CN105114353B - 一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其包括浮动环，浮动环设置在密封壳体与盖板形成的空腔内，在浮动环与盖板之间设置波形弹簧；密封轴套依次穿过盖板、浮动环和密封壳体的中心孔；所述的浮动环由整体石墨环与浮动环座热压装配组成，其中石墨环镶嵌在浮动环座内，浮动环座外表面对称设置两个防转凸台；在浮动环内孔表面设置若干个瑞利槽，在浮动环内孔出口段和瑞利槽之间增加若干个周向槽；在浮动环内孔圆周方向均匀设置轴向槽，使其与瑞利槽和周向槽贯通。本发明在浮动环密封中引入瑞利动压槽结构，充分利用密封间隙流体的动压效应，进一步提高密封工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及密封装置，具体涉及一种氢氧火箭发动机氢氧涡轮泵动密封装置。
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，进一步降低成本和污染、提高可靠性和运载能力是运载火箭未来的发展方向。氢氧发动机具有理论比冲高、无污染、冷却性能好等优点，在国内外新一代运载火箭中得到普遍应用。
氢氧涡轮泵是氢氧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。随着发动机推力的提高，涡轮泵转速、轴径增大，导致接触式密封的唇部很容易被磨平。大推力发动机氢氧涡轮泵动密封主要采用非接触式动密封，如迷宫密封、浮动环密封等，而浮动环动密封主要为光环孔式浮动环密封。
光滑孔式浮动环浮起力较小，尤其在密封介质粘度较小的液氢环境中，工作时偏心率较大，导致浮动环磨损量较大。为降低浮动环的磨损量，提高动密封的重复使用次数，光滑孔式浮动环与转轴的配合间隙较大，直接导致浮动环泄漏量明显偏大；同时，光滑孔式浮动环与转轴表面的间隙中阻力系数较小，进一步增加了浮动环的泄漏量。
因此，为防止或尽可能减小推进剂的泄漏量，提高涡轮泵效率并防止液氧与富氢燃气混合，以确保涡轮泵工作安全可靠。鉴于此，发明了一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环动密封装置。
发明内容
本发明为克服现有氢氧发动机涡轮泵光滑孔式浮动环密封泄漏量大的缺点，提出一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，可以满足大推力氢氧发动机涡轮泵的性能及工作安全可靠性要求。
实现本发明目的的技术方案：一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其包括浮动环，浮动环设置在密封壳体与盖板形成的空腔内，在浮动环与盖板之间设置波形弹簧；密封轴套依次穿过盖板、浮动环和密封壳体的中心孔；所述的浮动环由整体石墨环与浮动环座热压装配组成，其中石墨环镶嵌在浮动环座内，浮动环座外表面对称设置两个防转凸台；在浮动环内孔表面设置若干个瑞利槽，在浮动环内孔出口段和瑞利槽之间增加若干个周向槽；在浮动环内孔圆周方向均匀设置轴向槽，使其与瑞利槽和周向槽贯通；所述的密封壳体对称设置防转槽，使其与浮动环的防转凸台配合。
如上所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其所述的波形弹簧对浮动环的背面施加轴向预载，使其与密封壳体形成轴向密封，波形弹簧的单位周长方向的预紧力为0.06～0.15N/mm。
如上所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其所述的密封壳体与盖板通过螺钉固定连接。
如上所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其所述的石墨环为M203K石墨；所述的浮动环座为GH4169金属。
如上所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其所述的浮动环出口段采用光滑直孔结构，并选取0.12mm～0.14mm径向密封间隙。
如上所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其在石墨环与密封壳体配合面加工环形凸台以减小接触摩擦面积，严格保证密封壳体的环形凸台密封面和浮动环的环形凸台工作面的端面垂直度和平面度，并采用研磨工艺保证配合面粗糙度要求。所述的浮动环的环形凸台工作面的端面垂直度0.01mm和平面度0.006mm，并采用研磨工艺保证工作面粗糙度 Ra0.1要求；所述的密封壳体的环形凸台密封面的端面垂直度0.01mm和平面度0.006mm，并采用研磨工艺保证工作面粗糙度Ra0.1要求。
如上所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其在浮动环内孔表面设置8～12个瑞利槽，在浮动环内孔出口段和瑞利槽之间增加1 个周向槽；在浮动环内孔圆周方向均匀设置与瑞利槽数量相等的轴向槽。
本发明的效果在于：本发明所述的氢氧火箭发动机氢氧涡轮泵动密封装置，其在浮动环密封中引入瑞利动压槽结构，充分利用密封间隙流体的动压效应，进一步提高密封工作性能。本发明与现有技术相比优点在于：(1)瑞利槽式浮动环浮起力大，反应迅速，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，适用于大推力氢氧发动机涡轮泵动密封；(2)瑞利槽式浮动环可以具有较小的出口段径向密封间隙，密封介质泄漏量小，解决了光滑孔式浮动环密封泄漏量大的问题，提高了涡轮泵效率。
附图说明
图1为本发明所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置结构示意图；
图2为瑞利槽式浮动环；
图3为图 2 的 视图Ⅰ(浮动环的环形凸台)局部放大图；
图4为密封壳体；
图5为图 4 的 视图Ⅱ(密封壳体的环形凸台)局部放大图；
图中：1.浮动环；2.密封壳体；3.盖板；4.波形弹簧；5.密封轴套； 6.螺钉；7.浮动环座；8.石墨环；9.轴向槽；10.瑞利槽；11.周向槽；12. 防转凸台；14.防转槽；16.密封壳体的环形凸台密封面；17.浮动环的背面； 18.浮动环的环形凸台工作面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置作进一步描述。
如图1所示，本发明所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，它包括浮动环1，浮动环1设置在密封壳体2与盖板3形成的空腔内，在浮动环1与盖板3之间设置波形弹簧4；密封轴套5依次穿过盖板3、浮动环1和密封壳体2的中心孔。
如图2所示，所述的浮动环1由整体石墨环8与浮动环座7热压装配组成，其中石墨环8镶嵌在浮动环座7内，浮动环座7外表面对称设置两个防转凸台12。在浮动环1内孔表面设置8～12个瑞利槽10(例如：8个、10个或12个)，在浮动环1内孔出口段和瑞利槽10之间增加1个周向槽11；在浮动环1内孔圆周方向均匀设置与瑞利槽数量相等的轴向槽9，使其与瑞利槽10和周向槽11贯通。
如图4所示，所述的密封壳体2对称设置防转槽14，使其与浮动环的防转凸台12配合。
所述的波形弹簧4对浮动环的背面17施加轴向预载，使其与密封壳体2 形成轴向密封，波形弹簧4的单位周长方向的预紧力为0.06～0.15N/mm(例如：0.06N/mm、0.10N/mm或0.15N/mm)。
所述的密封壳体2与盖板3通过螺钉6固定连接。
所述的石墨环8为M203K石墨；所述的浮动环座7为GH4169金属。
所述的浮动环1出口段采用光滑直孔结构，并选取0.12mm～0.14mm径向密封间隙。所述的浮动环1与密封轴套5的径向密封由两者之间形成的 0.12mm～0.14mm间隙形成。
如图3和图5所示，在石墨环8与密封壳体2配合面加工环形凸台以减小接触摩擦面积，严格保证密封壳体的环形凸台密封面16和浮动环的环形凸台工作面18的端面垂直度和平面度，并采用研磨工艺保证配合面粗糙度要求。所述的浮动环的环形凸台工作面18的端面垂直度0.01mm和平面度 0.006mm，并采用研磨工艺保证工作面粗糙度Ra0.1要求；所述的密封壳体的环形凸台密封面16的端面垂直度0.01mm和平面度0.006mm，并采用研磨工艺保证工作面粗糙度Ra0.1要求。
本发明为减小浮动环磨损，在浮动环内孔表面设置瑞利槽以增大浮动环浮起力。为确保浮动环工作时有充分的介质提供润滑，避免磨损，在浮动环内孔出口段和瑞利槽之间增加周向槽；浮动环内孔圆周方向均匀设置轴向槽，使其与瑞利槽和周向槽贯通，为周向槽提供充足的润滑介质，并为每个瑞利槽提供相同的边界条件。瑞利动压槽在极小的密封间隙时即可产生很大的动压力，加之密封内表面被瑞利槽等结构占据后，浮动环实际的接触摩擦面很小，因而瑞利动压槽浮动环密封可在很小的间隙内形成稳定的、较大刚度的流体膜。
在涡轮泵起动阶段，虽然转速不高，但随着介质供入，径向间隙较小的一侧瑞利槽会产生极大的动压力，迅速推动浮动环离开转轴，避免转轴与浮动环表面接触，因而瑞利动压槽式浮动环具有优越的起动工作性能。在轴旋转时，瑞利槽产生抽吸作用，使间隙中的密封介质获得能量，产生动压效应，提供平衡外界阻力的动压力，提高浮动环工作稳定性，避免磨损。
为提高轴向密封的可靠性，需保证密封壳体密封面和浮动环工作面的端面垂直度和平面度，并采用研磨工艺保证配合面粗糙度要求。为保证密封组件轴向密封的同时尽可能减小浮动环的浮起阻力，在石墨环与密封壳体配合面加工环形凸台以减小接触摩擦面积。为保证工作过程中浮动环的正常浮起，需选择合适的波形弹簧预紧力，单位周长方向的预紧力为0.06～0.15N/mm。
为减小泄漏量，如图2所示，浮动环出口段采用光滑直孔结构，并选取较小的径向密封间隙。为防止浮动环转动，浮动环座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；密封壳体外表面加工两处对称防转凸台，保证密封面的端面垂直度和平面度，并采用研磨工艺保证密封面的粗糙度要求。
安装浮动环密封组件。首先将浮动环防转凸台置于密封壳体的防转槽内，其次安装波形弹簧，最后用螺钉将盖板固定于密封壳体，使其工作面与密封壳体密封面形成轴向密封，保证波形弹簧压缩高度，使其对浮动环施加合理的轴向预载，保证浮动环正常浮起。
Claims (6)
1.一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其特征在于：它包括浮动环(1)，浮动环(1)设置在密封壳体(2)与盖板(3)形成的空腔内，在浮动环(1)与盖板(3)之间设置波形弹簧(4)；密封轴套(5)依次穿过盖板(3)、浮动环(1)和密封壳体(2)的中心孔；
所述的浮动环(1)由整体石墨环(8)与浮动环座(7)热压装配组成，其中石墨环(8)镶嵌在浮动环座(7)内，浮动环座(7)外表面对称设置两个防转凸台(12)；在浮动环(1)内孔表面设置若干个瑞利槽(10)，在浮动环(1)内孔出口段和瑞利槽(10)之间增加若干个周向槽(11)；在浮动环(1)内孔圆周方向均匀设置轴向槽(9)，使其与瑞利槽(10)和周向槽(11)贯通；
所述的密封壳体(2)对称设置防转槽(14)，使其与浮动环的防转凸台(12)配合；
所述的波形弹簧(4)对浮动环的背面(17)施加轴向预载，使其与密封壳体(2)形成轴向密封，波形弹簧(4)的单位周长方向的预紧力为0.06～0.15N/mm；
在石墨环(8)与密封壳体(2)配合面加工环形凸台以减小接触摩擦面积，严格保证密封壳体的环形凸台密封面(16)和浮动环的环形凸台工作面(18)的端面垂直度和平面度，并采用研磨工艺保证配合面粗糙度要求。
2.根据权利要求1所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其特征在于：所述的密封壳体(2)与盖板(3)通过螺钉(6)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其特征在于：所述的石墨环(8)为M203K石墨；所述的浮动环座(7)为GH4169金属。
4.根据权利要求1所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其特征在于：所述的浮动环(1)出口段采用光滑直孔结构，并选取0.12mm～0.14mm径向密封间隙。
5.根据权利要求1所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其特征在于：所述的浮动环的环形凸台工作面(18)的端面垂直度0.01mm和平面度0.006mm，并采用研磨工艺保证工作面粗糙度Ra0.1要求；所述的密封壳体的环形凸台密封面(16)的端面垂直度0.01mm和平面度0.006mm，并采用研磨工艺保证工作面粗糙度Ra0.1要求。
6.根据权利要求1所述的一种氢氧发动机涡轮泵用瑞利槽式浮动环密封装置，其特征在于：在浮动环(1)内孔表面设置8～12个瑞利槽(10)，在浮动环(1)内孔出口段和瑞利槽(10)之间增加1个周向槽(11)；在浮动环(1)内孔圆周方向均匀设置与瑞利槽数量相等的轴向槽(9)。
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