集成型涡轮泵密封装置、装配方法、涡轮泵以及液体火箭推进装置与流程

本发明涉及液体火箭推进装置涡轮泵动密封设备。特别是涉及一种集成型涡轮泵密封装置、该密封装置的装配方法、带有该密封装置的涡轮泵以及带有该涡轮泵的液体火箭推进装置。

背景技术：

1、近年来，随着低轨卫星星座组网、可重复使用运载火箭及商业化发射服务的发展，商业航天对液体火箭发动机提出了低成本、高可靠、高频次、快速周转和可重复使用的迫切需求。液氧/甲烷推进剂因性能较高、结焦倾向低、便于重复使用维护等特点，在商业航天液体火箭发动机中受到广泛关注。涡轮泵作为液体火箭发动机的核心高速旋转部件，需要在超低温、高转速、高功率密度和强振动工况下可靠工作，其密封性能直接影响发动机的安全性、性能、推重比和复用寿命。对于氧泵与燃料泵相邻布置的涡轮泵，氧化剂与燃料之间的可靠隔离、氮气吹扫及泄漏排放尤为关键。

2、目前现有的氧化剂泵和燃料泵之间的动密封装置为多种密封的串联组合密封系统，这种组合密封系统通常包括接触式机械端面密封、浮动环密封、及非接触式流体动压密封等，密封系统的轴向尺寸为几种密封的尺寸及密封间腔体尺寸的累计之和，可占比旋转轴长度的20%以上。尤其对于百吨级大推力发动机涡轮泵，轴向尺寸过长的动密封系统会造成转子临界转速明显下降和涡轮泵壳体因尺寸变长而明显增重，限制了涡轮泵综合性能参数的提高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种集成型涡轮泵密封装置及其装配方法，以解决上述现有技术存在的其中一个或者全部的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明的第一方面，提供一种集成型涡轮泵密封装置，密封装置安装在液体火箭推进装置涡轮泵的氧泵壳体与燃料泵壳体之间，涡轮旋转轴沿轴向贯穿密封装置，所述密封装置包括：

4、涡轮轴套，所述涡轮轴套套设在所述涡轮旋转轴且随所述涡轮旋转轴同步旋转；

5、两个密封动环，两个所述密封动环相互平行地固定安装于所述涡轮旋转轴，所述涡轮轴套位于两个所述密封动环之间；

6、静密封组件，套设在所述涡轮轴套的外侧，所述静密封组件的两端分别通过紧固件固定连接至所述氧泵壳体与所述燃料泵壳体；

7、所述静密封组件集成设置有氮气入口流道、氧氮介质泄出通道和甲烷氮介质泄出通道；

8、所述静密封组件包括一体成型的密封壳体，所述密封壳体的内侧沿周向设置有氧泵侧第一密封腔、氧泵侧第二密封腔、燃料泵侧第一密封腔和燃料泵侧第二密封腔；所述氧泵侧第一密封腔、氧泵侧第二密封腔、燃料泵侧第一密封腔和燃料泵侧第二密封腔中分别设置有环形封闭件。

9、根据本发明的一个实施例，所述涡轮轴套的内侧壁设置有垫圈槽，轴套静密封圈嵌设在所述垫圈槽中，实现所述涡轮轴套与所述涡轮旋转轴之间的密封，所述氮气入口流道、所述氧氮介质泄出通道和所述甲烷氮介质泄出通道分别设置于所述密封壳体。

10、根据本发明的一个实施例，所述环形封闭件包括静环转接座、静环后座、静环波纹管、镶环和石墨静环；每个所述环形封闭件的静环转接座分别固定且密封安装在对应氧泵侧第一密封腔/氧泵侧第二密封腔/燃料泵侧第一密封腔或燃料泵侧第二密封腔中；所述静环后座固定且密封设置在静环转接座，所述镶环沿涡轮旋转轴的轴向可滑动的嵌设至静环转接座，所述石墨静环与所述镶环通过过盈装配方式连接；所述静环波纹管的一端与所述镶环固定连接，另一端与所述静环后座固定连接，所述静环波纹管通过所述镶环推动所述石墨静环贴合至密封动环的内侧壁。

11、根据本发明的一个实施例，设置在所述氧泵侧第一密封腔和所述氧泵侧第二密封腔中的所述环形封闭件与靠近氧泵壳体一侧的所述密封动环的内侧壁贴紧，形成氧密封端面和氧侧氮密封端面，所述氧密封端面和所述氧侧氮密封端面共同构成氧泵侧的双端面密封结构，设置在所述燃料泵侧第一密封腔和所述燃料泵侧第二密封腔中的所述环形封闭件与靠近燃料泵壳体一侧的所述密封动环的内侧壁贴紧，形成燃料密封端面和燃侧氮密封端面，所述燃料密封端面和所述燃侧氮密封端面共同构成燃料泵侧的双端面密封结构。

12、根据本发明的一个实施例，所述环形封闭件包括静环环座、石墨环、弹簧和泛塞密封；所述静环环座嵌设至对应的氧泵侧第一密封腔/氧泵侧第二密封腔/燃料泵侧第一密封腔或燃料泵侧第二密封腔中，所述静环环座沿涡轮旋转轴的轴向可滑动设置，所述石墨环嵌设至静环环座；所述弹簧设置在密封壳体与静环环座之间，所述泛塞密封垫设在密封壳体与静环环座之间的间隙处，所述弹簧向所述静环环座提供轴向弹力，推动所述静环环座带动所述石墨环的端面与所述密封动环的端面贴紧。

13、根据本发明的一个实施例，所述密封壳体的两侧端分别设置有法兰接口，其中密封壳体一侧的法兰接口与氧泵壳体通过紧固件螺栓固定连接，密封壳体另一侧的法兰接口与燃料泵壳体通过紧固件螺栓固定连接。

14、根据本发明的一个实施例，在所述法兰接口与氧泵壳体和/或燃料泵壳体之间设置有密封垫圈。

15、本发明的第二方面，本技术提供了上述集成型涡轮泵密封装置的装配方法，包括以下步骤：

16、s1：测量所述静密封组件的四处密封端面至法兰端面的轴向距离，记为第一距离；

17、s2：将所述涡轮旋转轴装配至所述燃料泵壳体中，将靠近燃料泵壳体一侧的所述密封动环装配至所述涡轮旋转轴并进行周向定位；将所述轴套静密封圈分别装入所述涡轮轴套的左右密封槽内，再将所述涡轮轴套装配至所述涡轮旋转轴并压紧靠近燃料泵壳体一侧的所述密封动环，测量靠近燃料泵壳体一侧的所述密封动环的密封端面至所述燃料泵壳体的法兰端面的距离，记为第二距离；在所述燃料泵壳体的法兰密封槽内装入静密封圈；

18、s3：将所述静密封组件装配至所述燃料泵壳体，通过所述紧固件进行连接，使所述静密封组件中靠燃料泵侧的两个密封端面与靠近燃料泵壳体一侧的所述密封动环压紧，所述静密封组件中靠燃料泵侧的波纹管压缩量为所述第一距离与所述第二距离之差；将静密封圈安装至所述静密封组件的靠氧泵侧法兰静密封位置；

19、s4：将靠近氧泵壳体一侧的所述密封动环装配至所述涡轮旋转轴，使靠近氧泵壳体一侧的所述密封动环与所述涡轮轴套压紧，保证所述静密封组件中靠氧泵侧的两个密封端面与靠近氧泵壳体一侧的所述密封动环压紧，使靠氧泵侧的两个密封端面至靠氧泵侧法兰端面的轴向尺寸为所述第二距离，所述轴向尺寸通过所述涡轮轴套的轴向长度进行调节，其中所述静密封组件中靠氧泵侧的波纹管压缩量为所述第一距离与所述第二距离之差；

20、s5：装配所述氧泵壳体，完成涡轮泵动密封装置的装配。

21、本发明的第三方面，本技术提供了一种液体火箭推进装置涡轮泵，所述液体火箭推进装置涡轮泵中包括上述的集成型涡轮泵密封装置。

22、本发明的第四方面，本技术提供了一种液体火箭推进装置，所述液体火箭推进装置包括上述的发动机涡轮泵。

23、有益效果

24、本发明至少具有以下之一的技术效果：

25、其一：本发明通过将四处密封静环径向集成于同一密封壳体内，并在密封壳体内部集中设置氮气入口流道、氧氮介质泄出通道和甲烷氮介质泄出通道，使涡轮泵泵间动密封系统的轴向尺寸相比传统串联组合密封系统缩短50%以上，轴向尺寸的大幅缩短直接减小了涡轮泵转子的轴长，使转子临界转速显著提高，尤其适用于高速刚性轴涡轮泵；同时，密封系统轴向尺寸的缩短同步减小了涡轮泵壳体的轴向长度，有利于降低涡轮泵整体重量，提高发动机推重比，有效解决了现有技术中因动密封系统轴向尺寸过长而导致转子临界转速下降和壳体明显增重的问题。

26、其二：本发明将传统泵间密封系统中分散布置的接触式机械端面密封、浮动环密封及非接触式流体动压密封等功能集成于一个静密封组件中，零组件数量相比传统涡轮泵动密封系统减少至少50%以上，零组件数量的显著减少简化了密封系统的装配工艺，减少了装配环节和装配误差积累，有利于提高涡轮泵的装配效率和装配质量的一致性。

27、其三：本发明通过环形封闭件中静环波纹管或弹簧加泛塞密封的弹性施力结构，使石墨静环端面始终与密封动环端面保持可靠贴合，并通过材料的选择和局部结构变形，使密封装置适用于常温介质、高温介质及低温介质等不同工况，也适用于不同压力推进剂介质的动密封需求，具有良好的环境适应性。