泵内部甚至其他发动机零组件的工作在低温环境下的参数测量，为氢氧涡轮泵乃至其他重要零组件的实时工作状态进行监测，诊断及评估；
(4)本发明液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置中，根据涡轮泵轴向和径向空间的实际情况，分别设计了轴向位移传感器和径向位移传感器的外形和装配方式，适用性更强；
(5)本发明对传感器底座组件中导线的不同部分进行了设计，使其在满足信号传输稳定性的同时满足密封需求；
(6)本发明可根据实际需求灵活选择传感器的检测对象和安装位置，适用于多种结构的涡轮泵。
附图说明
图1为本发明轴向位移传感器装配图(a)和传感器平面图(b)；
图2为本发明径向位移传感器装配图；
图3为本发明传感器底座组件整体装配图(a)和局部图(b)；
图4为本发明接管嘴结构图；
图5为本发明球面密封结构图；
图6为本发明压紧螺母装置图，其中，图(a)为主视图，图(b)为俯视图；
图7本发明套筒结构图；
图8本发明位移传感器测量装置整体装配图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
目前，国内氢氧发动机涡轮泵中，工作状态下转子的实际轴向窜动量与径向位移还无法进行有效测量，转子实际运转时的稳定性无从得知，轴承的实际承载情况只能通过试后分解检查再进行分析。
本发明一种超低温高速氢氧涡轮泵位移测量装置，可应用于涡轮泵转子工作状态下的轴向和径向位移的实时测量，主要由两部分组成，一部分为安装在涡轮泵内部的位移传感器，包括轴向位移传感器和径向位移传感器，另一部分为将位移传感器导线进行引出密封及固定的传感器底座组件。
轴向位移传感器通过螺钉固定在涡轮泵内部静止件上，被测表面与探头的初始距离可根据转子实际轴向运动情况及传感器量程通过调整传感器厚度进行设计。在传统电涡流位移传感器上增设Pt100电阻，实时监测传感器实际工作环境温度，根据前期不同温度下的标定实验结果对实测值进行修正。
径向位移传感器包括圆柱体形状的外壳，通过螺纹连接在涡轮泵内部静止件上，圆柱体外壳内部设通孔用低温胶固定电涡流传感器探头并增设Pt100电阻，通过调整径向位移传感器在静止件中的旋入长度来调整与被测金属表面的初始位移，用螺母进行固定。
在低温环境下内部测量引出的导线固定在涡轮泵壳体上易发生泄漏，因此设计了传感器底座组件。传感器底座组件由接管嘴、球面密封、压紧螺母、套筒组成。接管嘴焊接在涡轮泵壳体上，起第一道固定密封作用，接管嘴上端内部设60°锥形槽，外部设外螺纹，接管嘴锥形槽与球面密封的球面用压紧螺母压紧，起第二道密封作用。将从接管嘴引出的橡胶外包皮剥开，仅剩内部电缆，并用绝缘漆进行绝缘处理后，从球面密封内部通孔引出，用外六角形状的压紧螺母施加力矩压紧后向通孔内灌胶进行第三道密封，并与接管嘴进行保险防松。
通常导线内部电缆较细，若在进行外部导线连接时，导线活动易使电缆出现故障，因此设计套筒，将从球面密封引出的电缆用橡胶外包皮进行包覆保护，从套筒内部通孔引出，套筒螺纹连接在球面密封上。为防止导线在套筒内部发生窜动，可适当涂低温胶以固定。
实施例1：
轴向位移传感器的装置图及传感器平面图如图1所示，图中6代表涡轮泵转子组件中的涡轮泵转子或与涡轮泵转子相对静止的其他运动件，在涡轮泵运转过程中会产生相对于涡轮泵内部一静止件7的轴向位移，61代表被测表面，10为轴向位移传感器，传感器的类型为电涡流位移传感器，其平面图如图1(b)所示，涡轮泵内部轴向空间通常较小，因此轴向位移传感器形状一般设计为扁长形长方体形状，长度可控制在20mm，宽度10mm左右，其中圆形区为传感器探头102分布区域，通过用螺钉穿过分布在传感器上的两处的传感器安装通孔101将传感器固定在静止件7上，传感器厚度h可根据被测表面61与位移传感器探头102初始距离与转子实际运动情况及传感器的量程进行灵活设计。当转子组件在运转过程中发生轴向运动时，被测表面61与轴向位移传感器探头102产生相对轴向位移L，电涡流磁场将发生变化，电压值的变化量由导线12引出，可依据电压值的变化量，计算出对应的距离值，从而实现对轴向位移变化量的实时测量。因氢氧涡轮泵转子工作在超低温环境(20K)下，传感器磁芯和敏感线圈分别选用铁，镍或钼材料和低温导线制作，同时考虑环境温度会对测量造成影响，因此在传统电涡流探头上增设了Pt100电阻，以便获取工作时传感器所处环境的真实工作温度。在实验前对传感器进行不同温度下的标定，将标定数据用于试验时监测数据的修订。
径向位移传感器装置图如图2所示，其中6为涡轮泵转子或与涡轮泵转子相对静止的其他运动件，包括跟随转子一起发生转动的转轴或轴上轴套，7为涡轮泵内部一静止件，径向位移传感器11一般设计为带有外螺纹的圆柱体，通过螺纹连接在静止件7上，圆柱体一端安装电涡流位移传感器探头112，另一端引出导线12，圆柱体内部导线与传感器探头112用低温胶DG-4进行密封固定。径向位移传感器与静止件通过螺纹连接，因此可以通过调整传感器的旋入深度来调整传感器探头112与被测表面61的初始距离L，并用螺母8进行固定。与轴向位移传感器测量原理相同，根据转子工作状态时电压的变化，实现对转子产生的径向位移进行实时监测。同时也在探头上增加Pt100电阻，根据标定实验结果及监测到的传感器实际工作环境温度对所测位移数据进行修订。轴向与径向位移传感器的大小形状及与静止件7的配合连接尺寸均可根据涡轮泵实际结构进行调整设计。
对于液氢液氧涡轮泵来说，在发动机试车时任何细微的泄露都是不允许发生的，因此对引出导线的固定密封非常重要。图3为将引出的位移传感器导线固定在涡轮泵壳体上的位移传感器底座装配图。位移传感器底座组件通过焊接固定在涡轮泵壳体1上，传感器底座组件包括接管嘴2、球面密封3、压紧螺母4和套筒5。
接管嘴2焊接在涡轮泵壳体1上，起固定密封作用，如图4所示。接管嘴内部设直径为C的通孔，即第一导线孔，第一导线孔C的直径稍大于引出导线12的外径，通常为2～4mm。接管嘴2上端内部设置60°的锥形槽，锥形槽深及开口大小可根据实际情况设计，接管嘴2上端外部设外螺纹。球面密封3与接管嘴2配合使用，起主要密封作用，如图5所示。将引出的导线12橡胶外包皮剥开，仅留内部电缆121，用绝缘漆对电缆121进行绝缘处理后，用低温胶DG-4固定密封在球面密封内部通孔A处，即第二导线孔，第二导线孔A的大小视实际电缆121粗细而定，通常为0.8mm左右。因第二导线孔A直径较小，将电缆引出后用密封胶13灌满整个第二导线孔A，即可起密封作用。球面密封3下端外表面设计半径为B的球面，用与接管嘴2上端内部60°的锥形槽配合，通过压紧螺母4将球面压紧在锥形槽内，起重要密封作用，球面半径B根据实际锥形槽的大小和深度而定。压紧螺母4内螺纹与接管嘴2上端的外螺纹配合，见图6，压紧螺母4外部设计为外六角形状，方便装配时加足够力矩，保证密封，压紧螺母4外部设置保险孔，压紧螺母4压紧后与接管嘴2打保险放松。用常用导线橡胶外包皮将从第二导线孔A引出的电缆外表面进行保护包覆，设计套筒5如附图7，与球面密封4螺纹连接，套筒5内部设通孔D，即第三导线孔，引出导线12，可在第三导线孔D内部适当涂胶固定导线12，防止导线窜动导致电缆故障。附图8为位移传感器测量装置整体装配图，内部安装传感器体积小，还可根据实际内部空间灵活调整，外置传感器底座组件因低温下密封性能良好，可广泛应用。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，包括轴向位移传感器，径向位移传感器和传感器底座组件；
轴向位移传感器和径向位移传感器分别固定安装于涡轮泵内部的静止件上，用于检测涡轮泵转子或与涡轮泵转子相对静止的运动件的轴向位移和径向位移；
传感器底座组件设于涡轮泵壳体(1)上，包括接管嘴(2)，球面密封(3)，压紧螺母(4)和套筒(5)；接管嘴(2)一端与涡轮泵壳体(1)固定连接，另一端设有锥形槽且外表面设有外螺纹，压紧螺母(4)一端设有内螺纹，另一端设有通孔，球面密封(3)第一端设有半球形端面，球面密封(3)第一端置于接管嘴(2)所设锥形槽内，压紧螺母(4)套于球面密封(3)第一端外部，压紧螺母(4)内螺纹与接管嘴(2)外螺纹配合，实现球面密封(3)半球形端面与接管嘴(2)锥形槽内的锥形面的压紧，球面密封(3)第二端通过压紧螺母(4)所设通孔伸出并与套筒(5)连接；
所述接管嘴(2)，球面密封(3)和套筒(5)内部分别设有用于导线通过的第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔，所述轴向位移传感器和径向位移传感器的导线依次通过第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔引出涡轮泵。
2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述静止件包括密封壳体或其他支承组件；所述运动件包括转轴或轴上轴套。
3.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述接管嘴(2)一端焊接于涡轮泵壳体(1)上；接管嘴(2)所设锥形槽的锥角为60°。
4.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，将导线引出涡轮泵后位于所述第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔中的部分记为第一导线段，第二导线段和第三导线段，所述第一导线段和第三导线段由橡胶外包皮和内部电缆组成，第二导线段仅包含经绝缘漆处理后的内部电缆；
所述第二导线段和第二导线孔之间灌有密封胶。
5.根据权利要求4所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔的直径分别比第一导线段，第二导线段和第三导线段的直径大0.2～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述压紧螺母(4)外部形状为六角形；压紧螺母(4)和接管嘴(2)分别设有保险孔，所述压紧螺母(4)所设保险孔和接管嘴(2)所设保险孔通过保险丝连接。
7.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述导线在第一导线孔，第二导线孔和第三导线孔内通过低温胶固定；所述低温胶为耐受20k低温的胶体。
8.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述轴向位移传感器和径向位移传感器均包括传感器外壳和设于传感器外壳内部的传感器主体，传感器主体为电涡流传感器；
传感器主体一端设有传感器探头，另一端引出导线；
传感器主体还包含采用铁，镍或钼材料制成的传感器磁芯和耐受20k低温的导线制成的敏感线圈。
9.根据权利要求8所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述传感器探头为增设了Pt100电阻的电涡流探头，所述Pt100电阻用于标定环境温度。
10.根据权利要求8或9所述的一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，其特征在于，所述轴向位移传感器外壳为立方体，以与涡轮泵转子或与涡轮泵转子相对静止的运动件的位移方向为传感器的厚度方向，其余两方向的尺寸为长度和宽度方向，轴向位移传感器外壳的长度≤20mm，宽度小于等于10mm；轴向位移传感器外壳设有安装孔，螺钉与所述安装孔配合，实现轴向位移传感器与静止件的固定连接；
径向位移传感器外壳为设有外螺纹的圆柱体，与静止件通过螺纹连接。
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