CN117605838A - 一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构 - Google Patents

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姜绪强
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窦唯
叶小明
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Abstract

本发明公开了一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,包括:涡轮泵壳体、静环、动环、垫片、主轴、密封垫、外六角螺钉、阻尼带、密封壳体、焊接波纹管、安装环和轴套;动环通过轴套的定位安装在主轴上;动环与轴套之间设置有垫片;静环右侧与焊接波纹管通过焊缝连接;焊接波纹管与密封壳体之间通过安装环焊接连接;密封壳体通过外六角螺钉固定在涡轮泵壳体上;密封壳体与涡轮泵壳体之间设置有密封垫;阻尼带外侧凸耳与密封壳体接触压缩,内侧通过凸耳压缩提供的抱紧力与焊接波纹管紧贴。本发明的目的在于:提升产品工作寿命及可靠性,解决传统干气密封长时间工作磨损量大、工作发热量大、抗扰动能力弱、工作稳定性差等问题。

Description

一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构
技术领域
本发明属于航空航天技术领域,尤其涉及一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构。
背景技术
航天事业发展迅速,逐步实现探月、探火甚至载人登月等重要航天计划,都离不开运载火箭的可靠工作。液体火箭发动机是运载火箭发动机的心脏,涡轮泵作为决定火箭发动机性能的关键组件,其工作转速高、工作压力高、可靠度要求高,是发动机中最核心的技术之一。端面密封是涡轮泵的重要组成部分,用于隔离泵内不同介质,其性能直接决定了涡轮泵的安全性和可靠性。
干气端面密封是涡轮泵动密封设计中的难点,目前采用的密封形式为接触式端面密封,其工作原理为动环、静环密封面在弹簧力、介质压力的作用下紧密贴合,起到截流密封的作用。但由于工作时密封面始终相互接触摩擦,且涡轮泵转速较高、气体介质润滑性能较差,故存在密封工作磨损量大、发热量大的问题。同时,由于动、静环密封面接触,静环容易受动环高速旋转带来的扰动,且涡轮泵振动环境较为复杂,还存在密封工作稳定性差的问题。故传统的接触式端面密封形式,已逐渐难以满足当前涡轮泵对于干气密封长寿命、高可靠、可重复使用的发展要求。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,旨在提升产品工作寿命及可靠性,解决传统干气密封长时间工作磨损量大、工作发热量大、抗扰动能力弱、工作稳定性差等问题。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,包括:涡轮泵壳体、静环、动环、垫片、主轴、密封垫、外六角螺钉、阻尼带、密封壳体、焊接波纹管、安装环和轴套;
动环通过轴套的定位安装在主轴上;动环与轴套之间设置有垫片;
静环右侧与焊接波纹管通过焊缝连接;静环左侧通过焊接波纹管压缩提供的压紧力与动环紧贴;
焊接波纹管与密封壳体之间通过安装环焊接连接;
密封壳体通过外六角螺钉固定在涡轮泵壳体上;密封壳体与涡轮泵壳体之间设置有密封垫;阻尼带外侧凸耳与密封壳体接触压缩,内侧通过凸耳压缩提供的抱紧力与焊接波纹管紧贴。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,静环,包括:静环座和石墨环;石墨环通过热镶的方式压进静环座。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,石墨环与静环座过盈配合。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,静环座两侧设置有凹槽;凹槽与密封壳体间隙配合,以防止静环转动。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,静环浸渍环氧树脂,保证静环座与石墨环之间的密封性。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,动环的密封端面上等离子喷涂有氧化铬涂层,氧化铬涂层的厚度L1为0.35~0.5mm。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,动环的密封端面上飞秒激光刻蚀有12个周向均布的螺旋槽,螺旋槽的深度L2为6~8μm。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,螺旋槽取型于对数螺旋线,极坐标下表达式如下:
r=rgeθtanα
其中,r表示螺旋线极径,rg表示螺旋槽根圆半径,θ表示螺旋线极角,α表示螺旋线螺旋角。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,动环的密封端面的平面度小于0.0006mm,粗糙度小于Ra0.16μm;静环的密封端面的平面度小于0.0006mm,粗糙度小于Ra0.2μm。
在上述高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构中,阻尼带为圆环型,由钢带冲压成型,外侧周向均布6个凸耳。
本发明具有以下优点:
(1)启动/关机阶段磨损量小
本发明采取在动环上喷涂氧化铬涂层的方式,可降低动环密封端面的摩擦系数,改善动环密封端面摩擦磨损性能,降低涡轮泵启动/关机阶段动环密封端面未打开时的接触磨损。同时,动环密封端面刻蚀有螺旋槽,动环旋转使螺旋槽产生动压效应,提供端面开启力,可使动环密封端面涡轮泵达到工作转速之前,在较低转速下即可克服闭合力打开,大幅缩短启动/关机阶段的磨损时间。此外,螺旋槽还可将外部流体引入到密封端面,起到引流润滑作用,进一步降低了启动/关机阶段的密封磨损。
(2)额定工况下零磨损
在本发明中,动环密封端面刻蚀有螺旋槽,动环旋转使螺旋槽产生动压效应,提供端面开启力,使动环密封端面打开,在动、静环密封面之间形成极薄且稳定的流体膜,使动、静环密封处于非接触的流体润滑状态,在起到截流密封的作用的同时,还有着良好的润滑和冷却效果,可实现工作时端面零磨损,显著提升干气密封结构的使用寿命。
(3)工作稳定性好
在本发明中,螺旋槽动压效应较强,端面流体膜刚度较大,在受到动环偏斜旋转带来的扰动时,流体膜仍能保持稳定,抗动环扰动能力较强。同时,在波纹管外侧设置阻尼带。当环境振动大引起波纹管振动时,阻尼带为波纹管提供阻尼,削弱环境振动带来的影响,使静环抗环境振动能力增强,显著提升了干气密封结构的工作稳定性,实现高可靠的性能要求。
(4)结构通用性强
本发明通过改进较少的零件即可实现降磨延寿的目的,且设计的动环、阻尼带结构简单,易加工。同时,本发明所有改进结构均为密封内部结构,对于涡轮泵接口尺寸、装配过程无影响,结构形式紧凑、通用性很强。
附图说明
图1是本发明实施例中一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构的整体结构示意图;
图2是本发明实施例中一种静环的结构示意图;
图3是图2的侧视图;
图4是本发明实施例中一种动环的结构示意图;
图5是图4的A-A向剖视图;
图6是本发明实施例中一种阻尼带的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明的核心思想之一在于:克服现有技术的不足,提供一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,动环上喷涂氧化铬涂层且刻有流体动压螺旋槽,可有效降低干气密封结构在启动-运转-关机全工作周期中的磨损,显著提升干气密封结构的使用寿命。动环刻螺旋槽搭配静环波纹管外侧设置阻尼带,可有效增强静环抗动环扰动能力、抗环境振动能力,显著提升干气密封结构的工作稳定性。同时,本发明仅需改进内部结构,对于涡轮泵接口尺寸、装配过程无影响,结构通用性很强。
如图1所示,在本实施例中,该高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,包括:涡轮泵壳体1、静环2、动环3、垫片4、主轴5、密封垫6、外六角螺钉7、阻尼带8、密封壳体9、焊接波纹管10、安装环11和轴套12。其中,动环3通过轴套12的定位安装在主轴5上;动环3与轴套12之间设置有垫片4。静环2右侧与焊接波纹管10通过焊缝连接;静环2左侧通过焊接波纹管10压缩提供的压紧力与动环3紧贴。焊接波纹管10与密封壳体9之间通过安装环11焊接连接;密封壳体9通过外六角螺钉7固定在涡轮泵壳体1上;密封壳体9与涡轮泵壳体1之间设置有密封垫6;阻尼带8外侧凸耳与密封壳体9接触压缩,内侧通过凸耳压缩提供的抱紧力与焊接波纹管10紧贴。
在本实施例中,如图2和图3所示,静环2具体可以包括:静环座13和石墨环14。其中,石墨环14与静环座13过盈配合,石墨环14通过热镶的方式压进静环座13。
优选的,静环座13两侧设置有凹槽131;凹槽131与密封壳体9间隙配合,以防止静环2转动。
优选的,静环2浸渍环氧树脂,保证静环座13与石墨环14之间的密封性。
在本实施例中,如图4和图5所示,动环3的密封端面31上等离子喷涂有氧化铬涂层32,氧化铬涂层32的厚度L1为0.35~0.5mm。动环3的密封端面31上飞秒激光刻蚀有12个周向均布的螺旋槽33,螺旋槽33的深度L2为6~8μm。
优选的,螺旋槽(33)取型于对数螺旋线,极坐标下表达式如下:
r=rgeθtanα
其中,r表示螺旋线极径,rg表示螺旋槽根圆半径,θ表示螺旋线极角,α表示螺旋线螺旋角。
在本实施例中,动环3的密封端面31的平面度小于0.0006mm,粗糙度小于Ra0.16μm;静环2的密封端面的平面度小于0.0006mm,粗糙度小于Ra0.2μm。
在本实施例中,如图6所示,阻尼带8为圆环型,由钢带冲压成型,外侧周向均布6个凸耳81。其中,阻尼带8与密封壳体9过盈配合,使阻尼带8的凸耳81具有一定压缩量。
在上述实施例的基础上可知,本发明所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构的工作原理如下:
在涡轮泵启动前,动环静止,静环左侧通过焊接波纹管压缩提供的压紧力和介质提供的压力与动环端面压紧贴合,实现静态密封。
在涡轮泵启动/关机时,动环旋转与静环发生摩擦,由于动环喷涂有氧化铬涂层,可降低摩擦系数,且螺旋槽具有一定引流润滑效果,极大降低了启动/关机阶段、密封端面未打开时的接触磨损。同时,动环旋转使螺旋槽产生动压效应,提供端面开启力,可使动环密封端面在涡轮泵达到工作转速之前,在较低转速下即可克服闭合力(焊接波纹管压缩提供的压紧力和介质提供的压力)打开,大幅缩短启动/关机阶段的磨损时间。
在涡轮泵达到工作转速时,动环的螺旋槽产生的开启力达到最大值,密封端面完全打开并形成一层极薄且稳定的流体膜,使动、静环密封面处于非接触的流体润滑状态,在起到截流密封的作用的同时,还有着良好的润滑和冷却效果,可实现工作时端面零磨损,显著提升干气密封结构的使用寿命。
螺旋槽动压效应较强,端面流体膜刚度较大,在受到动环(3)偏斜旋转带来的扰动时,流体膜仍能保持稳定,抗动环扰动能力较强。同时,在焊接波纹管外侧设置阻尼带,阻尼带的凸耳与密封壳体过盈配合。当环境振动大引起焊接波纹管振动时,阻尼带为焊接波纹管提供阻尼,削弱环境振动带来的影响,使静环抗环境振动能力增强,显著提升了干气密封结构的工作稳定性,实现高可靠的性能要求。
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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,包括:涡轮泵壳体(1)、静环(2)、动环(3)、垫片(4)、主轴(5)、密封垫(6)、外六角螺钉(7)、阻尼带(8)、密封壳体(9)、焊接波纹管(10)、安装环(11)和轴套(12);
动环(3)通过轴套(12)的定位安装在主轴(5)上;动环(3)与轴套(12)之间设置有垫片(4);
静环(2)右侧与焊接波纹管(10)通过焊缝连接;静环(2)左侧通过焊接波纹管(10)压缩提供的压紧力与动环(3)紧贴;
焊接波纹管(10)与密封壳体(9)之间通过安装环(11)焊接连接;
密封壳体(9)通过外六角螺钉(7)固定在涡轮泵壳体(1)上;密封壳体(9)与涡轮泵壳体(1)之间设置有密封垫(6);阻尼带(8)外侧凸耳与密封壳体(9)接触压缩,内侧通过凸耳压缩提供的抱紧力与焊接波纹管(10)紧贴。
2.根据权利要求1所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,静环(2),包括:静环座(13)和石墨环(14);石墨环(14)通过热镶的方式压进静环座(13)。
3.根据权利要求2所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,石墨环(14)与静环座(13)过盈配合。
4.根据权利要求2所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,静环座(13)两侧设置有凹槽(131);凹槽(131)与密封壳体(9)间隙配合,以防止静环(2)转动。
5.根据权利要求2所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,静环(2)浸渍环氧树脂,保证静环座(13)与石墨环(14)之间的密封性。
6.根据权利要求1所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,动环(3)的密封端面(31)上等离子喷涂有氧化铬涂层(32),氧化铬涂层(32)的厚度L1为0.35~0.5mm。
7.根据权利要求1所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,动环(3)的密封端面(31)上飞秒激光刻蚀有12个周向均布的螺旋槽(33),螺旋槽(33)的深度L2为6~8μm。
8.根据权利要求7所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,螺旋槽(33)取型于对数螺旋线,极坐标下表达式如下:
r=rgeθtanα
其中,r表示螺旋线极径,rg表示螺旋槽根圆半径,θ表示螺旋线极角,α表示螺旋线螺旋角。
9.根据权利要求1所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,动环(3)的密封端面(31)的平面度小于0.0006mm,粗糙度小于Ra0.16μm;静环(2)的密封端面的平面度小于0.0006mm,粗糙度小于Ra0.2μm。
10.根据权利要求1所述的高速低磨损高可靠流体动压型干气密封结构,其特征在于,阻尼带(8)为圆环型,由钢带冲压成型,外侧周向均布6个凸耳(81)。
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