本實(shí)用新型涉及密封裝置，具體涉及一種氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵用圓周分段式氦密封裝置。

背景技術(shù)：

新世紀(jì)以來(lái)，世界范圍內(nèi)迎來(lái)了一波航天科技發(fā)展的大潮。世界各航天大國(guó)紛紛提出了振興航天的一系列大工程，如登陸火星、探月等，而大推力火箭是完成這些計(jì)劃必不可少的運(yùn)輸工具。氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有高比沖、高可靠性、良好的適應(yīng)性，以及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外新一代運(yùn)載火箭中得到普遍應(yīng)用。氧渦輪泵是氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組件之一，采用富氫燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)高壓氧泵，為保證氧渦輪泵安全、可靠工作，需完全隔離液氧與富氫燃?xì)?，氦密封是?shí)現(xiàn)這兩種不兼容介質(zhì)完全隔離的關(guān)鍵組件，其隔離氦氣用量影響到火箭的有效載荷，是一個(gè)需要嚴(yán)格控制的指標(biāo)。目前氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵的氦密封主要采用端面密封、迷宮密封和流體動(dòng)壓浮動(dòng)環(huán)等結(jié)構(gòu)形式。端面密封存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、制造散差大、摩擦生熱量大、可靠性偏低等缺點(diǎn)。迷宮密封泄漏量大，無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求。流體動(dòng)壓浮動(dòng)環(huán)適合于低粘度氣體介質(zhì)場(chǎng)合，其泄漏量介于端面密封與迷宮密封之間，可靠性高，但隨著結(jié)構(gòu)尺寸增大，泄漏量會(huì)大幅提高。隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)一步加大，氧渦輪泵結(jié)構(gòu)尺寸增大，而系統(tǒng)要求氧渦輪泵氦密封具有氦泄漏量低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、可靠性高等特性。上述端面密封、迷宮密封和流體動(dòng)壓浮動(dòng)環(huán)密封均不再滿足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵傳統(tǒng)的端面密封、迷宮密封和流體動(dòng)壓浮動(dòng)環(huán)密封一系列不適應(yīng)于大推力發(fā)動(dòng)機(jī)要求的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提出一種氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵用圓周分段式氦密封裝置，其工作密封間隙極小、泄漏率 低于流體動(dòng)壓浮動(dòng)環(huán)0.2倍(相同的密封直徑)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案：一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其在蓋板和密封殼體形成的腔內(nèi)放置圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二；在圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二的圓環(huán)內(nèi)放置密封軸套；所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二背靠背放置并且兩者之間采用預(yù)緊彈簧預(yù)緊；所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二分別由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的扇形狀弧段首尾相連組成，并且在外圓面通過(guò)箍簧約束；裝配狀態(tài)下，受箍簧約束的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二抱緊于密封軸套外表面以形成徑向密封面，并且受預(yù)緊彈簧的作用，圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二的端面分別貼緊于密封殼體和蓋板對(duì)應(yīng)的端面上以形成軸向密封面，在圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二、蓋板、密封殼體和密封軸套之間形成一個(gè)氦密封腔。

如上所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二的每個(gè)扇形狀弧段一側(cè)內(nèi)表面帶有一個(gè)密封壩，其與低壓區(qū)密封軸套之間接觸或保持小間隙，起到有效節(jié)流、密封作用；在密封壩上游設(shè)置一個(gè)周向槽，在周向槽與氦密封腔之間的密封面上設(shè)置若干個(gè)橫向槽，其方向從氦密封腔指向低壓區(qū)，每個(gè)橫向槽均連著周向槽，氦密封腔中的介質(zhì)通過(guò)橫向槽進(jìn)入周向槽，被密封壩節(jié)流；橫向槽將密封面分割成若干個(gè)獨(dú)立的密封瓦，在每個(gè)密封瓦上均設(shè)置一個(gè)動(dòng)壓槽，動(dòng)壓槽一端開(kāi)口處連著橫向槽，另一端沿著周向在密封瓦的某處截止，即動(dòng)壓槽終點(diǎn)；動(dòng)壓槽具有動(dòng)壓效應(yīng)，進(jìn)入橫向槽的介質(zhì)沿周向進(jìn)入動(dòng)壓槽，受動(dòng)壓槽終點(diǎn)的節(jié)流，在動(dòng)壓槽和密封瓦上產(chǎn)生動(dòng)壓力。橫向槽將密封面分割成若干個(gè)獨(dú)立的密封瓦，在每個(gè)密封瓦上均設(shè)置一個(gè)動(dòng)壓槽，動(dòng)壓槽一端開(kāi)口處連著橫向槽；動(dòng)壓槽具有動(dòng)壓效應(yīng)，進(jìn)入橫向槽的介質(zhì)沿周向進(jìn)入動(dòng)壓槽，受動(dòng)壓槽終點(diǎn)的節(jié)流，在動(dòng)壓槽和密封瓦上產(chǎn)生動(dòng)壓力。

如上所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其在所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二的外圓面上設(shè)置一圈環(huán)槽，用 于放置箍簧。

如上所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其在所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二靠近氦密封腔的上游端面上均布若干個(gè)圓孔用于放置預(yù)緊彈簧。

如上所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其在所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二靠近低壓區(qū)的下游端面上設(shè)置一段卸荷環(huán)槽，其作用是部分平衡上游端面壓力。

如上所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其在密封殼體和蓋板上分別設(shè)置若干個(gè)銷釘，裝配時(shí)，這些銷釘分別放置于圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二上設(shè)有的銷釘槽內(nèi)，起到防止圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二旋轉(zhuǎn)的作用。

如上所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其在所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二靠近低壓區(qū)的下游端面上還設(shè)置若干個(gè)銷釘槽，用于容納密封殼體和蓋板上的銷釘。

如上所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其所述的圓周分段密封環(huán)一和圓周分段密封環(huán)二采用石墨材料，與其配合的密封軸套采用金屬基體噴涂氧化鉻涂層，兩者之間形成良好的摩擦副。

本實(shí)用新型的效果在于：本實(shí)用新型提供一種氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其密封環(huán)由若干扇形弧段構(gòu)成，并引入流體動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)，充分利用密封間隙流體的動(dòng)壓效應(yīng)，使得氦密封在極小的間隙下可靠工作，并維持較低泄漏量。進(jìn)一步講，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的圓周分段式氦密封裝置適用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵，與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)圓周分段密封環(huán)具有動(dòng)壓浮動(dòng)能力。在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷階段，圓周分段氦密封環(huán)抱緊密封軸套，兩者的配合密封面直徑相同，因此間隙極小，泄漏量小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)主級(jí)工作時(shí)，渦輪泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使圓周分段密封環(huán)內(nèi)表面產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，其動(dòng)壓力克服外載荷，使得圓周分段密封環(huán)浮起，與密封軸套保持極小的密封間隙，泄漏量與預(yù)冷階段基本一致。

(2)在發(fā)動(dòng)機(jī)主級(jí)階段，圓周分段密封環(huán)動(dòng)壓力足以使其與密封軸套保持極小的密封間隙，避免兩者之間接觸摩擦。僅在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)過(guò)渡段，因圓周分段密封環(huán)動(dòng)壓力不足，其與密封軸套存在瞬間接觸，這種瞬間接觸磨損減小了圓周分段密封環(huán)上動(dòng)壓槽的深度，反而提高了其動(dòng)壓能力，反過(guò)來(lái)減小了因過(guò)渡階段瞬間接觸摩擦的可能性，并且稍微增大主級(jí)工作的密封間隙，延長(zhǎng)圓周分段氦密封裝置使用壽命，提高其重復(fù)使用能力和工作可靠性。

(3)圓周分段式氦密封裝置軸向尺寸比端面密封和浮動(dòng)環(huán)密封都更小，可有效減小渦輪泵轉(zhuǎn)子懸臂尺寸，對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)特性調(diào)整更有利，尤其適合于提高剛性轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。

(4)相比浮動(dòng)環(huán)式氦密封，可將圓周分段式氦密封的氦密封腔供氣壓力進(jìn)一步降低，而不影響工作性能，可以有效控制氦泄漏率。

(5)圓周分段式氦密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，結(jié)構(gòu)可靠性高。

附圖說(shuō)明

圖1為圓周分段式氦密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圓周分段式氦密封裝置剖視圖；

圖3為圓周分段式氦密封裝置局部放大圖；

圖4為圓周分段密封環(huán)一單弧段展開(kāi)圖；

圖5為圓周分段密封環(huán)二單弧段展開(kāi)圖；

圖6為圖4中圓周分段密封環(huán)的A向視圖；

圖7為圖4中圓周分段密封環(huán)的B向視圖；

圖8為預(yù)先安裝銷釘?shù)拿芊鈿んw結(jié)構(gòu)圖；

圖9為圖8的A-A剖視圖；

圖10為預(yù)先安裝銷釘?shù)纳w板結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖11為圖10的A-A剖視圖。

圖中：1.圓周分段密封環(huán)一；2.圓周分段密封環(huán)二；3.密封殼體；4.蓋板；5.密封軸套；6.箍簧；7.預(yù)緊彈簧；8.銷釘；9.密封墊圈；10.螺 栓；11.墊圈；12.徑向密封面；13.軸向密封面；14.氦密封腔；15.扇形狀弧段；16.周向槽；17.密封壩；19.橫向槽；20.動(dòng)壓槽；21.密封瓦；22.環(huán)槽；23.圓孔；24.卸荷環(huán)槽；28.銷釘槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型所述的一種氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)用新型所述的一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵圓周分段式氦密封裝置，其包括兩組圓周分段氦密封環(huán)1和2、密封殼體3、蓋板4、箍簧6、預(yù)緊彈簧7、銷釘8、密封墊圈9、螺栓10、墊圈11以及密封軸套5等。圓周分段氦密封裝置兩側(cè)為氧腔和富氫燃?xì)馇唬ぷ鲿r(shí)從供氦通道供應(yīng)一定壓力的氦氣，保證氦密封腔壓力比兩側(cè)氧腔和富氫燃?xì)馇粔毫Ω哂谝欢ㄖ?，可有效隔離兩種不兼容介質(zhì)。

如圖1所示，在蓋板4和密封殼體3形成的腔內(nèi)放置圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2；在圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2的圓環(huán)內(nèi)放置密封軸套5。

圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2背靠背放置并且的兩者之間采用預(yù)緊彈簧7預(yù)緊。

如圖2所示，圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2分別由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的扇形狀弧段15首尾相連組成，并且在外圓面通過(guò)箍簧6約束。

如圖3所示，裝配狀態(tài)下，受箍簧6約束的圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2抱緊于密封軸套5外表面以形成徑向密封面12，并且受預(yù)緊彈簧7的作用，圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2的端面分別貼緊于密封殼體3和蓋板4對(duì)應(yīng)的端面上以形成軸向密封面13，在圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2、蓋板4、密封殼體3和密封軸套5之間形成一個(gè)氦密封腔14。隔離氦氣從圖1所示的氦氣進(jìn)口處供入，進(jìn)入氦密封腔14，經(jīng)兩組圓周分段氦密封環(huán)節(jié)流、減壓，分別泄出到兩側(cè)低壓區(qū)。保證氦密封腔壓力比兩側(cè)低壓區(qū)壓力高于一定值，就能完全隔離兩側(cè)低壓區(qū)的不兼容介質(zhì)。

圓周分段密封環(huán)1和2單個(gè)弧段內(nèi)表面的平面展開(kāi)圖分別見(jiàn)圖4和圖5。以圖4為例，每個(gè)扇形狀弧段15一側(cè)內(nèi)表面帶有一個(gè)密封壩17，其與低壓區(qū)密封軸套4之間接觸或保持小間隙，起到有效節(jié)流、密封作用。在密封壩17上游設(shè)置一個(gè)周向槽16，在周向槽16與氦密封腔14之間的密封面上設(shè)置若干個(gè)橫向槽19，其方向從氦密封腔指向低壓區(qū)，每個(gè)橫向槽19均連著周向槽16，氦密封腔中的介質(zhì)通過(guò)橫向槽19進(jìn)入周向槽16，被密封壩17節(jié)流。橫向槽19將密封面分割成若干個(gè)獨(dú)立的密封瓦21，在每個(gè)密封瓦21上均設(shè)置一個(gè)動(dòng)壓槽20，動(dòng)壓槽20一端開(kāi)口處連著橫向槽19，另一端沿著周向在密封瓦21的某處截止，即動(dòng)壓槽終點(diǎn)；動(dòng)壓槽20具有動(dòng)壓效應(yīng)，當(dāng)渦輪泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)入橫向槽19的介質(zhì)沿周向進(jìn)入動(dòng)壓槽20，受動(dòng)壓槽終點(diǎn)的節(jié)流，在動(dòng)壓槽20和密封瓦21上產(chǎn)生動(dòng)壓力。當(dāng)動(dòng)壓力足夠大時(shí)，克服圓周分段密封環(huán)所受外載荷，使密封環(huán)內(nèi)表面脫離密封軸套而浮起，密封間隙高度增大。

如圖6所示，在圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2的外圓面上設(shè)置一圈環(huán)槽22，用于放置箍簧6。在圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2靠近氦密封腔的上游端面上均布若干個(gè)圓孔23用于放置預(yù)緊彈簧7。

如圖7所示，在圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2靠近低壓區(qū)的下游端面上設(shè)置一段卸荷環(huán)槽24，其作用是部分平衡上游端面壓力。

如圖8至圖11所示，密封殼體3和蓋板4上分別設(shè)置若干個(gè)銷釘8，在圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2靠近低壓區(qū)的下游端面上還設(shè)置若干個(gè)銷釘槽28，在裝配時(shí)，這些銷釘8分別放置于圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2上設(shè)有的銷釘槽28內(nèi)，起到防止圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2旋轉(zhuǎn)的作用。

本實(shí)用新型所述的圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2采用石墨材料，與其配合的密封軸套5采用金屬基體噴涂氧化鉻涂層，兩者之間形成良好的摩擦副。

圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2具有動(dòng)壓浮動(dòng)能力。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷階段，圓周分段密封環(huán)一1和圓周分段密封環(huán)二2受箍簧6和預(yù)緊彈簧 7約束，在氦密封腔14壓力作用下緊貼密封殼體3、蓋板4和密封軸套5表面，此時(shí)經(jīng)兩組密封環(huán)泄出的介質(zhì)極少。當(dāng)渦輪泵工作時(shí)，渦輪泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，在密封面內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)壓力克服阻力使密封環(huán)段浮起，與轉(zhuǎn)子形成極小的間隙，保持極小的泄漏量，并且避免圓周分段封環(huán)與密封軸套摩擦接觸。