CN114279610B - 液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置和方法，本发明装置包括测量装置壳体，试验轴系，密封圈，调整垫片，力传感器，压盖和压紧机构，机械密封中的动环安装于试验轴系上，并使试验轴系安装于测量装置壳体中，机械密封中的静环置于测量装置壳体上端，压紧机构压紧压盖进而使位于静环与测量装置壳体上端之间密封圈变形产生密封，试验轴系通过可调整厚度的调整垫片与力传感器作用，根据测试腔内部压力和力传感器的受力得到机械密封的端面比压。本发明提高了试验的精度、效率、节约了试验成本，为验证机械密封的密封性能提供了可靠依据，特别适用于需要测试不同压缩量、不同压力下的机械密封端面比压的场景。

Description

液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置和方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机涡轮泵零部组件试验技术领域，涉及机械密封一项重要密封指标端面比压的离线测量试验装置，特别涉及一种液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置和方法。

背景技术

机械密封广泛应用于液体火箭发动机涡轮泵中，膜盒式机械密封具有可适应低温、高温、强腐蚀、氧化等环境，并且泄漏量较小。静环组件与动环配合组成机械密封，由于液体火箭发动机涡轮泵的转速高，对机械密封的端面比压的性能要求较高，端面比压过大容易引起摩擦升热、磨损较严重，反之则容易引起密封效果差、泄漏量大，进而会使其机械密封的作用失效会引起推力不足。因此，机械密封端面比压不仅是衡量密封性能好坏、运行寿命长短的重要指标，也是密封结构改进的重要依据。

端面比压是由弹簧比压和介质腔的压力综合作用的结果。目前，针对机械密封端面比压的研究，主要还是针对弹簧比压测量以及机械密封在线过程中的试验研究；现有技术中机械密封端面比压离线测量存在轴系装配精度难以保证的缺陷，不能满足高效、精准的测量需求；同时测量装置拆卸不便、劳动强度大；采用铝制垫片进行密封，铝制垫片不能重复使用，测试成本高等缺点。

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用机械密封端面比压测量装置和方法，本发明装置包括测量装置壳体，试验轴系，密封圈，调整垫片，力传感器，压盖和压紧机构，机械密封中的动环安装于试验轴系上，并使试验轴系固定于测量装置壳体中，机械密封中的静环置于测量装置壳体上端，压紧机构压紧压盖进而使位于静环与测量装置壳体上端之间密封圈变形产生密封，试验轴系通过可调整厚度的调整垫片与力传感器作用，根据测试腔内部压力和力传感器的受力得到机械密封端面比压。本发明提高了试验的效率、节约了试验成本，为验证机械密封的密封性能提供了可靠依据，特别适用于需要测试不同压缩量的机械密封端面比压的场景。

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用机械密封端面比压测量装置，包括测量装置壳体，试验轴系，密封圈，调整垫片，力传感器，压盖和压紧机构；

测量装置壳体包括底座，支腿，测试腔壳体和定位壳体；定位壳体通过支腿支撑于底座上，测试腔壳体固定安装于定位壳体上方；试验轴系包括主轴；力传感器设于底座上；

机械密封中的动环安装于主轴上，主轴安装于定位壳体上且可相对于定位壳体上下移动，主轴下端通过调整垫片与力传感器作用，动环位于测试腔壳体内部；

测试腔壳体上端置有密封圈，机械密封中的静环组件置于密封圈上且与动环接触，压盖置于静环组件上方后，压紧机构向下压紧压盖，将静环组件压紧在测试腔壳体上端，测试腔壳体内部形成密封的测试腔，根据测试腔内部压力和力传感器的受力得到机械密封端面比压。

进一步的，液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置，所还包括直线轴承；

直线轴承为2个，2个直线轴承分别与定位壳体的上端面和下端面固定连接且2个直线轴承的轴线重合，均为竖直方向，主轴通过直线轴承安装于定位壳体上。

进一步的，所述调整垫片的厚度根据静环组件的安装自由高度、测试腔壳体上端面距离动环上表面的距离，以及机械密封所需的压缩量调整。

进一步的，所述测试腔壳体两侧分别设有接管嘴，其中一侧所设接管嘴与气源连接，另一侧所设接管嘴与用于监测测试腔壳体内部压力的压力传感器连接。

进一步的，主轴上设有平衡活塞，平衡活塞与测试腔壳体间隙配合；

所述静环组件与测试腔壳体为间隙配合。

进一步的，试验轴系还包括安装于主轴上的上轴套，下轴套和锁紧螺帽；

下轴套下端与平衡活塞上端接触，动环通过下轴套实现在主轴上的定位，上轴套安装于动环上方，锁紧螺帽压紧上轴套并与主轴螺纹连接，实现锁紧。

进一步的，所述密封圈为O型橡胶圈；

所述测试腔壳体上端设有O型沟槽，O型橡胶圈置于O型沟槽中，静环组件压紧在测试腔壳体上端并使O型橡胶圈形变，实现静环组件和测试腔壳体之间的密封。

进一步的，所述压紧机构包括支架，连杆I，连杆II，连杆III，施力连杆，止动销和滚花平头螺钉；

连杆I一端与支架一侧铰接，另一端与滚花平头螺钉螺纹连接；连杆III一端与支架另一侧铰接，另一端与施力连杆螺纹连接；连杆I与连杆III通过连杆II铰接；止动销安装于连杆I上，止动销用于限制连杆II的转动，连杆II与止动销接触时，处于竖直状态；

施力连杆驱动连杆III转动，进而通过连杆II带动连杆I转动，进而带动滚花平头螺钉向下压紧压盖上端或向上远离压盖上端；

当连杆II与连杆III均为竖直状态时，连杆I末端的滚花平头螺钉对压盖产生竖直方向的压紧力，同时滚花平头螺钉受到竖直方向的反作用力，实现压紧机构的自锁。

进一步的，所述压紧机构还包括安装于支架上的铰接座I和铰接座II；

支架安装于底座上，连杆I一端与支架一侧通过铰接座I铰接；连杆III一端与支架另一侧通过铰接座II铰接。

一种液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量方法，采用上述一种液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置实现，包括以下步骤：

S1将力传感器安装于底座上，将定位壳体通过支腿支撑于底座上，将测试腔壳体固定安装于定位壳体上方；

S2将机械密封中的动环安装于主轴上；

S3将调整垫片置于力传感器上；

S4将主轴固定于定位壳体上，使主轴下端通过调整垫片与力传感器作用，动环位于测试腔壳体内部；

S5将密封圈置于测试腔壳体上端，并将机械密封中的静环组件置于密封圈上且与动环接触；

S6压盖置于静环组件上方后，压紧机构向下压紧压盖，将静环组件压紧在测试腔壳体上端，测试腔壳体内部形成密封的测试腔；

S7根据测试腔内部压力和力传感器的受力得到机械密封端面比压。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置中，设计了可靠的试验轴系，采用双直线轴承上下对称布置，提高了主轴径向的装配精度，避免了径向偏斜，确保主轴的将端面比压作用力传递到力传感器，提高了测试精确度；

(2)本发明液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置中，利用压紧机构对压盖进行压紧，采用可重复使用的密封圈，比如O型橡胶圈进行密封，使测试腔壳体内部形成密封的测试腔，避免了机械连接件的使用及铝制密封垫片的损耗，有效提高了便捷性，从而提高了测试效率，减少了人力及物料成本；

(3)本发明液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置中，主轴下端通过调整垫片与力传感器作用，从而传递机械密封端面比压的作用力，其中调整垫片的厚度可根据机械密封所需的压缩量进行调整，可满足装配一次轴系测试不同压缩量的机械密封端面比压的需求；

(4)本发明液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置，可以实现机械密度离线测量，同时可快速装夹静环组件，达到密封的效果，提高了试验效率。

附图说明

图1为本发明一种液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置结构图；

图2为本发明一种液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置剖面图。

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。

在本发明中，术语“螺纹连接”应做广义理解，其目的是实现两个或多个元件的固紧，形式多样。例如可以是两个元件通过自身的内、外螺纹旋入拧紧，也可以是两个元件利用螺栓固紧等。术语“安装”应做广义理解，其目的是实现两个或多个元件的固紧，形式多样。例如可采用螺纹联接，也可以采用焊接工艺，对于同种材料甚至可以采用一体加工的方式。对于本领域的普通技术人员而言，可根据具体情况理解该术语在本发明中的具体含义。

本发明针对机械密封端面比压离线测量，提出一种液体火箭发动机泵用机械密封端面比压测量装置，包括测量装置壳体1、试验轴系2、O型橡胶圈4、调整垫片6、力传感器7、压紧机构9、压盖909，优选的，还包括直线轴承5，本发明用于测量机械密封端面比压，机械密封包括静环组件3和动环204。

测量装置壳体主要包括测试腔壳体101、定位壳体103、支腿104、底座105，其中测试腔壳体101上设有接管嘴102，一侧接管嘴102与气源连接，可以向测试腔壳体101提供所需的气源；另一侧与压力传感器连接，实时监测测试腔壳体内的压力变化。

支腿104安装在底座105上，定位壳体103与支腿104连接，测试腔壳体101与定位壳体103连接。所用连接方式不限于用螺纹连接的方式。

试验轴系主要包括主轴201、锁紧螺帽202和轴套。其中主轴201设计了平衡活塞结构，平衡活塞结构为下轴套205安装的轴肩处，平衡活塞结构外径与密封石墨凸台内外径中值等效，活塞部分与测试腔壳体采用小间隙配合(比如H6/h5)，并涂抹密封脂，一方面可保证充压后轴系受力平衡，另一方面可减小压力腔的泄漏。

平衡活塞结构上安装下轴套205，动环204通过下轴套205调整在主轴201上位置，动环204与静环组件3接触组成机械密封。所述上轴套203安装在动环204上，锁紧螺帽202通过压紧上轴套203，并与主轴201采用螺纹连接的形式将轴系锁紧。

两个直线轴承5采用对称布置方案，安装在定位壳体103上，并与主轴201配合安装，以保证试验轴系的垂直度、同轴度并满足上下移动需求。

主轴201下端与调整垫片6接触，调整垫片6与力传感器7的测头接触，满足将机械密封端面比压的力传递到力传感器7上。力传感器7先测得力，然后通过公式转化为端面比压。

O型橡胶圈4放置在测试腔壳体101的O型沟槽内，静环组件3放置在O型橡胶圈4上，并与测试腔壳体101采用间隙配合。

压紧机构9主要包括支架901、铰接座I902、铰接座II903、连杆I904、连杆II905、连杆III906、施力连杆907、止动销908、滚花平头螺钉910。

支架901安装在底座105上，铰接座I902、铰接座II903固定在支架上901，连杆I904一端与铰接座I902铰接连接，另一端与滚花平头螺钉910采用螺纹连接；连杆III906一端与铰接座II903铰接连接，另一端与施力连杆907采用螺纹连接；连杆I904与连杆III906通过连杆II905铰接连接，将施力连杆907的力通过连杆机构传递到压盖909上，压盖909上端面与滚花平头螺钉910接触，下端面与静环组件3接触，经压紧机构9的力施加到静环组件3上，静环组件3受力压紧O型橡胶圈4，达到密封的作用。当连杆II905与连杆III906处于同一直线时(重合时)，正好与水平面保持垂直，同时连杆I904的末端所安装的滚花平头螺钉910与压盖909垂直接触；止动销908用于限制连杆II905的转动，使连杆II905与止动销908接触时，正好处于竖直状态；当连杆II905与连杆III906处于同一直线时(重合时)，与水平面保持垂直时，压力的反作用力通过滚花平头螺钉910传递给连杆I904，进而传递给连杆II905、连杆III906，此时连杆II905、连杆III906都处于竖直状态，收到的反作用力也是竖直的，没有水平方向的作用力，所以处于自锁状态。

实施例1：

图1和图2所示一种液体火箭发动机涡轮泵用机械密封端面比压测量装置包括:测量装置壳体1、试验轴系2、O型橡胶圈4、直线轴承5、调整垫片6、力传感器7、压紧机构9、压盖909。

测量装置壳体1包括测试腔壳体101、定位壳体103、支腿104、底座105，测试腔壳体101上设有接管嘴102；试验轴系2包括主轴201、锁紧螺帽202、上轴套203、下轴套205。压紧机构9包括支架901、铰接座I902、铰接座II903、连杆I904、连杆II905、连杆III906、施力连杆907、止动销908、滚花平头螺钉910。

将力传感器7、支腿104安装到底座105上，两个直线轴承5对称安装在定位壳体103上，将定位壳体103安装到支腿104上，测试腔壳体101安装到定位壳体103上，将接管嘴102安装到测试腔壳体101上。

依次将下轴套205、动环204、上轴套203装入主轴201上，并用锁紧螺帽202将轴系锁紧。

将调整垫片6放置到力传感器7测头上，将试验轴系2插入到测量装置壳体1中，与直线轴承5配合，直到与调整垫片6接触。

将O型橡胶圈4放入测试腔壳体101的O型沟槽内；安装静环组件3到测试腔壳体101上，同时静环组件3与动环204接触。

将支架901安装到底座105上，铰接座I902、铰接座II903固定到支架901上，将连杆I904一端铰接到铰接座I902上，另一端与滚花平头螺钉910采用螺纹连接；连杆III906一端铰接到铰接座II903上，另一端与施力连杆907采用螺纹联接；连杆I904与连杆III906通过连杆II905铰接；止动销908安装到连杆III906上，压盖909放置到静环组件3上。

试验工艺如下：

测量静环组件3的安装自由高度、测试腔壳体101上端面距离动环204上表面的距离，根据机械密封所需的压缩量，更换所需厚度的调整垫片6。

驱动施力连杆907，会使连杆III906绕铰接座II903转动，带动连杆II运动，连杆II会带动连杆I绕铰接座I转动，同时会使滚花平头螺钉910运动。施力连杆907在水平位置时为非工作状态，此时滚花平头螺钉910远离压盖909；施力连杆907在竖直位置时，与止动销908接触处于工作状态，此时滚花平头螺钉910压紧压盖909，压盖909向下移动将力作用于静环组件3，进而力向下传递到O型橡胶圈4，使O型橡胶圈4变形达到测试腔壳体1密封的效果。

此时一侧接管嘴102连接压力气源，另一侧接管嘴102连接压力传感器；此时通过调节气源的压力，测量测试腔壳体101内的压力及力传感器7的受力情况，可以得到不同压力下的机械密封端面比压的受力情况。

需要说明的是，调整垫片6可以设置为多种规格，以适应机械密封静环组件不同的压缩量的需求。可通过调整滚花平头螺钉910上下的位置，从而调节对压盖909施加的压力大小。施力连杆907工作状态时处于竖直位置，压紧机构9处于自锁状态，可稳定保持压紧状态。

需要特别指出的是，直线轴承5可以是同一规格也可以是不同规格，只需与之配合的主轴201的直径进行适应性变化。

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机械密封端面比压测量装置，其特征在于，包括测量装置壳体(1)，试验轴系(2)，密封圈，调整垫片(6)，力传感器(7)，压盖(909)和压紧机构(9)；

测量装置壳体(1)包括底座(105)，支腿(104)，测试腔壳体(101)和定位壳体(103)；定位壳体(103)通过支腿(104)支撑于底座(105)上，测试腔壳体(101)固定安装于定位壳体(103)上方；试验轴系(2)包括主轴(201)；力传感器(7)设于底座(105)上；

机械密封中的动环(204)安装于主轴(201)上，主轴(201)安装于定位壳体(103)上且可相对于定位壳体(103)上下移动，主轴(201)下端通过调整垫片(6)与力传感器(7)作用，动环(204)位于测试腔壳体(101)内部；

测试腔壳体(101)上端置有密封圈，机械密封中的静环组件(3)置于密封圈上且与动环(204)接触，压盖(909)置于静环组件(3)上方后，压紧机构(9)向下压紧压盖(909)，将静环组件(3)压紧在测试腔壳体(101)上端，测试腔壳体(101)内部形成密封的测试腔，根据测试腔内部压力和力传感器(7)的受力得到机械密封端面比压。

2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，所还包括直线轴承(5)；

直线轴承(5)为2个，2个直线轴承(5)分别与定位壳体(103)的上端面和下端面固定连接且2个直线轴承(5)的轴线重合，均为竖直方向，主轴(201)通过直线轴承(5)安装于定位壳体(103)上。

3.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，所述调整垫片(6)的厚度根据静环组件(3)的安装自由高度、测试腔壳体(101)上端面距离动环(204)上表面的距离，以及机械密封所需的压缩量调整。

4.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，所述测试腔壳体(101)两侧分别设有接管嘴(102)，其中一侧所设接管嘴(102)与气源连接，另一侧所设接管嘴(102)与用于监测测试腔壳体(101)内部压力的压力传感器连接。

5.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，主轴(201)上设有平衡活塞，平衡活塞与测试腔壳体(101)间隙配合；

所述静环组件(3)与测试腔壳体(101)为间隙配合。

6.根据权利要求5所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，试验轴系(2)还包括安装于主轴(201)上的上轴套(203)，下轴套(205)和锁紧螺帽(202)；

下轴套(205)下端与平衡活塞上端接触，动环(204)通过下轴套(205)实现在主轴(201)上的定位，上轴套(203)安装于动环(204)上方，锁紧螺帽(202)压紧上轴套(203)并与主轴(201)螺纹连接，实现锁紧。

7.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，所述密封圈为O型橡胶圈(4)；

所述测试腔壳体(101)上端设有O型沟槽，O型橡胶圈(4)置于O型沟槽中，静环组件(3)压紧在测试腔壳体(101)上端并使O型橡胶圈(4)形变，实现静环组件(3)和测试腔壳体(101)之间的密封。

8.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，所述压紧机构(9)包括支架(901)，连杆I(904)，连杆II(905)，连杆III(906)，施力连杆(907)，止动销(908)和滚花平头螺钉(910)；

连杆I(904)一端与支架(901)一侧铰接，另一端与滚花平头螺钉(910)螺纹连接；连杆III(906)一端与支架(901)另一侧铰接，另一端与施力连杆(907)螺纹连接；连杆I(904)与连杆III(906)通过连杆II(905)铰接；止动销(908)安装于连杆I(904)上，止动销(908)用于限制连杆II(905)的转动，连杆II(905)与止动销(908)接触时，处于竖直状态；

施力连杆(907)驱动连杆III(906)转动，进而通过连杆II(905)带动连杆I(904)转动，进而带动滚花平头螺钉(910)向下压紧压盖(909)上端或向上远离压盖(909)上端；

当连杆II(905)与连杆III(906)均为竖直状态时，连杆I(904)末端的滚花平头螺钉(910)对压盖(909)产生竖直方向的压紧力，同时滚花平头螺钉(910)受到竖直方向的反作用力，实现压紧机构(9)的自锁。

9.根据权利要求8所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置，其特征在于，所述压紧机构(9)还包括安装于支架(901)上的铰接座I(902)和铰接座II(903)；

支架(901)安装于底座(105)上，连杆I(904)一端与支架(901)一侧通过铰接座I(902)铰接；连杆III(906)一端与支架(901)另一侧通过铰接座II(903)铰接。

10.一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的一种液体火箭发动机涡轮泵机械密封端面比压测量装置实现，包括以下步骤：

S1将力传感器(7)安装于底座(105)上，将定位壳体(103)通过支腿(104)支撑于底座(105)上，将测试腔壳体(101)固定安装于定位壳体(103)上方；

S2将机械密封中的动环(204)安装于主轴(201)上；

S3将调整垫片(6)置于力传感器(7)上；

S4将主轴(201)固定于定位壳体(103)上，使主轴(201)下端通过调整垫片(6)与力传感器(7)作用，动环(204)位于测试腔壳体(101)内部；

S5将密封圈置于测试腔壳体(101)上端，并将机械密封中的静环组件(3)置于密封圈上且与动环(204)接触；

S6压盖(909)置于静环组件(3)上方后，压紧机构(9)向下压紧压盖(909)，将静环组件(3)压紧在测试腔壳体(101)上端，测试腔壳体(101)内部形成密封的测试腔；

S7根据测试腔内部压力和力传感器(7)的受力得到机械密封端面比压。

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