一种液体火箭发动机涡轮泵用组合密封装置
阅读说明：本技术 一种液体火箭发动机涡轮泵用组合密封装置 (Combined sealing device for liquid rocket engine turbine pump ) 是由 黄丹 宋勇 庄宿国 孙浩 常涛 李志宇 周芮 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种液体火箭发动机涡轮泵用组合密封装置,该装置包括液封轮、两瓣环组件、盖板；发动机启动前,位于液封轮侧的推进剂压力大于涡轮腔侧的压力,受涡轮泵介质入口压力的作用,两瓣环组件与盖板贴合形成密封面,用于阻止推进剂进入涡轮腔；发动机工作时,液封轮被转子带动旋转后产生的离心力将涡轮腔内液体沿径向抛出,从而将介质入口压力降低,液封轮的密封能力降低了作用于两瓣环组件上的液体压力,两瓣环组件与涡轮泵壳体配合面贴合,同时石墨环与转子之间零对零配合,阻止推进剂和燃气通过间隙相遇。该密封装置实现了发动机涡轮泵推进剂介质密封装置空间尺寸小,结构紧凑,多次起动,可重复使用的要求。(The invention relates to a combined sealing device for a turbo pump of a liquid rocket engine, which comprises a liquid seal wheel, two valve ring assemblies and a cover plate, wherein the liquid seal wheel is arranged on the liquid seal wheel; before the engine is started, the pressure of the propellant on the side of the liquid seal wheel is greater than the pressure on the side of the turbine cavity, and under the action of the medium inlet pressure of the turbine pump, the two valve ring assemblies are attached to the cover plate to form a sealing surface for preventing the propellant from entering the turbine cavity; when the engine works, the centrifugal force generated after the liquid seal wheel is driven by the rotor to rotate throws out liquid in the turbine cavity along the radial direction, so that the pressure of a medium inlet is reduced, the sealing capacity of the liquid seal wheel reduces the liquid pressure acting on the two valve ring assemblies, the two valve ring assemblies are attached to the matching surface of the turbine pump shell, and meanwhile, the graphite ring and the rotor are in zero-to-zero matching to prevent propellant and gas from meeting through a gap. The sealing device meets the requirements of small space size, compact structure, repeated starting and repeated use of the engine turbine pump propellant medium sealing device.)
技术领域
本发明涉及密封技术领域，适用于液体火箭发动机涡轮泵，具体涉及一种液体火箭发动机涡轮泵用组合密封装置。
背景技术
液体火箭发动机中，涡轮泵为其提供所需的燃料和氧化剂介质，为保证发动机能可靠工作，在发动机泵介质侧和涡轮中间，通常需要设置相应的密封组件来有效隔离推进剂相遇。涡轮中燃料燃烧产生的高温燃气易导致密封结构变形，介质汽化，影响密封的运转后的有效密封性能。且随着液体火箭发动机技术的发展，对火箭发动机密封组件性能要求发展方向主要为：变工况、长寿命、高参数以及可重复使用等，针对这些特点研制相适应的密封结构也成为了火箭发动机密封设计的主要研究方向。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术中密封结构多次重复使用后，动环和静环磨损量大，密封功能失效的不足，提供一种用于液体火箭发动机涡轮泵的组合密封装置，以实现密封组件可重复使用后的有效密封。
本发明解决技术的方案是：一种液体火箭发动机涡轮泵用组合密封装置，该装置包括液封轮、两瓣环组件、盖板；涡轮泵壳体外边缘沿涡轮转轴轴方向设有环形凸台，盖板外边缘通过螺钉与涡轮泵壳体的环形凸台固定连接，涡轮泵壳体和盖板的内边缘均与涡轮泵转子间隙配合，盖板、涡轮泵壳体和涡轮泵转子之间形成环形间隙，所述两瓣环组件位于该环形间隙内；液封轮位于涡轮泵壳体与两瓣环组件相对的另一侧，固定安装在涡轮泵的转子轴承的内圈上，随着涡轮泵的转子一起旋转；
所述两瓣环组件包括石墨环、防转销钉、弹簧，安装前石墨环为两瓣半圆环，安装后两瓣半圆环，拼接成一个石墨环；石墨环外径侧设置有一圈圆弧槽，弹簧安装在圆弧槽内，同时石墨环外径侧还设置有一个销钉孔，防转销钉一端插入石墨环的销钉孔，与销钉孔过度配合，另一端将弹簧的两个挂钩连接，同时插入涡轮泵壳体上的槽，防转销钉与涡轮泵壳体配合，用于防止运转过程中石墨环转动与盖板发生磨损；弹簧为石墨环提供内缩的预紧力，两瓣半圆环依靠弹簧的力将其紧箍在转子上，在运转过程中具有内孔磨损后的径向补偿能力和轴向密封能力；
发动机启动前，位于液封轮侧的推进剂压力大于涡轮腔侧的压力，受涡轮泵介质入口压力的作用，两瓣环组件与盖板贴合形成密封面，用于阻止推进剂进入涡轮腔；
发动机工作时，液封轮被转子带动旋转后产生的离心力将涡轮腔内液体沿径向抛出，从而将介质入口压力降低，液封轮的密封能力降低了作用于两瓣环组件上的液体压力，两瓣环组件与涡轮泵壳体配合面贴合，同时石墨环与转子之间零对零配合，阻止推进剂和燃气通过间隙相遇。
所述液封轮一个端面为槽面，槽面面向涡轮泵壳体，另一个端面为背面，背面面向推进剂腔。
所述槽面设有多个凹槽，凹槽形状为长方形或者椭圆形。
所述槽面设有凹槽数Z≥6。
所述弹簧两端挂钩与防转销钉间隙配合，所述间隙≤0.25mm。
所述液封轮与转子配合面、石墨环与盖板配合面、石墨环与壳体配合面通过研磨保证气密密封性，研磨后的粗超度≤0.1μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明的两瓣环密封，相较于传统的整体式密封环，在运转过程中，由于石墨环外径设置了弹簧，起到紧箍作用，具有内孔磨损后的径向补偿能力和轴向密封能力。
(2)、本发明设置的防转销钉，可以防止运转过程中石墨环转动与盖板发生磨损。
(3)、本发明为非接触式密封，运转过程中不涉及摩擦副的摩擦磨损，非接触式密封运转前后气密性一致性较好，两瓣环内孔可实现零磨损，因此，具有良好的多次重复使用性能。
(4)、本发明液封轮和两瓣环组合密封，液封轮被转子带动旋转后产生的离心力将液体沿径向抛出，起到良好的降压作用，可提高密封的耐高压性能。
(5)、本发明两瓣环组件将整体式浮动环分为两瓣，依靠紧箍弹簧的力将其紧箍在转动轴上，提高了浮动环运转过程中的自适应性和轴向密封能力。
(6)、本发明设置的防转销钉和吊带弹簧，防止浮动环转动和实现内孔磨损后的径向补偿，具有寿命长、性能稳定，可重复使用等优点。
(7)、本发明中的液封轮利用叶片带动推进剂旋转产生径向离心力，以克服推进剂泄漏，保证介质在发动机起动和滑行阶段不发生大量泄漏。
附图说明
图1是本发明实施例总体结构示意图；
图2是本发明实施例液封轮结构图；
图3是本发明实施例两瓣环组件示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种液体火箭发动机涡轮泵用组合密封装置，该装置包括液封轮1、两瓣环组件、盖板2；涡轮泵壳体7外边缘沿涡轮转轴轴方向设有环形凸台，盖板2外边缘通过螺钉3与涡轮泵壳体7的环形凸台固定连接，，盖板2、涡轮泵壳体7和涡轮泵转子之间形成环形间隙，所述两瓣环组件位于该环形间隙内；液封轮1位于涡轮泵壳体7与两瓣环组件相对的另一侧，固定安装在涡轮泵的转子轴承的内圈上，随着涡轮泵的转子一起旋转；
所述两瓣环组件包括石墨环、防转销钉、弹簧，安装前石墨环为两瓣半圆环，安装后两瓣半圆环，拼接成一个石墨环；石墨环外径侧设置有一圈圆弧槽，弹簧安装在圆弧槽内，同时石墨环外径侧还设置有一个销钉孔，防转销钉一端插入石墨环的销钉孔，与销钉孔过度配合，另一端将弹簧的两个挂钩连接，同时插入涡轮泵壳体7上的槽，防转销钉与涡轮泵壳体7配合，用于防止运转过程中石墨环转动与盖板发生磨损；弹簧为石墨环提供内缩的预紧力，两瓣半圆环依靠弹簧的力将其紧箍在转子上，在运转过程中具有内孔磨损后的径向补偿能力和轴向密封能力；
发动机启动前，位于液封轮1侧的推进剂压力大于涡轮腔侧的压力，受介质入口压力的作用，两瓣环组件与盖板贴合形成密封面，用于阻止推进剂进入涡轮腔；
发动机工作时，液封轮被转子带动旋转后产生的离心力将涡轮腔内液体沿径向抛出，从而将介质入口压力降低，液封轮的密封能力降低了作用于两瓣环组件上的液体压力，两瓣环组件与涡轮泵壳体7配合面贴合，同时石墨环与转子之间零对零配合，阻止推进剂和燃气通过间隙相遇。
优选地，所述液封轮一个端面为槽面，槽面面向涡轮泵壳体7，另一个端面为背面，背面面向推进剂腔。
优选地，所述槽面设有多个凹槽，凹槽数Z≥6，凹槽形状为长方形或者椭圆形。
优选地，弹簧两端挂钩与防转销钉间隙配合，所述间隙≤0.25mm。
优选地，液封轮与转子配合面、石墨环与盖板配合面、石墨环与壳体配合面通过研磨保证密封性，研磨后的粗超度≤0.1μm。
实施例1
参考图1～图3，本发明某一具体实施例主要由液封轮(1)、两瓣环组件、盖板(2)、螺钉(3)、壳体(7)组成。如图3所示两瓣环组件由石墨环(4)、弹簧(5)、防转销钉(6)组成。使用时，液封轮固定安装在涡轮泵的转子轴承的内圈上，随着涡轮泵的转子一起旋转；弹簧安装在石墨环外径处的圆弧槽内，防转销钉一端插入石墨环的销钉孔，与销钉孔过度配合，另一端将弹簧的两个挂钩连接，同时插入涡轮泵壳体上的槽；盖板外边缘通过螺钉与涡轮泵壳体的环形凸台固定连接。液封轮带槽的一端面向涡轮腔侧，转子旋转后带动液封轮旋转，产生的离心力将液体沿径向抛出，从而将介质入口压力降低95％～100％。如图2所示，液封轮槽形截面可以为长方形，也可以为椭圆形。槽数Z≥6。
如图3所示，两瓣环组件中的石墨环在安装前被分为两瓣，在石墨环外圆开有圆弧槽用于安装弹簧，弹簧的作用是将被分成两瓣的石墨环紧箍在转子上。同时在运转过程中，为了防止石墨环随着转子旋转与配合盖板或者壳体发生旋转，在石墨环外圆处设置有一个孔，与防转销钉过度配合，间隙≤0.03mm。防转销钉的一端插入石墨环外圆的孔内，另一端插入壳体上的防转槽内。用于紧箍石墨环的弹簧两端均设置一个挂钩，将两个挂钩套在防转销钉上，为间隙配合，间隙≤0.25mm。
石墨环的两个端面，以及与石墨环配合的盖板壳体上的密封面均需进行研磨，当发动机启动前，石墨环与盖板的密封面起主要密封作用，用于隔离推进剂进入涡轮腔；发动机工作时，受到液封轮的密封作用，涡轮侧压力高于介质侧压力，因此石墨环与壳体密封面起主要密封作用。同时石墨环与转子之间零对零配合，阻止推进剂和燃气通过间隙相遇。
本发明工作原理是：该组合密封在工作时，密封腔内充满高压介质，液封轮被转子带动旋转后产生的离心力将液体沿径向抛出，从而起到密封作用。运转时，液封轮的密封能力可以减小作用于两瓣环组件上的液体压力。
两瓣环组件进一步隔离推进剂和燃气，发动机起动前，受介质入口压力作用，与盖板贴合形成密封面，阻止燃料进入涡轮腔；发动机起动后，液封轮将介质入口压力降低，此时涡轮侧压力较高，两瓣环组件与泵壳体配合面贴合，阻止燃气进入燃料腔。
两瓣环将石墨环分为两瓣，依靠弹簧的力将其紧箍在转子上，两瓣环在运转过程中具有内孔磨损后的径向补偿能力和轴向密封能力。设置的防转销钉，可以防止运转过程中石墨环转动与盖板发生磨损。
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。
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