CN117553001A - 一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，至少包括同轴套设在主轴上的氧泵、燃泵和涡轮，所述燃泵设置在所述氧泵和所述涡轮之间。所述氧泵在靠近所述燃泵的一侧设置氧泵密封装置，所述燃泵在靠近所述氧泵的一侧设置燃泵密封装置，所述涡轮在靠近所述燃泵的一侧设置涡轮密封装置。本发明的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，解决了低温泵抗汽蚀性能差、轴承可靠性低、轴向力平衡困难等多个难题。

Description

一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构

技术领域

本发明涉及火箭发动机技术领域，特别是涉及一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构。

背景技术

泵压式液体火箭发动机广泛地应用于大型运载火箭、航天飞机和其它航天运载器中，作为主动力装置为运载工具提供推力。通常箭体贮箱推进剂压力较低，采用涡轮泵对推进剂增压可显著提高发动机燃烧室的压力，从而获得较高的发动机比冲性能。

涡轮泵是泵压式液体火箭发动机的核心组件，主要由氧化剂泵、燃料泵和涡轮组成。来自燃气发生器的高温高压燃气驱动涡轮旋转，氧化剂和燃料经离心泵增压后由低压贮箱供应至高压燃烧室。

对于双低温的涡轮泵需充分的考虑总体布局、轴承冷却、轴向力平衡的影响，以提高涡轮泵的可靠性，同时还需进行特殊的设计，以避免故障升级。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构。

本发明提供了一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，至少包括同轴套设在主轴上的氧泵、燃泵和涡轮，所述燃泵设置在所述氧泵和所述涡轮之间；所述氧泵在靠近所述燃泵的一侧设置氧泵密封装置，所述燃泵在靠近所述氧泵的一侧设置燃泵密封装置，所述涡轮在靠近所述燃泵的一侧设置涡轮密封装置；所述燃泵包括燃泵低压壳体、燃泵高压壳体、燃泵诱导轮、燃泵离心轮、燃泵调整垫、平衡活塞环和燃泵轴承组件；所述燃泵低压壳体开设有燃泵入口，所述涡轮密封装置安装在所述燃泵高压壳体和所述涡轮之间；所述燃泵诱导轮、所述燃泵离心轮和所述燃泵调整垫依次套设在所述主轴上，其中所述燃泵诱导轮靠近所述氧泵设置，通过设置在所述燃泵诱导轮靠近所述氧泵一侧的第一压紧件，将所述燃泵诱导轮、所述燃泵离心轮和所述燃泵调整垫轴向压紧；所述平衡活塞环一侧与所述燃泵高压壳体固定连接，另一侧与所述燃泵离心轮远离所述燃泵诱导轮的一侧间隔设置；所述燃泵轴承组件套设在所述主轴与所述燃泵高压壳体之间，其轴向靠近所述氧泵的一侧通过转子支撑碟簧被所述平衡活塞环压紧在所述燃泵高压壳体的轴向端面，以限制所述燃泵轴承组件朝向所述涡轮方向移动；涡轮泵工作时，所述主轴在轴向力作用下，能够带动所述燃泵诱导轮、所述燃泵离心轮和所述燃泵调整垫一同朝向氧泵的方向移动，所述燃泵轴承组件能够在所述主轴的带动下压紧所述转子支撑碟簧使其变形，从而实现所述燃泵轴承组件随着所述主轴一同移动。

在一个实施例中，所述燃泵轴承组件包括:依次套设在所述主轴的第一燃泵轴承、第一轴套和第二燃泵轴承，以及设置在所述第一燃泵轴承和所述第二燃泵轴承外径的燃泵轴承座；所述第一轴套设置在所述第一燃泵轴承和所述第二燃泵轴承之间径向内侧；所述燃泵轴承座内径设有第一凸台，所述第一凸台设置在所述第一燃泵轴承和所述第二燃泵轴承之间径向外侧；所述燃泵轴承座轴向一侧通过所述转子支撑碟簧与所述平衡活塞环连接，另一侧在所述转子支撑碟簧的作用下被压紧在所述燃泵高压壳体。

在一个实施例中，所述氧泵包括氧泵壳体，以及靠近所述燃泵依次套设在所述氧泵壳体与所述主轴之间的氧泵轴承组件、氧泵离心轮和氧泵诱导轮；所述氧泵壳体开设有氧泵入口；所述主轴在所述氧泵与所述燃泵之间的位置套设有密封轴套，所述氧泵轴承组件与所述氧泵离心轮之间设有第二压紧件，所述第二压紧件将所述氧泵轴承组件和所述密封轴套轴向压紧；所述氧泵诱导轮和所述氧泵离心轮通过花键与所述主轴连接传递扭矩，通过轴端螺钉与所述主轴连接，将所述氧泵诱导轮和所述氧泵离心轮轴向压紧。

在一个实施例中，所述氧泵轴承组件包括依次套设在所述主轴的第一氧泵轴承、第二轴套和第二氧泵轴承，以及设置在所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承外径的氧泵轴承座；所述第二轴套设置在所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承之间径向内侧；所述氧泵轴承座内径设有第二凸台，所述第二凸台设置在所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承之间径向外侧；所述第一氧泵轴承被所述第二压紧件压紧，从而将所述第一氧泵轴承、所述第二轴套和所述第二氧泵轴承压紧在所述密封轴套。

在一个实施例中，所述氧泵壳体在所述氧泵离心轮的位置设有迷宫密封槽，所述迷宫密封槽设有银层。

在一个实施例中，所述氧泵密封装置和所述燃泵密封装置均设置在所述密封轴套外侧；所述燃泵密封装置包括燃泵密封壳体、燃泵密封盖板、第一浮动环和第一波簧；所述燃泵密封壳体与所述燃泵密封盖板同轴设置，所述燃泵密封盖板靠近所述燃泵诱导轮；所述燃泵密封壳体与所述燃泵密封盖板径向外侧固定连接，径向内侧具有容纳所述第一浮动环和所述第一波簧的空间；所述第一浮动环内径与所述密封轴套外径小间隙配合，所述第一波簧设置在所述第一浮动环和所述燃泵密封盖板之间，所述燃泵密封盖板压紧所述第一波簧，从而将所述第一浮动环压紧在所述燃泵密封壳体。

在一个实施例中，所述氧泵密封装置包括氧泵密封壳体、氧泵密封盖板、第二浮动环和第二波簧；所述氧泵密封壳体与所述氧泵密封盖板同轴设置，所述氧泵密封盖板靠近所述第二氧泵轴承且与其间隔设置；所述氧泵密封壳体与所述氧泵密封盖板径向外侧固定连接，径向内侧具有容纳所述第二浮动环和所述第二波簧的空间；所述第二浮动环内径与所述密封轴套外径小间隙配合，所述第二波簧设置在所述第二浮动环和所述氧泵密封盖板之间，所述氧泵密封盖板压紧所述第二波簧，从而将所述第二浮动环压紧在所述氧泵密封壳体。

在一个实施例中，所述涡轮包括涡轮壳体、涡轮密封装置和涡轮叶盘；所述涡轮叶盘设置在所述涡轮壳体内，且与所述主轴固定连接；其中，所述涡轮壳体包括涡轮进气壳体和涡轮排气壳体，所述涡轮进气壳体设有涡轮进气口，所述涡轮排气壳体设有涡轮排气口；所述涡轮密封装置包括与所述燃泵高压壳体固定连接的涡轮密封壳体，以及设置在燃泵高压壳体和涡轮密封壳体之间径向内侧空间里的涡轮浮动环和第三波簧；所述涡轮密封壳体内径与所述主轴外径形成端面密封，其外径与所述涡轮进气壳体形成端面密封。

在一个实施例中，所述主轴位于所述氧泵内的部分设有轴向流道，所述氧泵诱导轮和所述氧泵离心轮对接的贴合面设有与所述轴向流道连通的第一回流孔，所述氧泵密封盖板和所述第二氧泵轴承之间设有与所述轴向流道连通的第二回流孔；所述轴向流道通过所述第一回流孔与所述氧泵入口处连通，所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承通过与氧泵离心轮之间的间隙和所述氧泵入口处连通，从而形成轴承冷却流路。

在一个实施例中，所述燃泵低压壳体在所述氧泵密封装置和所述燃泵密封装置之间设有惰性气体吹除装置。

与现有技术相比，本发明实施例的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构的有益效果至少包括如下之一：

1、氧泵端轴承座轴向不限位，可左右滑移，燃泵轴承座不可轴向右移，但可轴向左移。涡轮泵不工作时，转子支撑碟簧将燃泵轴承座顶紧于燃泵高压壳体端面，实现轴向右移限位；涡轮泵工作时转子组件在轴向力作用下左移，转子支撑碟簧压缩变形，提供燃泵轴承座左移空间，从而实现转子的自平衡。

2、氧泵轴承冷却流路和燃泵轴承冷却流路均设置为内循环，避免了在涡轮泵壳体外部设置回流管，降低了结构复杂性，提高了涡轮泵可靠性。

3、本发明的氧泵壳体和燃泵高压壳体设置双隔舌结构，可减小作用于离心轮的径向力，降低加工难度，同时可降低涡轮泵的振动。

4、氧泵壳体迷宫密封槽通过焊接方式增加银层，相较传统的镀银工艺，极大的简化了加工工艺，降低了加工成本，提高了银层的结合强度，降低了涡轮泵爆炸的风险。

5、本发明的各浮动环通过对应的波簧施加轴向预紧力，可保证力值精确可控。

6、本发明的泵端轴承和燃泵轴承选用成对使用的角接触球轴承，能够提高轴系的支承刚度，还能够保证轴系有较高的临界转速。即使任意一套轴承发生故障，其余轴承仍可提供足够的支承刚度，保证涡轮泵可以正常工作，提高了涡轮泵工作可靠性。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的液体发动机涡轮泵结构的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的氧泵和燃泵的整体结构示意图。

图3是本发明实施例的燃泵轴承组件结构示意图。

图4是本发明实施例的燃泵轴承的冷却流路示意图。

图5是本发明实施例的燃泵壳体双隔舌示意图。

图6是本发明实施例的氧泵壳体双隔舌示意图。

图7是本发明实施例的氧泵轴承组件结构示意图以及氧泵轴承冷却流路示意图。

图8是本发明实施例的氧泵密封装置和燃泵密封装置的结构示意图。

图9是本发明实施例的涡轮密封装置的结构示意图。

图10是本发明实施例的惰性气体吹除装置示意图。

图11是本发明实施例的转子组件结构示意图

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

本发明下文所述的左、右均以图1视角作出解释，也就是说下文提到的“右”是指图1的右向，“左”是指图1的左向。

参见图1、图2和图3，本发明提供了一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，至少包括同轴套设在主轴1上的氧泵2、燃泵3和涡轮4。燃泵3设置在氧泵2和涡轮4之间，氧泵2在靠近燃泵3的一侧设置氧泵密封装置5，燃泵3在靠近氧泵2的一侧设置燃泵密封装置6，涡轮4在靠近燃泵3的一侧设置涡轮密封装置7。为了减少介质流动损失，可以将氧泵入口设计为直入式，可明显提升氧泵汽蚀性能。燃泵入口可以远离涡轮设置，以防止涡轮端的高温燃气对低温介质加热，较低的介质温度能够提高燃泵汽蚀性能。

燃泵3包括燃泵低压壳体31、燃泵高压壳体32、燃泵诱导轮33、燃泵离心轮34、燃泵调整垫35、平衡活塞环36和燃泵轴承组件37。燃泵低压壳体31和燃泵高压壳体32对接的位置通过螺栓固定连接，燃泵低压壳体31在远离涡轮4的位置开设有燃泵入口A，以防止涡轮内的高温燃气对燃泵内的低温介质加温。燃泵高压壳体32靠近涡轮4设置且与涡轮壳体固定连接，同时在燃泵高压壳体32和涡轮4之间安装涡轮密封装置7，以实现燃泵3与涡轮4之间良好的密封。

燃泵诱导轮33、燃泵离心轮34和燃泵调整垫35依次套设在主轴1上，其中，燃泵诱导轮33靠近氧泵2设置，燃泵离心轮34安装在燃泵诱导轮33与燃泵调整垫35之间。燃泵诱导轮33和燃泵离心轮34通过花键与主轴1传扭，利用设置在燃泵诱导轮33靠近氧泵2一侧的第一压紧件，将燃泵诱导轮33、燃泵离心轮34和燃泵调整垫35轴向压紧。其中，第一压紧件可以是第一螺母39。

主轴1与燃泵调整垫35轴向接触的位置设置台阶，第一螺母39沿主轴1轴向施力，将燃泵诱导轮33、燃泵离心轮34和燃泵调整垫35轴向压紧在该台阶上。本发明实施例还可以通过改变燃泵调整垫35的轴向长度，进而调整燃泵诱导轮33和燃泵离心轮34的轴向位置。

燃泵离心轮34与燃泵高压壳体32之间设有平衡活塞环36，平衡活塞环36轴向一侧通过螺栓与燃泵高压壳体32固定连接，另一侧与燃泵离心轮34间隔设置形成平衡腔361和平衡间隙362。其中平衡间隙362的尺寸小于平衡腔361。平衡活塞环36与燃泵高压壳体32接触的端面轴向内侧设有转子支撑碟簧38，用于将套设在主轴1和燃泵高压壳体32之间的燃泵轴承组件37压紧在燃泵高压壳体32的轴向端面，以限制燃泵轴承组件37朝向涡轮4方向移动（向图中所示的右侧移动）。

本实施例的火箭发动机涡轮泵在工作时，平衡腔361的压力高于低压壳体一侧的压力，因此会产生图1轴向向左的轴向力。在轴向力作用下，转子组件（图11所示的主轴以及固定设置在主轴上的部件）向远离涡轮的方向移动（向左移动），燃泵中至少燃泵诱导轮33、燃泵离心轮34和燃泵调整垫35随着主轴1左移。随着转子组件的移动，可抵消氧泵和涡轮工作时产生的轴向力，保证工作状态轴系合力为零，从而实现转子组件的自平衡。需要特别说明的是，本发明实施例中的燃泵轴承组件37能够在主轴的带动下压紧转子支撑碟簧38，克服其弹性力使其变形，为燃泵轴承组件37提供左移空间，使燃泵轴承组件37能够随着主轴一同移动，保证燃泵轴承组件不承受轴向预紧力以外的轴向载荷，提高了轴承工作可靠性。

本发明的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵使用的介质为液氧和液甲烷，因此本发明的涡轮泵可以重复使用。

同时参见图1和图3，在一个实施例中，燃泵轴承组件包括：依次套设在主轴1的第一燃泵轴承371、第一轴套372和第二燃泵轴承373，以及设置在第一燃泵轴承371和第二燃泵轴承373外径的燃泵轴承座374。其中，燃泵轴承座374外径与燃泵高压壳体32贴紧设置，其内径设有第一凸台3741，第一凸台3741设置在第一燃泵轴承371和第二燃泵轴承373之间且位于主轴径向外侧，将二者压紧固定。其中第一凸台3741可以设置在燃泵轴承座374内径大概中间的位置。燃泵轴承座374轴向一侧通过转子支撑碟簧38与平衡活塞环36连接，另一侧在转子支撑碟簧38的作用下被压紧在燃泵高压壳体32轴向端面。

本发明实施例的燃泵轴承座不可轴向右移，但可轴向左移（按图中所示的左侧移动）。涡轮泵不工作时，转子支撑碟簧将燃泵轴承座顶紧于燃泵高压壳体轴向端面，一方面能够实现轴向右移限位，另一方面能够为燃泵轴承座提供预紧力，防止在转移过程中产生晃动。涡轮泵工作时转子组件在轴向力作用下左移，其中主轴至少带动第一燃泵轴承、第一轴套和第二燃泵轴承在轴向力作用下左移。第一轴套和第二燃泵轴承通过第一凸台施力于燃泵轴承座，将轴向力传递给燃泵轴承座，促使其将转子支撑碟簧压缩变形，提供燃泵轴承座左移空间。

同时参见图3和图4，在上述实施例中，平衡活塞环36内径与燃泵调整垫35的外径间隔设置，第一凸台3741内径与第一轴套372外径可以间隔设置，形成的流道使第一燃泵轴承371和第二燃泵轴承373与燃泵入口A处连通，用于形成燃泵轴承冷却流路。进一步地，主轴1在靠近燃泵入口A的位置设置多个第一径向回流孔11，在第二燃泵轴承373与燃泵高压壳体32之间设置多个第二径向回流孔12。主轴1内部设有冷却流道13，以将第一径向回流孔11和第二径向回流孔12连通，从而形成了图4所示的燃泵轴承内循环冷却流路。其中图4中箭头所示的方向为冷却介质流道的方向，能够保证轴承位置能够得到充分冷却。如此设置，能够使燃泵的整体布局得到优化，避免了外设冷却管路。

同时参见图2和图3，其中，第一压紧件可以是与主轴螺纹连接的其他锁紧件，实现轴向压紧燃泵诱导轮33、燃泵离心轮34、燃泵调整垫35、燃泵第一轴承371，第一轴套372和燃泵第二轴承373。

参见图5，在一个实施例中，为了减小高压介质作用于燃泵离心轮的径向作用力，降低涡轮泵的振动，可以将燃泵壳体设置为双隔舌结构。例如，第一燃泵隔舌301和第二燃泵隔舌302靠近燃泵入口处的端部圆角较小，以尽可能的降低隔舌端部对介质产生的阻力影响。

同时参见图1、图2和图6，在一个实施例中，氧泵2包括氧泵壳体21，以及靠近燃泵3依次套设在氧泵壳体21与主轴1之间的氧泵轴承组件22、氧泵离心轮23和氧泵诱导轮24。氧泵壳体21开设有氧泵入口B，氧泵入口B为直入式，可以减少流动损失，提高氧泵汽蚀性能。

其中，主轴1在氧泵2与燃泵3之间的位置套设有密封轴套14，氧泵密封装置5和燃泵密封装置6均设置在密封轴套14外围。氧泵轴承组件22与氧泵离心轮23之间设有第二压紧件，其中第二压紧件可以是与主轴1螺纹连接的第二螺母25。第二螺母25将氧泵轴承组件22和密封轴套14轴向压紧，使二者轴向端面贴合。第二螺母25远离氧泵轴承组件的一侧还可以供氧泵离心轮23压紧。具体地，氧泵诱导轮24和氧泵离心轮23通过花键与主轴1连接传递扭矩，通过轴端螺钉26与主轴1连接，将氧泵诱导轮24和氧泵离心轮23轴向压紧在第二螺母25。

进一步地，在一个实施例中，为了减小高压介质作用于氧泵离心轮的径向作用力，降低涡轮泵的振动，可以将氧泵壳体设置为双隔舌结构（如图6）。例如，第一氧泵隔舌201和第二氧泵隔舌202靠近氧泵入口处的端部圆角较小，以尽可能的降低隔舌端部对介质产生的阻力影响。

同时参见图1、图2和图7，在一个实施例中，氧泵轴承组件包括依次套设在主轴1的第一氧泵轴承221、第二轴套222和第二氧泵轴承223，以及设置在第一氧泵轴承221和第二氧泵轴承223外径的氧泵轴承座224。第二轴套222设置在第一氧泵轴承221和第二氧泵轴承223之间径向内侧。氧泵轴承座224外径与氧泵壳体21贴紧设置，其内径设有第二凸台2241。第二凸台2241设置在第一氧泵轴承221和第二氧泵轴承223之间且位于主轴的径向外侧，如此设置，能够实现与第一氧泵轴承和第二氧泵轴承同步移动。需要说明的是，氧泵轴承座轴向两侧不限位，可进行轴向移动。例如，在涡轮泵工作时，氧泵轴承座能够适应轴向力进行相应的移动。

第二螺母25与主轴1螺纹连接，轴向将第一氧泵轴承221、第二轴套222和第二氧泵轴承223压紧在密封轴套14后。第二氧泵轴承223与氧泵密封装置5间隔设置，主轴1以及密封轴套14在该间隔处设有多个第二回流孔16。氧泵诱导轮24和氧泵离心轮23对接的贴合面设有多个第一回流孔15，主轴1位于氧泵内的部分设有同时与第一回流孔15和第二回流孔16连通的轴向流道17。轴向流道17通过所第一回流孔15与氧泵入口B处连通，氧泵轴承通过第一氧泵轴承221与氧泵离心轮23之间的间隙和氧泵入口B处连通，从而形成图7所示的轴承冷却流路。

本发明实施例中的氧泵轴承和燃泵轴承均可以选用成对使用的角接触球轴承，能够提高轴系的支承刚度，还能够保证轴系有较高的临界转速。当任意一套轴承发生故障，其余轴承仍可提供足够的支承刚度，保证涡轮泵正常工作，明显提高了涡轮泵工作可靠性。

参见图2，在一个实施例中，氧泵壳体21在氧泵离心轮23的位置设有迷宫密封槽211，迷宫密封槽211设有银层，银层厚度达到0.5mm。本发明实施例通过在氧泵壳体的迷宫密封槽内以焊接方式增加银层，相较传统的镀银工艺，焊接方式增加的银层更牢固，不易脱落产生多余物，极大的简化了加工工艺，降低了加工成本，提高了银层的结合强度。本实施例的银层设置方式，还能够保证氧泵离心轮与氧泵壳体意外碰磨后，较软的银层充当过渡层，降低了涡轮泵爆炸的风险。

同时参见图1、图2和图8，在一个实施例中，氧泵密封装置5和燃泵密封装置6均设置在密封轴套14外侧。其中，燃泵密封装置6包括燃泵密封壳体61、燃泵密封盖板62、第一浮动环63和第一波簧64。燃泵密封壳体61与燃泵密封盖板62同轴设置，其中燃泵密封盖板62靠近燃泵诱导轮33。燃泵密封壳体61和燃泵密封盖板62径向外侧通过螺栓与燃泵低压壳体31固定连接，径向内侧具有容纳第一浮动环63和第一波簧64的空间。第一波簧64设置在第一浮动环63和燃泵密封盖板62之间，能够为第一浮动环提供预紧力。本发明实施例通过燃泵密封盖板62压紧第一波簧64，第一波簧64顶紧第一浮动环63，以将第一浮动环63压紧在燃泵密封壳体61，保证第一浮动环63端面与燃泵密封壳体61的端面贴合形成密封。

其中，第一浮动环63内径与密封轴套14外径小间隙配合，以减小介质泄漏量。

进一步地，氧泵密封装置5包括氧泵密封壳体51、氧泵密封盖板52、第二浮动环53和第二波簧54。氧泵密封壳体51与氧泵密封盖板52同轴设置，其中氧泵密封盖板52靠近第二氧泵轴承且与其间隔设置。氧泵密封壳体51和氧泵密封盖板52径向外侧通过螺栓与氧泵壳体固定连接，其径向内侧具有容纳第二浮动环53和第二波簧54的空间，其中第二波簧54设置在第二浮动环53和氧泵密封盖板52之间。本发明实施例通过氧泵密封盖板52压紧第二波簧54，第二波簧54顶紧第二浮动环53，以将第二浮动环53压紧在氧泵密封壳体51，保证第二浮动环端面与氧泵密封壳体51的端面贴合形成密封。

其中，第二浮动环53内径与密封轴套14外径小间隙配合，以减小介质泄漏量。

需要说明的是，成套使用的浮动环与波簧可以通用于氧泵密封和燃泵密封，从而减少零件种类。

同时参见图1、图2和图9，在一个实施例中，涡轮包括涡轮壳体、涡轮密封装置7和涡轮叶盘43。涡轮叶盘43设置在涡轮壳体内，且与主轴1固定连接。其中，涡轮壳体包括通过螺栓固定连接的涡轮进气壳体41和涡轮排气壳体42，涡轮进气壳体41设有涡轮进气口411，涡轮排气壳体42设有涡轮排气口421。涡轮进气壳体41将燃气发生器的高温高压燃气进行加速，冲击涡轮叶盘43产生动力，涡轮叶盘43出口的燃气经涡轮排气壳体42整流后通过涡轮排气口421进入下游的换热器。

涡轮进气壳体41与燃泵高压壳体32通过螺栓固定连接，涡轮密封装置7可以贴近涡轮壳体与燃泵高压壳体连接处设置。具体地，涡轮密封装置7包括与燃泵高压壳体32固定连接的涡轮密封壳体71，和通过第三波簧72压紧在燃泵高压壳体32径向内侧端面的涡轮浮动环73。其中，燃泵高压壳体32径向内侧具有容纳第三波簧72和涡轮浮动环73的空间，第三波簧72轴向一端抵接燃泵高压壳体32，另一端将涡轮浮动环73压紧在涡轮密封壳体71的轴向端面。涡轮密封壳体71轴向与燃泵高压壳体32通过螺栓固定连接，其外径与涡轮进气壳体41贴紧形成端面密封，其内径与主轴1外径形成端面密封。

参见图10，在一个实施例中，为了避免氧泵介质与燃泵介质串流发生燃爆危险，燃泵低压壳体31可以在氧泵密封装置和燃泵密封装置之间设置惰性气体吹除装置。具体地，燃泵低压壳体31在氧泵密封壳体51和燃泵密封壳体61之间开设有吹除气入口81和吹除气出口。吹除气出口包括靠近氧泵密封壳体51设置的氧泵泄出口82，和靠近燃泵密封壳体61设置的燃泵泄出口83。燃泵低压壳体31内部在吹除气入口81和氧泵泄出口82、燃泵泄出口83之间分别形成吹除气通道。

吹除气入口81和氧泵泄出口82、燃泵泄出口83之间设有吹除气密封盖板84、第三浮动环85、第四浮动环86和第三波簧87。吹除气密封盖板84径向外侧与燃泵低压壳体31通过螺栓固定连接，其径向内侧与燃泵低压壳体31间隔设置，形成用于容纳第三浮动环85、第四浮动环86和第三波簧87的空间，该空间与吹除气入口81连通。第三浮动环85和第四浮动环86套设于密封轴套外部，且与其外径小间隙配合，以减少介质泄漏量。第三波簧87安装在第三浮动环85和第四浮动环86之间，以为第三浮动环85和第四浮动环86提供轴向顶紧力，分别用于将第三浮动环85压紧在吹除气密封盖板84的轴向端面，以及将第四浮动环86压紧在燃泵低压壳体31轴向端面。

进一步地，本发明实施例中的第三浮动环、第四浮动环和第三波簧，可以与氧泵密封装置、燃泵密封装置中的浮动环和波簧通用，从而可以减少零件种类。

上述任意一个实施例中的各浮动环通过对应的波簧施加轴向预紧力，可保证力值精确可控。

参见图11，上述实施例中提到的转子组件包括主轴1，套设在主轴1轴向大概中间的位置的密封轴套14，沿主轴1轴向安装在密封轴套14一侧的第二氧泵轴承223、第二轴套222、第一氧泵轴承221、第二螺母25、氧泵离心轮23、氧泵诱导轮24和轴端螺钉26，以及沿主轴1轴向安装在密封轴套14另一侧的第一螺母39、燃泵诱导轮33、燃泵离心轮34、燃泵调整垫35、第一燃泵轴承371、第一轴套372、第二燃泵轴承373和涡轮叶盘43。主轴与各部件的安装关系此处不再赘述，需要说明的是，涡轮叶盘43与主轴1为过盈装配，并通过螺栓螺母固定。

对于大推力液体火箭发动机，涡轮泵转子轴向力可达百吨级，超过轴承载荷极限。因此，一般通过平衡活塞装置实现氧化剂泵、燃料泵和涡轮的轴向力自平衡，保证工作状态轴系合力为零，轴承不承受除轴向预紧力以外的额外轴向载荷。如设计不合理，容易导致轴系碰磨故障或轴承损坏的故障。

因此本发明对于双低温的涡轮泵进行了充分的考虑，给燃泵轴承座提供了左移条件，提高了涡轮泵的可靠性。

以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

本发明的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，解决了低温泵抗汽蚀性能差、轴承可靠性低、轴向力平衡困难等多个难题，并采取多项措施避免局部零组件失效引发故障进一步升级，同时显著的降低了涡轮泵的结构质量和发动机的结构复杂性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，至少包括同轴套设在主轴上的氧泵、燃泵和涡轮，所述燃泵设置在所述氧泵和所述涡轮之间；所述氧泵在靠近所述燃泵的一侧设置氧泵密封装置，所述燃泵在靠近所述氧泵的一侧设置燃泵密封装置，所述涡轮在靠近所述燃泵的一侧设置涡轮密封装置；

所述燃泵包括燃泵低压壳体、燃泵高压壳体、燃泵诱导轮、燃泵离心轮、燃泵调整垫、平衡活塞环和燃泵轴承组件；所述燃泵低压壳体开设有燃泵入口，所述涡轮密封装置安装在所述燃泵高压壳体和所述涡轮之间；所述燃泵诱导轮、所述燃泵离心轮和所述燃泵调整垫依次套设在所述主轴上，其中所述燃泵诱导轮靠近所述氧泵设置，通过设置在所述燃泵诱导轮靠近所述氧泵一侧的第一压紧件，将所述燃泵诱导轮、所述燃泵离心轮和所述燃泵调整垫轴向压紧；

所述平衡活塞环一侧与所述燃泵高压壳体固定连接，另一侧与所述燃泵离心轮远离所述燃泵诱导轮的一侧间隔设置；所述燃泵轴承组件套设在所述主轴与所述燃泵高压壳体之间，其轴向靠近所述氧泵的一侧通过转子支撑碟簧被所述平衡活塞环压紧在所述燃泵高压壳体的轴向端面，以限制所述燃泵轴承组件朝向所述涡轮方向移动；

涡轮泵工作时，所述主轴在轴向力作用下，至少能够带动所述燃泵诱导轮、所述燃泵离心轮和所述燃泵调整垫一同朝向氧泵的方向移动，所述燃泵轴承组件能够在所述主轴的带动下压紧所述转子支撑碟簧使其变形，从而实现所述燃泵轴承组件随着所述主轴一同移动。

2.根据权利要求1所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述燃泵轴承组件包括:依次套设在所述主轴的第一燃泵轴承、第一轴套和第二燃泵轴承，以及设置在所述第一燃泵轴承和所述第二燃泵轴承外径的燃泵轴承座；所述第一轴套设置在所述第一燃泵轴承和所述第二燃泵轴承之间径向内侧；

所述燃泵轴承座内径设有第一凸台，所述第一凸台设置在所述第一燃泵轴承和所述第二燃泵轴承之间径向外侧；所述燃泵轴承座轴向一侧通过所述转子支撑碟簧与所述平衡活塞环连接，另一侧在所述转子支撑碟簧的作用下被压紧在所述燃泵高压壳体。

3.根据权利要求2所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述氧泵包括氧泵壳体，以及靠近所述燃泵依次套设在所述氧泵壳体与所述主轴之间的氧泵轴承组件、氧泵离心轮和氧泵诱导轮；所述氧泵壳体开设有氧泵入口；

所述主轴在所述氧泵与所述燃泵之间的位置套设有密封轴套，所述氧泵轴承组件与所述氧泵离心轮之间设有第二压紧件，所述第二压紧件将所述氧泵轴承组件和所述密封轴套轴向压紧；

所述氧泵诱导轮和所述氧泵离心轮通过花键与所述主轴连接传递扭矩，通过轴端螺钉与所述主轴连接，将所述氧泵诱导轮和所述氧泵离心轮轴向压紧。

4.根据权利要求3所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述氧泵轴承组件包括依次套设在所述主轴的第一氧泵轴承、第二轴套和第二氧泵轴承，以及设置在所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承外径的氧泵轴承座；所述第二轴套设置在所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承之间径向内侧；

所述氧泵轴承座内径设有第二凸台，所述第二凸台设置在所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承之间径向外侧；所述第一氧泵轴承被所述第二压紧件压紧，从而将所述第一氧泵轴承、所述第二轴套和所述第二氧泵轴承压紧在所述密封轴套。

5.根据权利要求3所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述氧泵壳体在所述氧泵离心轮的位置设有迷宫密封槽，所述迷宫密封槽设有银层。

6.根据权利要求4所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述氧泵密封装置和所述燃泵密封装置均设置在所述密封轴套外侧；

所述燃泵密封装置包括燃泵密封壳体、燃泵密封盖板、第一浮动环和第一波簧；所述燃泵密封壳体与所述燃泵密封盖板同轴设置，所述燃泵密封盖板靠近所述燃泵诱导轮；所述燃泵密封壳体与所述燃泵密封盖板径向外侧固定连接，径向内侧具有容纳所述第一浮动环和所述第一波簧的空间；

所述第一浮动环内径与所述密封轴套外径小间隙配合，所述第一波簧设置在所述第一浮动环和所述燃泵密封盖板之间，所述燃泵密封盖板压紧所述第一波簧，从而将所述第一浮动环压紧在所述燃泵密封壳体。

7.根据权利要求6所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述氧泵密封装置包括氧泵密封壳体、氧泵密封盖板、第二浮动环和第二波簧；所述氧泵密封壳体与所述氧泵密封盖板同轴设置，所述氧泵密封盖板靠近所述第二氧泵轴承且与其间隔设置；所述氧泵密封壳体与所述氧泵密封盖板径向外侧固定连接，径向内侧具有容纳所述第二浮动环和所述第二波簧的空间；

所述第二浮动环内径与所述密封轴套外径小间隙配合，所述第二波簧设置在所述第二浮动环和所述氧泵密封盖板之间，所述氧泵密封盖板压紧所述第二波簧，从而将所述第二浮动环压紧在所述氧泵密封壳体。

8.根据权利要求1所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述涡轮包括涡轮壳体、涡轮密封装置和涡轮叶盘；所述涡轮叶盘设置在所述涡轮壳体内，且与所述主轴固定连接；

其中，所述涡轮壳体包括涡轮进气壳体和涡轮排气壳体，所述涡轮进气壳体设有涡轮进气口，所述涡轮排气壳体设有涡轮排气口；

所述涡轮密封装置包括与所述燃泵高压壳体固定连接的涡轮密封壳体，以及设置在燃泵高压壳体和涡轮密封壳体之间径向内侧空间里的涡轮浮动环和第三波簧；所述涡轮密封壳体内径与所述主轴外径形成端面密封，其外径与所述涡轮进气壳体形成端面密封。

9.根据权利要求7所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述主轴位于所述氧泵内的部分设有轴向流道，所述氧泵诱导轮和所述氧泵离心轮对接的贴合面设有与所述轴向流道连通的第一回流孔，所述氧泵密封盖板和所述第二氧泵轴承之间设有与所述轴向流道连通的第二回流孔；

所述轴向流道通过所述第一回流孔与所述氧泵入口处连通，所述第一氧泵轴承和所述第二氧泵轴承通过与氧泵离心轮之间的间隙和所述氧泵入口处连通，从而形成轴承冷却流路。

10.根据权利要求7所述的可复用双低温液体火箭发动机涡轮泵结构，其特征在于，所述燃泵低压壳体在所述氧泵密封装置和所述燃泵密封装置之间设有惰性气体吹除装置。