CN116006502A

CN116006502A - 一种低温火箭发动机涡轮泵双向浮动环隔离动密封装置

Info

Publication number: CN116006502A
Application number: CN202211206922.9A
Authority: CN
Inventors: 王珏; 安阳; 李小芬; 黄克松; 杨文静; 周丹洋; 陈钊; 叶小强; 沈文金
Original assignee: Beijing Aerospace Propulsion Institute
Current assignee: Beijing Aerospace Propulsion Institute
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-04-25

Abstract

一种低温火箭发动机涡轮泵双向浮动环隔离动密封装置，属于低温火箭发动机涡轮泵密封结构技术领域；密封壳体I、密封壳体II、盖板均为空心结构，空心部分安装密封轴套，一级浮动环置于由密封壳体II、密封壳体I、密封轴套组成的腔体内，二级浮动环置于由密封壳体II、盖板、密封轴套组成的腔体内，一级浮动环两侧设置凸台，腔体内压力变化使其某侧凸台与侧壁接触，二级浮动环靠近盖板的一侧设置凸台，通过预载力使凸台与侧壁接触；通过上述凸台实现径向接触密封；一级浮动环、二级浮动环与密封轴套之间设置间隙，在涡轮泵高速旋转时，利用在间隙形成液膜实现轴向密封。本发明满足在主级段控制泄漏量的双向密封装置，并提高了密封的可靠性。

Description

一种低温火箭发动机涡轮泵双向浮动环隔离动密封装置

技术领域

本发明涉及一种低温火箭发动机涡轮泵双向浮动环隔离动密封装置，尤其适用于低温火箭发动机，属于低温火箭发动机涡轮泵密封结构技术领域。

背景技术

进入21世纪以来，世界各航天大国纷纷提出载人火星和深空探测计划，大推力火箭是必不可少的运输工具，涡轮泵是火箭发动机的核心组件之一，而动密封是涡轮泵的关键零组件之一，其工作可靠性会影响整个发动机的成败。随着发动机推力的提高，涡轮泵转速、压力和轴径增大，动密封的滑动速度提高，涡轮泵动密封是一项技术难点。

涡轮泵动密封主要位于泵腔和涡轮腔之间，泵腔和涡轮腔设置动密封，主要功能是低温发动机预冷时，阻止泵端低温介质泄漏到涡轮腔，在发动机工作时，可允许泵端与涡轮端之间有少量泄漏以增加动密封的可靠性。由于动密封工作环境恶劣，接触式密封的密封面很容易被磨平，为了提高发动机的可靠性，选用非接触式密封。因此预冷段需引入隔离气体（氦气或氮气）建立高于泵腔预冷压力的隔离腔压力来隔离阻止泵腔介质泄漏到涡轮腔；在发动机主级段，隔离气撤离，动密封起动限流作用，减少泵腔介质泄漏到涡轮腔的泄漏量。

因此低温发动机涡轮泵动密封需具备双向密封的功能，且能在预冷段建立一个隔离腔，主级段限制密封泄漏量，因此发明了一种低温火箭发动机涡轮泵用双向浮动环隔离动密封装置。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为满足大推力低温火箭发动机在预冷阶段防止泵端低温介质泄漏至涡轮腔和主级控制泄漏量的要求，提出了一种双向浮动环隔离动密封装置，可以满足建立一个隔离腔实现预冷段泵腔介质零泄漏，并满足在主级段控制泄漏量的双向密封装置，并提高了密封的可靠性。

本发明解决技术的方案是：一种低温火箭发动机双向浮动环隔离动密封装置，包括一级浮动环、二级浮动环、密封壳体I、密封壳体II、盖板、密封轴套；

所述密封壳体I、密封壳体II、盖板均为空心结构，三者依顺序连接并由空心部分组成一个中心通孔，所述中心通孔内安装密封轴套，一级浮动环置于由密封壳体II、密封壳体I、密封轴套组成的腔体内，二级浮动环置于由密封壳体II、盖板、密封轴套组成的腔体内，所述一级浮动环两侧设置凸台，根据腔体内压力变化导致一级浮动环所受合力方向的改变，实现一级浮动环的某侧凸台与侧壁接触，二级浮动环靠近盖板的一侧设置凸台，通过预载力使凸台与侧壁接触；通过上述凸台实现径向接触密封；所述一级浮动环、二级浮动环与所述密封轴套之间设置间隙，利用涡轮泵高速旋转在所述间隙形成液膜的方式实现轴向密封。

优选的，所述一级浮动环、二级浮动环的中心孔均为圆柱孔与锥孔结合的方式，通过中心孔的内径与密封轴套之间的间隙实现轴向密封；所述锥孔的锥度比在1.5~2.0范围内。

优选的，所述锥孔的锥度比优选1.8。

优选的，所述的间隙为0.04~0.08mm。

优选的，一级浮动环、二级浮动环的锥孔均安装在正面，即相对圆柱孔，锥孔靠近泵腔。

优选的，所述一级浮动环、二级浮动环均由两部分组成，外部为带防转凸台的金属结构件，内部为石墨结构件，二者过盈配合。

优选的，所述浮动环内径喷涂聚四氟乙烯，密封轴套喷涂氧化铬涂层。

优选的，一级浮动环、二级浮动环凸台采用研磨工艺，粗糙度不大于0.1；在密封壳体I、密封壳体II、盖板上与一级浮动环、二级浮动环凸台接触的部位同样设置凸台，所有凸台采用研磨工艺，粗糙度不大于0.1。

优选的，在密封壳体I上设置通道，所述通道与由一级浮动环、密封壳体II、密封壳体I、密封轴套组成的腔体连通；用于在预冷时，通过通道吹入常温隔离气体，隔离气压力和预载力的合力使一级浮动环涡轮腔侧凸台与密封壳体I的凸台贴合，两级浮动环与密封壳体I、密封壳体II、盖板共同形成隔离腔，隔离腔压力高于泵腔预冷介质压力，防止低温介质进入涡轮腔；在主级段，隔离气撤离，一级浮动环所受合力方向改变，一级浮动环在合力作用下向涡轮端移动，涡轮侧凸台与密封壳体II凸台贴合，一级浮动环和二级浮动环一起限制泵腔介质流入涡轮腔。

优选的，二级浮动环一侧安装波形弹簧，通过波形弹簧提供的预载力使靠近盖板的一侧的凸台与侧壁始终保持接触。

优选的，该动密封装置放置在涡轮泵的泵腔和涡轮腔之间，密封壳体I侧为泵腔，盖板侧为涡轮腔。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明装置采用两道浮动环，其中一级浮动环引入双向密封凸台结构，双向密封凸台可以实现预冷阶段和主级阶段不同方向的密封功能，适用于大推力低温发动机涡轮泵动密封。

（2）二级浮动环与一级浮动环共同建立隔离腔，预冷阶段提供隔离腔压力，可以起到防止预冷泵端介质泄漏到涡轮腔，主级段二级浮动环与一级浮动环一起限制泵腔介质泄漏，减少泄漏量，作为冗余设计，提供了密封的可靠性。

（3）浮动环设计为锥孔结构，提高了浮起力，锥度比范围1.5~2.0，优选1.8，具有优越的起动工作性能，浮动环工作时偏心率小，使其磨损量小于光滑孔式浮动环，适用于大推力低温发动机涡轮泵动密封；

（4）本发明装置密封效果好，可靠性高，可以实现超过40次重复启动要求。

附图说明

图1为本发明双向浮动环隔离密封组件示意图;

图2 为本发明一级浮动环密封示意图;

图3为本发明二级浮动环结构示意图;

图4 为本发明密封壳体I结构示意图;

图5 为本发明密封壳体II结构示意图;

图6为本发明盖板结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明的一种低温火箭发动机涡轮泵双向浮动环隔离动密封装置，其结构由一级浮动环1、二级浮动环2，密封壳体I3、密封壳体II4、盖板5、密封轴套6、螺栓7组成，具体见附图1。

所述密封壳体I3、密封壳体II4、盖板5均为空心结构，三者依顺序连接并由空心部分组成一个中心通孔（密封壳体I3外侧设置了与密封壳体II4连接的法兰，密封壳体II4与盖板5法兰连接，如图1所示，三者通过螺钉7实现最终的连接），所述中心通孔内安装密封轴套6，一级浮动环1置于由密封壳体II、密封壳体I、密封轴套组成的腔体内，二级浮动环2置于由密封壳体II、盖板、密封轴套组成的腔体内，所述一级浮动环两侧设置凸台，根据腔体内压力变化造成一级浮动环所受合力的变化推动一级浮动环的某侧凸台与密封壳体侧壁接触，二级浮动环靠近盖板的一侧设置凸台，通过预载力使凸台与盖板侧壁接触；通过上述凸台实现径向接触密封；所述一级浮动环、二级浮动环与所述密封轴套之间设置间隙，利用涡轮泵高速旋转在所述间隙形成液膜的方式实现轴向密封。

双向浮动环隔离动密封装置中，该动密封装置放置在涡轮泵的泵腔和涡轮腔之间，在预冷时，在密封壳体I3通道吹入常温隔离气体（氦气或氮气），在一级浮动环1和二级浮动环2之间形成隔离腔，隔离腔压力高于泵腔预冷介质压力，防止低温介质进入涡轮腔；在主级段，隔离气撤离，此时一级浮动环1和二级浮动环2一起限制泵腔介质流入涡轮腔。

浮动环密封存在轴向密封和径向密封两个泄漏面，轴向密封是浮动环内径和密封轴套6形成的0.04~0.08mm的小间隙节流，径向密封是浮动环侧面凸台和密封壳体接触形成的接触密封。

一级浮动环1设置双侧密封凸台结构，见附图2，实现双向密封作用。在预冷时，通入隔离气，一级浮动环的背面压力与预载力的合力高于正面压力，正面密封凸台与密封壳体I3接触，实现径向密封，限制隔离气消耗量，与二级浮动环2、密封壳体I3、密封壳体II4和盖板5共同构成一个高压力隔离腔，防止泵腔低温介质泄漏至涡轮腔。在主级段，隔离气撤离，随着发动机启动，泵腔压力逐渐升高，直至高于涡轮腔，一级浮动环1所受合力改变方向，指向涡轮端，在合力作用下，背面密封凸台与密封壳体II4接触。

二级浮动环2的合力始终是指向涡轮侧，只在单侧设置密封凸台，凸台与盖板5接触（由安装在二级浮动环一侧的碟簧提供预载力），预冷时配合实现密封隔离腔，维持一个高压力隔离腔。主级时，与一级浮动环一起限制泵腔介质泄漏，二级浮动环此时进一步减少了泄漏量，降低了一级浮动环的工况，同时也是冗余设计，提高了密封的可靠性。

一级浮动环和二级浮动环都设置为锥孔结构，锥度比在1.5~2.0范围内，优选为1.8，有利于提高浮动力，具有优越的起动工作性能，浮动环工作时偏心率小，使其磨损量小于光滑孔式浮动环，适用于大推力低温发动机涡轮泵动密封见附图2和附图3。

一级浮动环和二级浮动环都设置防转凸台，密封壳体I、盖板设置防转卡槽，见附图4和附图6。本例中一级浮动环的防转凸台与设置在密封壳体I上的防转卡槽配合；二级浮动环的防转凸台与设置在盖板上的防转卡槽配合。

本发明中在密封壳体I、密封壳体II（图5）、盖板上与一级浮动环、二级浮动环凸台接触的部位同样设置凸台，为了提高一级浮动环和二级浮动环径向密封的密封性，密封壳体凸台、浮动环凸台均采用研磨工艺，粗糙度不大于0.1。

浮动环内径喷涂聚四氟乙烯，密封轴套喷涂氧化铬涂层，改善起动碰磨性能。

下面给出本发明具体的操作步骤：

加工浮动环凸台、密封壳体凸台，研磨凸台以保证工作面粗糙度要求，加工后浮动环内孔表面和工作面喷涂聚四氟乙烯，提供表面润滑，减小摩擦系数。

为防止浮动环转动，浮动环座外表面对称加工两个防转凸台；将石墨环压入加热的浮动环座，组装后进行液氮浸泡，消除热应力。

安装双向浮动环密封组件：首先将一级浮动环防转凸台置于密封壳体I的防转卡槽内，再将密封壳体II安装上，将二级浮动环装入，并保证浮动环径向密封凸台朝上，再将盖板盖上，最后用螺栓将盖板和密封壳体II与密封壳体I固定在一起。

双向浮动环在预冷阶段时，一级浮动环正面与密封壳体I密封面形成径向密封；在主级阶段时，保证双向浮动环背面与密封壳体II密封面形成径向密封，并保证浮动环正常浮起。

为防止浮动环磨损，浮动环锥孔安装在正面，增大浮动环浮起力。

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。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims

1.一种低温火箭发动机双向浮动环隔离动密封装置，其特征在于：包括一级浮动环、二级浮动环、密封壳体I、密封壳体II、盖板、密封轴套；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述一级浮动环、二级浮动环的中心孔均为圆柱孔与锥孔结合的方式，通过中心孔的内径与密封轴套之间的间隙实现轴向密封；所述锥孔的锥度比在1.5~2.0范围内。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述锥孔的锥度优选1.8。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述的间隙为0.04~0.08mm。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：一级浮动环、二级浮动环的锥孔均安装在正面，即相对圆柱孔，锥孔靠近泵腔。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述一级浮动环、二级浮动环均由两部分组成，外部为带防转凸台的金属结构件，内部为石墨结构件，二者过盈配合。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述浮动环内径喷涂聚四氟乙烯，密封轴套喷涂氧化铬涂层。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：一级浮动环、二级浮动环凸台采用研磨工艺，粗糙度不大于0.1；在密封壳体I、密封壳体II、盖板上与一级浮动环、二级浮动环凸台接触的部位同样设置凸台，所有凸台采用研磨工艺，粗糙度不大于0.1。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在密封壳体I上设置通道，所述通道与由一级浮动环、密封壳体II、密封壳体I、密封轴套组成的腔体连通；用于在预冷时，通过通道吹入常温隔离气体，隔离气压力和预载力的合力使一级浮动环涡轮腔侧凸台与密封壳体I的凸台贴合，两级浮动环与密封壳体I、密封壳体II、盖板共同形成隔离腔，隔离腔压力高于泵腔预冷介质压力，防止低温介质进入涡轮腔；在主级段，隔离气撤离，一级浮动环所受合力方向改变，一级浮动环在合力作用下向涡轮端移动，涡轮侧凸台与密封壳体II凸台贴合，一级浮动环和二级浮动环一起限制泵腔介质流入涡轮腔。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：二级浮动环一侧安装波形弹簧，通过波形弹簧提供的预载力使靠近盖板一侧的凸台与侧壁始终保持接触。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该动密封装置放置在涡轮泵的泵腔和涡轮腔之间，密封壳体I侧为泵腔，盖板侧为涡轮腔。