CN115541134A - 氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置及方法 - Google Patents

氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢氧发动机涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置及方法，该装置包括壳体、主轴、动环I、动环II、静环组件I、静环组件II，静环组件I、静环组件II对称安装在壳体上，分别与安装在主轴上的两个动环接触组成双工位端面密封。该试验装置及方法应用于氢氧发动机涡轮泵低温高速端面密封的跑合试验、抽检试验及研究性试验，能够同时定量测量两组端面密封的泄漏量，考核两组端面密封产品的密封性能，试验效率提高1倍，试验成本降低一半。

Description

氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种可用于低温环境下运转的端面密封试验装置，尤其涉及一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，属于端面密封技术领域。
背景技术
端面密封广泛应用于液体火箭发动机涡轮泵中，端面密封具有可适应低温、高温、强腐蚀、氧化等环境。静环组件与动环配合使用组成端面密封。性能优良的端面密封是液体火箭发动机涡轮泵高效、稳定工作的前提，为验证端面密封的可靠性需开展低温环境下(-190℃以下)运转性能考核。
随着火箭发射频率的不断提高，对低温端面密封的需求大幅增加，端面密封考核试验任务量激增，受现有低温端面密封试验装置的结构限制，一次装配仅能考核一组端面密封，试验效率低，与型号产品需求量的日益增加产生矛盾，是制约火箭发动机涡轮泵研制、交付的薄弱环节。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种氢氧发动机涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置及方法，一次运转试验可同时考核两套端面密封，试验效率提高1倍，试验成本降低一半。
本发明的技术解决方案是：
一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，包括壳体、主轴、前轴承、前轴承锁紧螺母、动环I、前转接座、前端盖密封垫片、前端盖、动环垫片I、前锁紧螺帽、焊接接管嘴、静环组件I、静环组件密封垫片I、前转接座密封垫片、旋入接管嘴、后轴承、轴承压盖、后转接座密封垫片、后转接座、后端盖密封垫片、后端盖、后锁紧螺帽、密封组件、动环垫片II、动环II、静环组件II、皮碗压盖、静环组件密封垫片II；
壳体内部开有阶梯形腔体，前轴承和前轴承锁紧螺母安装到壳体内部腔体中，前轴承锁紧螺母将前轴承的外圈固定；主轴位于壳体的腔体中，且穿过前轴承的内圈与前轴承通过台阶进行限位；后轴承的内圈安装在主轴的轴肩上；轴承调整垫片安装在后轴承的外圈上，轴承压盖安装在壳体上，并压紧轴承调整垫片以消除轴承的游隙达到轴承预紧的作用；动环II套装在主轴上，动环垫片II安装在动环II上，后锁紧螺帽螺接在主轴上，并与动环垫片II接触，达到固紧的作用；
后转接座密封垫片安装在壳体密封槽中，后转接座压紧后转接座密封垫片，并通过螺栓安装在壳体上；静环组件密封垫片II安装在后转接座上，静环组件II压紧静环组件密封垫片II，并通过螺栓安装在后转接座上，静环组件II与动环II接触，静环组件II处于压缩状态，起到密封的效果；
后端盖密封垫片安装在壳体上，后端盖压紧后端盖密封垫片，并通过螺栓安装在壳体上；将密封组件安装在后端盖上，并用皮碗压盖压紧，皮碗压盖用螺栓安装在后端盖上；
动环I套装在主轴上，动环垫片I安装在动环I上，前锁紧螺帽螺接在主轴上，并与动环垫片I接触，达到固紧的作用；
前转接座密封垫片安装在壳体上，前转接座压紧前转接座密封垫片，并通过螺栓安装在壳体上；静环组件密封垫片I安装在前转接座上，静环组件I压紧静环组件密封垫片I，并通过螺栓安装在前转接座上，静环组件I与动环I相接触，静环组件I处于压缩状态，起到密封的效果；前端盖密封垫片安装在壳体上，前端盖压紧前端盖密封垫片，并通过螺栓安装在壳体上；
所述动环I与静环组件I接触形成端面密封I，动环II与静环组件II接触形成端面密封II，端面密封I和端面密封II之间的腔体为密封腔；密封腔通过壳体侧壁上的旋入接管嘴与试验系统连接；前端盖与端面密封I形成泄漏腔I；通过密封组件密封后的后端盖与端面密封II形成泄漏腔II；泄漏腔I采用焊接接管嘴与试验系统连接，泄漏腔II通过壳体侧壁上的旋入接管嘴与试验系统连接。
优选的，密封组件包括多组交替布置的隔环和皮碗。
优选的，还包括前轴套和后轴套；
后轴套套装在主轴后端，并与后轴承的内圈接触，动环II套装在主轴上时与后轴套的一端接触；
前轴套套装在主轴前端，并与前轴承的内圈接触，动环I套装在主轴上时与前轴套的一端接触。
优选的，所有零件配合均为间隙配合，能反复拆装。
优选的，轴承调整垫片能按照轴承预紧需求，设置为不同规格。
优选的，所述前轴承作为固定端；后轴承作为调整端，通过轴承调整垫片对后轴承施加不同的预紧力，实现对前轴承和后轴承轴向游隙的调整。
优选的，在焊接接管嘴和旋入接管嘴处设置温度传感器和压力传感器，以监测密封腔和泄漏腔I、泄漏腔II的温度、压力。
优选的，试验介质从密封腔底部进入、从密封腔上方流出；试验介质经过端面密封I到达泄漏腔I，经过端面密封II到达泄漏腔II。
采用所述装置实现的氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验方法，包括：
试验装置通过壳体的安装孔与试验系统的安装支架连接，同时主轴与驱动系统的输出轴通过联轴器进行连接；
试验装置通过旋入接管嘴、焊接接管嘴两种接头形式与试验系统连接；
通过试验系统通入低温介质对试验装置进行预冷；
预冷完成后，设定试验参数，通过驱动装置驱动主轴旋转；
测量泄漏腔I的介质流量Q1，泄漏腔II的介质流量Q2，完成双工位端面密封。
优选的，由于主轴介质流量Q2存在误差，泄漏腔II的实际介质流量Q2Real满足Q2Real＝QIN-QOUT-Q1，其中QIN为进入密封腔的介质流量、QOUT为从密封腔流出的介质流量。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明实现了1次装配同时考核两套端面密封的目标，试验效率较之前提高1倍，试验成本降低了一半。
(2)本发明装配顺序、装配难度与单工位端面密封试验装置并无区别，最大程度上保持了单工位端面密封试验装置的装配习惯，不产生额外工作量。
(3)本发明采用端面密封对称的安装方式，可抵消低端面密封作用在轴系的的反作用力，提高了轴系运转的稳定性，延长了轴承的使用寿命。
附图说明
图1为一种氢氧发动机涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置结构图；
图2为一种氢氧发动机涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置的试验介质流向及流量测量原理图。
具体实施方式
本发明利用试验装置的结构空间，采用端面密封对称的安装方式，在轴承的两侧分别安装端面密封，可抵消轴向力的同时形成一个密封腔，两侧形成两个泄漏腔，并对两个泄漏腔的泄漏量分别进行测量，两个端面密封同时运转，分别评估两个端面密封的密封能力。
如图1所示，一种氢氧发动机涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置包括壳体1、主轴2、前轴承3、前轴承锁紧螺母4、前轴套5、动环I6、前转接座7、前端盖密封垫片8、前端盖9、动环垫片I10、前锁紧螺帽11、焊接接管嘴12、静环组件I13、静环组件密封垫片I14、前转接座密封垫片15、旋入接管嘴16、后轴承17、轴承调整垫片18、轴承压盖19、后轴套20、后转接座密封垫片21、后转接座22、后端盖密封垫片23、后端盖24、后锁紧螺帽25、隔环26、皮碗27、动环垫片II28、动环II29、静环组件II30、皮碗压盖31、静环组件密封垫片II32。
将壳体1前端朝上，前轴承3安装到壳体上，前轴承锁紧螺母4安装在壳体1上，将前轴承3的外圈固定；将壳体1后端朝上，将主轴2安装到前轴承3的内圈上；将后轴承17的内圈安装在主轴2的轴肩上；将轴承调整垫片18安装在后轴承17的外圈上，并将轴承压盖19安装在壳体1上，并压紧轴承调整垫片18进而消除轴承的游隙达到轴承预紧的作用。
将后轴套20安装在主轴2上，并与后轴承17的内圈接触，将动环II29安装在主轴2上，并与后轴套20的一端接触，将动环垫片II28安装在动环II29上，将后锁紧螺帽25螺接在主轴2上，并与动环垫片II28接触，达到固紧的作用。
将后转接座密封垫片21安装在壳体1上，将后转接座22压紧后转接座密封垫片21，并通过螺栓安装在壳体1上；将静环组件密封垫片II32安装在后转接座22上，将静环组件II30压紧静环组件密封垫片II32，并通过螺栓安装在后转接座22上；静环组件II30与动环II29接触，静环组件II30处于压缩状态，起到密封的效果。
将后端盖密封垫片23安装在壳体1上，将后端盖24压紧后端盖密封垫片23，并通过螺栓安装在壳体1上；将密封组件(三组隔环26和皮碗27交替布置)安装在后端盖24上，并用皮碗压盖31压紧，皮碗压盖31用螺栓安装在后端盖24上。
将壳体1前端朝上，将前轴套5安装在主轴2上，并与前轴承3的内圈接触，将动环I6安装在主轴2上，并与前轴套5的一端接触，将动环垫片I10安装在动环I6上，将前锁紧螺帽11螺接在主轴2上，并与动环垫片I10接触，达到固紧的作用。
将前转接座密封垫片15安装在壳体1上，将前转接座7压紧前转接座密封垫片15，并通过螺栓安装在壳体1上；将静环组件密封垫片I14安装在前转接座7上，将静环组件I13压紧静环组件密封垫片I14，并通过螺栓安装在前转接座7上；静环组件I13与动环I6相接触，静环组件I13处于压缩状态，起到密封的效果。
将前端盖密封垫片8安装在壳体1上，将前端盖9压紧前端盖密封垫片8，并通过螺栓安装在壳体1上。
将焊接接管嘴12焊接在前端盖9上，将旋入接管嘴16安装在壳体1侧壁上。
所有零件配合处均为间隙配合，以便方便反复拆装。
需要指出的是，轴承调整垫片18可以设置为多种规格，以适应轴承预紧的需求。
所述主轴2水平放置，中间安装2套轴承3、17，前、后端分别安装1组端面密封。主轴2在试验驱动系统的驱动下，转速能够达到40000r/min以上。
试验工艺如下：
试验装置装配完成之后，通过试验装置壳体1的安装孔与试验系统的安装支架连接，同时主轴2与试验驱动系统的输出轴通过联轴器进行连接，提供试验的动力；低温介质系统与壳体1的旋入接管嘴16进行连接，提供低温运转的试验介质，同时提供轴承的冷却；测量系统通过旋入接管嘴16对密封腔、泄漏腔I、泄漏腔II的温度、压力进行测量，同时泄漏管路系统也通过旋入接管嘴16、焊接接管嘴12进行连接，并在管路上增加流量计对泄漏量进行测量。
如图2所示，对于采用皮碗密封与端面密封共同组成的泄漏腔II，由于主轴旋转与皮碗27发生摩擦，可能皮碗会存在介质泄漏，导致测得端面密封II的泄漏量Q2不准确。为此对试验介质的入口、出口、两侧泄漏的流量都进行测量，分别记为QIN、QOUT、Q1、Q2，端面密封II的泄漏量为Q2Real＝QIN-QOUT-Q1。
本发明静环组件I、静环组件II对称安装在壳体上，分别与安装在主轴上的两个动环接触组成双工位端面密封。该试验装置应用于氢氧发动机涡轮泵低温高速端面密封的跑合试验、抽检试验及研究性试验，将端面密封产品(静环组件和动环)装配到本发明试验装置中，模拟发动机涡轮泵的工况，同时定量测量两组端面密封的泄漏量，考核两组端面密封产品的密封性能，测试效率提高了一倍。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：包括壳体(1)、主轴(2)、前轴承(3)、前轴承锁紧螺母(4)、动环I(6)、前转接座(7)、前端盖密封垫片(8)、前端盖(9)、动环垫片I(10)、前锁紧螺帽(11)、焊接接管嘴(12)、静环组件I(13)、静环组件密封垫片I(14)、前转接座密封垫片(15)、旋入接管嘴(16)、后轴承(17)、轴承压盖(19)、后转接座密封垫片(21)、后转接座(22)、后端盖密封垫片(23)、后端盖(24)、后锁紧螺帽(25)、密封组件、动环垫片II(28)、动环II(29)、静环组件II(30)、皮碗压盖(31)、静环组件密封垫片II(32)；
壳体(1)内部开有阶梯形腔体，前轴承(3)和前轴承锁紧螺母(4)安装到壳体内部腔体中，前轴承锁紧螺母(4)将前轴承(3)的外圈固定；主轴(2)位于壳体的腔体中，且穿过前轴承(3)的内圈与前轴承(3)通过台阶进行限位；后轴承(17)的内圈安装在主轴(2)的轴肩上；轴承调整垫片(18)安装在后轴承(17)的外圈上，轴承压盖(19)安装在壳体(1)上，并压紧轴承调整垫片(18)以消除轴承的游隙达到轴承预紧的作用；动环II(29)套装在主轴(2)上，动环垫片II(28)安装在动环II(29)上，后锁紧螺帽(25)螺接在主轴(2)上，并与动环垫片II(28)接触，达到固紧的作用；
后转接座密封垫片(21)安装在壳体(1)密封槽中，后转接座(22)压紧后转接座密封垫片(21)，并通过螺栓安装在壳体(1)上；静环组件密封垫片II(32)安装在后转接座(22)上，静环组件II(30)压紧静环组件密封垫片II(32)，并通过螺栓安装在后转接座(22)上，静环组件II(30)与动环II(29)接触，静环组件II(30)处于压缩状态，起到密封的效果；
后端盖密封垫片(23)安装在壳体(1)上，后端盖(24)压紧后端盖密封垫片(23)，并通过螺栓安装在壳体(1)上；将密封组件安装在后端盖(24)上，并用皮碗压盖(31)压紧，皮碗压盖(31)用螺栓安装在后端盖(24)上；
动环I(6)套装在主轴(2)上，动环垫片I(10)安装在动环I(6)上，前锁紧螺帽(11)螺接在主轴(2)上，并与动环垫片I(10)接触，达到固紧的作用；
前转接座密封垫片(15)安装在壳体(1)上，前转接座(7)压紧前转接座密封垫片(15)，并通过螺栓安装在壳体(1)上；静环组件密封垫片I(14)安装在前转接座(7)上，静环组件I(13)压紧静环组件密封垫片I(14)，并通过螺栓安装在前转接座(7)上，静环组件I(13)与动环I(6)相接触，静环组件I(13)处于压缩状态，起到密封的效果；前端盖密封垫片(8)安装在壳体(1)上，前端盖(9)压紧前端盖密封垫片(8)，并通过螺栓安装在壳体(1)上；
所述动环I(6)与静环组件I(13)接触形成端面密封I，动环II(29)与静环组件II(30)接触形成端面密封II，端面密封I和端面密封II之间的腔体为密封腔；密封腔通过壳体(1)侧壁上的旋入接管嘴(16)与试验系统连接；前端盖(9)与端面密封I形成泄漏腔I；通过密封组件密封后的后端盖(24)与端面密封II形成泄漏腔II；泄漏腔I采用焊接接管嘴(12)与试验系统连接，泄漏腔II通过壳体(1)侧壁上的旋入接管嘴(16)与试验系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：密封组件包括多组交替布置的隔环(26)和皮碗(27)。
3.根据权利要求1所述的一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：还包括前轴套(5)和后轴套(20)；
后轴套(20)套装在主轴(2)后端，并与后轴承(17)的内圈接触，动环II(29)套装在主轴(2)上时与后轴套(20)的一端接触；
前轴套(5)套装在主轴(2)前端，并与前轴承(3)的内圈接触，动环I(6)套装在主轴(2)上时与前轴套(5)的一端接触。
4.根据权利要求书1所述的一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：所有零件配合均为间隙配合，能反复拆装。
5.根据权利要求书1所述的一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：轴承调整垫片(18)能按照轴承预紧需求，设置为不同规格。
6.根据权利要求书1所述的一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：所述前轴承(3)作为固定端；后轴承(17)作为调整端，通过轴承调整垫片(18)对后轴承(17)施加不同的预紧力，实现对前轴承(3)和后轴承(17)轴向游隙的调整。
7.根据权利要求书1所述的一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：在焊接接管嘴(12)和旋入接管嘴(16)处设置温度传感器和压力传感器，以监测密封腔和泄漏腔I、泄漏腔II的温度、压力。
8.根据权利要求书1所述的一种氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验装置，其特征在于：试验介质从密封腔底部进入、从密封腔上方流出；试验介质经过端面密封I到达泄漏腔I，经过端面密封II到达泄漏腔II。
9.采用权利要求1-8任一项所述装置实现的氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验方法，其特征在于，包括：
试验装置通过壳体的安装孔与试验系统的安装支架连接，同时主轴与驱动系统的输出轴通过联轴器进行连接；
试验装置通过旋入接管嘴(16)、焊接接管嘴(12)两种接头形式与试验系统连接；
通过试验系统通入低温介质对试验装置进行预冷；
预冷完成后，设定试验参数，通过驱动装置驱动主轴旋转；
测量泄漏腔I的介质流量Q1，泄漏腔II的介质流量Q2，完成双工位端面密封。
10.根据权利要求9所述的氢氧涡轮泵低温高速双工位端面密封试验方法，其特征在于，由于主轴(2)旋转与密封组件密封摩擦，因此密封处会存在介质泄漏，导致测得泄漏腔II的介质流量Q2存在误差，泄漏腔II的实际介质流量Q2Real满足Q2Real＝QIN-QOUT-Q1，其中QIN为进入密封腔的介质流量、QOUT为从密封腔流出的介质流量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116718361A (zh) * 2023-05-19 2023-09-08 江苏海洋大学 一种自冲击密封实验装置

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