CN209838554U - 一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，通过在泵腔内设置第一轴向间隙和第一平衡腔，在涡轮腔设置第二轴向间隙和第二平衡腔，采用两道轴向间隙和两个平衡腔，形成双平衡活塞结构；涡轮泵在工作过程中，由于工况变化等原因造成轴系剩余轴向力发生变化，导致轴系向某一方向移动，两道轴向间隙的节流面积随之变化，第一和第二平衡腔内的压力也产生改变，该压力变化产生的轴向力总是阻止轴系运动，双活塞轴向力平衡结构能够迅速作出反应，相比现有的单间隙密封涡轮泵的泵腔轴向力平衡装置具有平衡灵敏度高、平衡能力强，减小了轴向间隙不可避免的碰损问题，提高了使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型属于航空发动机技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置。
背景技术
液体火箭发动机工作时，涡轮泵内部由于流体压力及流体动量的变化，会在轴系上产生很大的轴向力。如泵离心轮前后盖板上因压力分布和作用面大小不同而产生的轴向力、流体通过离心轮时因速度和方向变化而对离心轮产生的反向轴向力、涡轮喷嘴或导向环出口高速气流在动叶前速度降低而对轴系产生的轴向力等。随着涡轮泵流量的增加、扬程的升高，作用于涡轮泵轴系上的轴向力越来越大。因此，现代液体火箭发动机涡轮泵中基本全都需要采用轴向力平衡装置，以保证整个工作过程中作用于轴系上的轴向力最小，以保证轴系支承轴承的可靠运转。
涡轮泵中的轴向力平衡装置有很多种，如双吸离心轮、平衡鼓、平衡盘、平衡肋、平衡孔、平衡活塞等，但作为主要或核心的轴向力平衡装置，国内外液体火箭发动机涡轮泵几乎都是采用平衡活塞。平衡活塞按其控制间隙的数量又可分为单间隙平衡活塞和双间隙平衡活塞两种方案(见图1所示)，前者结构简单，在国内液氢液氧发动机中应用较多而后者影响因素复杂，对零部件加工及装配水平要求较高，研制风险较大，主要在欧美液体火箭发动机中应用较多。
现有技术方案中，单间隙平衡活塞结构简单、影响因素单一、易于控制，但平衡能力有限，平衡灵敏度较低。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中的液体火箭发动机涡轮泵中的单间隙轴向力平衡装置的平衡能力有限，平衡灵敏度较低。
为此，本实用新型提供一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，涡轮泵包括壳体和设置于所述壳体中的主轴，所述主轴安装有泵离心轮和涡轮盘；
所述泵离心轮与所述壳体之间具有第一平衡腔和与所述第一平衡腔连通的第一平衡间隙；
所述涡轮盘与所述壳体之间具有第二平衡腔和与所述第二平衡腔连通的第二平衡间隙。
可选的，所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，所述第一平衡腔形成于所述泵离心轮与所述壳体之间的第一凸肩密封和所述第一平衡间隙之间。
可选的，所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，所述泵离心轮设置有第一凸台，所述壳体设置有与所述第一凸台相对的第一对立件，所述第一平衡间隙成型于所述第一凸台与所述第一对立件之间。
可选的，所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，所述第一凸肩密封包括设置于所述泵离心轮的第一口环和设置于所述壳体的第一第一密封环，所述第一第一密封环密封套设于所述第一口环的外周。
可选的，所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，所述第一口环沿所述主轴的轴向具有一定长度延伸，所述第一口环与所述第一密封环之间设置有相互配合的密封凹槽和密封凸起。
可选的，所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，所述涡轮盘与所述泵离心轮之间为隔离动密封。
可选的，所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，所述第二平衡腔形成于所述隔离动密封和所述第二平衡间隙之间。
可选的，所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，所述涡轮盘设置有第二凸台，所述壳体设置有与所述第二凸台相对的第二对立件，所述第二平衡间隙成型于所述第二凸台与所述第二对立件之间。
本实用新型技术方案，具有如下优点：
1.本实用新型提供的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，通过在泵腔内设置第一轴向间隙和第一平衡腔，在涡轮腔设置第二轴向间隙和第二平衡腔，采用两道轴向间隙和两个平衡腔，形成双平衡活塞结构；涡轮泵在工作过程中，由于工况变化等原因造成轴系剩余轴向力发生变化，导致轴系向某一方向移动，两道轴向间隙的节流面积随之变化，第一和第二平衡腔内的压力也产生改变，该压力变化产生的轴向力总是阻止轴系运动，双活塞轴向力平衡结构能够迅速作出反应，相比现有的单间隙密封涡轮泵的泵腔轴向力平衡装置具有平衡灵敏度高、平衡能力强，减小了轴向间隙不可避免的碰损问题，提高了使用寿命。相比现有的双间隙平衡活塞对零部件加工及装配水平要求较低，加工简单，制造成本较低。
2.本实用新型提供的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，利用第一轴向间隙液流与泵离心轮旋转过程中受到的离心力引起的压力差，起到了阻碍间隙泄漏量的作用，提高了泵的容积率，使得泵离心轮后盖的压力与前盖的压力保持平衡，有效地平衡泵腔内的轴向力；利用第二轴向间隙液流与涡轮盘旋转过程受到的离心力引起的压力差有效平衡涡轮腔内的轴向力；两者在结构上互不干涉，易于对单间隙平衡活塞的涡轮泵进行轴向力平衡。
3.本实用新型提供的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，泵腔通过第一平衡腔和第一密封环与第一口环、第一凸台与第一对立件形成两道阻尼，实现泵腔内轴向力自动平衡，减缓高压流体的流动，起到增加流体阻力的作用，减小了泄漏量，提高了泵的容积效率；涡轮腔通过第二平衡腔和泵与涡轮之间隔离动密封、第二凸台与第二对立件形成两道阻尼，实现涡轮腔内轴向力自动平衡；通过泵腔和涡轮腔内的轴向力自动平衡实现双平衡，大大提高了涡轮泵的轴向力平衡能力和平衡灵敏度。
4.本实用新型提供的一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，泵与涡轮之间为隔离动密封，动密封的设置与轴之间形成一缝隙，在涡轮泵工作过程中，动密封起到了节流减压的作用；缝隙的存在使得泵与涡轮之间形成一道阻尼，增加了一道节流环节，进一步减少了泵向涡轮的泄露，提高泵的容积效率，减小了泵介质对涡轮介质的影响；此外缝隙的改变会影响第二平衡腔内的压力，使得涡轮腔内的轴向平衡能力实现可控、可调。
5.本实用新型提供的一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，泵离心轮上的口环结构的设置，减少了泵离心轮上平衡孔结构的设置，减下来由此带来的流体的泄露，也减少了流体泄露产生的扰动作用，提高了泵离心轮的密封性能，同时也有效提高了轴向平衡的效果。
6.本实用新型提供的一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，泵腔和涡轮腔均为单间隙平衡轴向力结构，对生产加工及装配水平要求不高，易于实现，技术继承性好，研制风险可控。
7.本实用新型提供的一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，相比于现有技术中的单间隙涡轮泵的泵腔轴向力平衡装置，其平衡能力增加了55％。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例中的泵腔轴向力平衡结构示意图；
图2为本实用新型实施例中的涡轮腔轴向力平衡结构示意图。
附图标记说明：
1-壳体；2-泵离心轮；3-涡轮盘；4-第一平衡间隙；5-第一平衡腔；6-主轴；7-第二平衡间隙；8-第一凸台；9-第一对立件；10-第一口环；11-第二凸台；12-第二对立件；13-第二平衡腔；14-隔离动密封；15-第一密封环；16-第一密封凸起；17-第二口环；18-第二密封环；19-第二密封凸起。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实施例的一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，如图1至图2所示，涡轮泵包括壳体1和设置于壳体1中的主轴6，主轴6上并排安装有泵离心轮2和涡轮盘3，其中壳体1内设有连通的涡轮腔和泵腔。泵离心轮2设置在泵腔中，涡轮盘3设置在涡轮腔中，泵离心轮2的后盖板和壳体1内侧壁之间具有第一平衡间隙4和第一平衡腔5，第一平衡间隙4和第一平衡腔5之间连通。涡轮盘3后端和壳体1内壁之间具有第二平衡间隙7和第二平衡腔13，第二平衡间隙7和第二平衡腔13连通。
如此设计，使得涡轮腔和泵腔中分别形成一个平衡活塞结构，构成双活塞平衡结构对涡轮泵的轴向力进行平衡，涡轮泵的总平衡力等于涡轮腔的轴向力和泵腔的轴向力之和，相比现有技术中的液体火箭发动机单间隙平衡装置的涡轮泵的轴向力平衡能力大大提高，双活塞轴向力平衡装置的平衡灵敏度高。相比现有的双间隙平衡活塞对零部件加工及装配水平要求较低，加工简单，制造成本较低。
如图1所示，泵离心轮2的后盖上部设有第一口环10，第一口环10沿轴向延伸设置，壳体1上与第一口环10相对位置设有第一密封环15。第一口环10沿轴向方向具有一定长度延伸形成延伸部，此长度为第一口环10的外端面不外露于第一密封环15的外端部即图中的右端部；第一口环10的延伸部与第一密封环15之间设有相互配合的第一密封凹槽和第一密封凸起16。第一密封凹槽和第一密封凸起16形成凸肩密封。
泵离心轮2的后盖中部设有朝向壳体1凸出的第一凸台8，壳体1上与第一凸台8相对的位置处设有朝向泵离心轮2凸出的第一对立件9，第一凸台8和第一对立件9之间形成有第一平衡间隙4，在第一凸台8和第一凸肩密封之间形成第一平衡腔5，通过第一平衡腔5内的作用力与第一对立件9受到的轴向作用力平衡，缓冲了轴向力变化时的冲击。第一对立件9可以为设置在壳体1内壁上的凸环或者活塞，与第一凸台8相对设置且两者之间形成第一平衡间隙4。第一口环10与第一密封环15之间为凸肩密封，提高了密封效果，有效降低了泵离心轮2出口处的泄漏，进而提高了泵离心轮2的容积率；同时也减小泄露的流体对第二平衡腔5的影响，能够有效提高泵离心轮2的整体效率和轴向力平衡效果。
凸肩密封可以为密封凹槽和密封凸起间隔设置在第一口环10的延伸部上，也可以为密封凹槽和密封凸起间隔设置在第一密封环15上与第一口环10的延伸部相配合密封的位置处，还可以为第一口环10的延伸部和第一密封环15均设有对应的密封凹槽和密封凸起；密封凹槽的横截面可以呈矩形、圆弧形、三角形等等。对应地，密封凸起16的横截面也可以呈矩形、圆弧形、三角形等等。通过第一平衡腔5和第一凸肩密封，第一凸台8与第一对立件9形成两道阻尼，实现泵腔轴向力完全自动平衡。
在泵离心轮2的前盖板还设有第二口环17，壳体1上与第二口环17相对位置处设有第二密封环18，第二口环17与第二密封环18之间形成第二凸肩密封，第二口环17设置在泵离心轮2的进口处，可以有效降低泵腔介质从泵离心轮2的进口向设置于第二凸肩密封后的泵腔的泄漏。提高了泵的整体效率。
具体的，第二口环17具有沿轴向方向延伸一定长度的延伸部，此长度为第二口环17的外端面不外露于第二密封环18的外端部即图中的左端部；第二密封环18和第二口环17的延伸部之间也设有相互配合密封的第二密封凹槽和第二密封凸起19。
第一口环10和第二口环17同轴线设置，且第一口环10的位置要高于第二口环17。可以减小泵离心轮2高压流体的压力，平衡一部分轴向力，并减小泄漏量。
第一平衡间隙4增大，第一平衡间隙4的泄漏量增大，导致第一凸肩密封与第一平衡间隙4之间的第一平衡腔5内的平均压力减小；反之，第一平衡间隙4减小，第一平衡间隙4的泄漏量减小，导致第一凸肩密封与第一平衡间隙4之间的第一平衡腔5内的平均压力增大。
如图2所示，涡轮腔的中部设有朝向靠近泵腔壳体的涡轮腔壳体的第二凸台11，涡轮腔壳体上与第二凸台11相对的位置设有朝向第二凸台11凸出的第二对立件12，第二凸台11和第二对立件12之间形成有第二平衡间隙7。第二对立件12可以为设置在壳体1内壁的凸环或者活塞，与第二凸台11相对设置且两者之间形成第二平衡间隙7，第二平衡腔13设置在第二平衡间隙7与壳体1的底部之间。第二平衡腔13内的作用力与第二对立件12受到的轴向力平衡，缓冲了轴向力变化的冲击。
泵腔和涡轮腔之间导通，在导通位置处设置隔离动密封，以将泵腔和涡轮腔进行隔离，降低泵腔介质向涡轮腔内的泄漏，进一步提高了泵的容积效率；第二平衡腔13设置在动密封14和第二平衡间隙7之间。具体地，隔离动密封处动密封与主轴间形成一径向缝隙，此缝隙将泵腔与涡轮腔连通，此缝隙的设置起到降压节流的作用；同时由于动密封的设置，使得泵腔向涡轮腔的泄漏形成一道阻尼，降低了泵腔向涡轮腔的泄漏，进一步提高了泵的容积效率，减小泵介质对涡轮介质的影响。通过泵与涡轮间隔离动密封14、第二凸台11与第二对立件12形成两道阻尼，实现涡轮腔的轴向力完全自动平衡。
泵腔介质向涡轮腔的泄漏的流速可以通过隔离动密封处的径向缝隙的大小来控制；动密封处的缝隙增大，泵腔向涡轮腔内的泄漏量增大，第二平衡腔内的平均压力增大，也即涡轮盘的轴向力增大，相应地第二平衡腔的平衡能力也增大；反之亦然；也即表明涡轮腔内的轴向平衡能力可以通过泵与涡轮间隔离动密封来实现可调、可控。本实施例中的动密封为现有技术中的接触式或非接触式动密封结构，具体结构不做详细描述。
因此，在设计时，可以通过控制隔离动密封处的径向缝隙的大小来控制涡轮腔内的轴向平衡力的大小。
此结构的涡轮泵的总平衡能力大小计算如下：根据轴向力F＝P×A，从而可以得到第一平衡腔内的平均压力，第一平衡腔内的平均圧力F1＝P1×A1＝P1×π(R1 2-R2 2)＝P1×π[(D1/2)2-(D2/2)2](其中P1为第一平衡腔内的压强，A1为第一平衡腔的接触面积，D1为第一凸肩密封处的直径，R2为第一凸台处的直径)；根据轴向力F＝P×A，从而可以得到第二平衡腔内的平均压力，第二平衡腔内的平均圧力F2＝P2×A2＝P2×πR3 2＝P2×π(D3/2)2(其中P2为第二平衡腔内的压强，A2为第二平衡腔的接触面积，D3为第二凸台处的直径)；涡轮泵的轴向力F＝F1+F2；由此可以计算出涡轮泵的总平衡力F’＝F。
比如，通过压力表测得P1＝12MPa,D1＝120mm，D2＝80mm，计算得到第一平衡腔内的平均压力为F1为75398N；也即泵腔的轴向平衡力为75398N；通过压力表测得P2＝4MPa,D3＝130mm，计算得到第一平衡腔内的平均压力为F2为41783N；也即涡轮腔的轴向平衡力为41783N；由此得到涡轮泵的轴向力F为11718N，也即得到涡轮泵的总平衡力F’为11718N，方向与涡轮泵的轴向力方向相反。相比现有技术中的泵腔单间隙平衡装置的平衡能力相对增加了W＝F2/F1＝55％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，涡轮泵包括壳体(1)和设置于所述壳体(1)中的主轴(6)，所述主轴(6)安装有泵离心轮(2)和涡轮盘(3)；
其特征在于：
所述泵离心轮(2)与所述壳体(1)之间具有第一平衡腔(5)和与所述第一平衡腔(5)连通的第一平衡间隙(4)；
所述涡轮盘(3)与所述壳体(1)之间具有第二平衡腔(13)和与所述第二平衡腔(13)连通的第二平衡间隙(7)。
2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，其特征在于，所述第一平衡腔(5)形成于所述泵离心轮(2)与所述壳体(1)之间的第一凸肩密封和所述第一平衡间隙(4)之间。
3.根据权利要求2所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，其特征在于，所述泵离心轮(2)设置有第一凸台(8)，所述壳体(1)设置有与所述第一凸台(8)相对的第一对立件(9)，所述第一平衡间隙(4)成型于所述第一凸台(8)与所述第一对立件(9)之间。
4.根据权利要求2所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，其特征在于，所述第一凸肩密封包括设置于所述泵离心轮(2)的第一口环(10)和设置于所述壳体(1)的第一密封环(15)，所述第一密封环(15)密封套设于所述第一口环(10)的外周。
5.根据权利要求4所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，其特征在于，所述第一口环(10)沿所述主轴(6)的轴向具有一定长度延伸，所述第一口环(10)与所述第一密封环(15)之间设置有相互配合的第一密封凹槽和第一密封凸起(16)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，其特征在于，所述涡轮盘(3)与所述泵离心轮(2)之间为隔离动密封(14)。
7.根据权利要求6所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，其特征在于，所述第二平衡腔(13)形成于所述隔离动密封(14)和所述第二平衡间隙(7)之间。
8.根据权利要求7所述的液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡装置，其特征在于，所述涡轮盘(3)设置有第二凸台(11)，所述壳体(1)设置有与所述第二凸台(11)相对的第二对立件(12)，所述第二平衡间隙(7)成型于所述第二凸台(11)与所述第二对立件(12)之间。
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