一种用于高速液氧涡轮泵的机械式端面密封比压测量装置的制作方法

本发明涉及液体火箭发动机涡轮泵用机械密封应用领域，是一种用于高速液氧涡轮泵的机械式端面密封比压测量装置，主要应用于液氢液氧推进剂的火箭发动机端面密封比压测量试验。

背景技术：

进入21世纪以来，世界各航天大国纷纷推出了各自的新一代运载火箭，氢氧膨胀循环火箭发动机因其系统简单、可靠性高、性能高、适应性强、可多次启动等优点而在国外新一代运载火箭上面级得到普遍应用。

氢氧涡轮泵是氢氧膨胀循环火箭发动机的核心组件之一，其常采用的密封形式有端面密封、迷宫密封等形式，其中端面密封泄漏量小，但是存在结构复杂、摩擦生热量大、膜盒变形大等缺点。特别是在液氢液氧发动机涡轮泵中，为确保安全工作，氢氧介质需要氦气起隔离氢、氧介质的作用，但是氦气润滑性较差，而且限于发动机工作条件，氦气端面密封工作时无冷却液，在发动机正常试车中常出现氦腔压力升高，发热量较大的现象。

氦密封腔温度和压力升高不仅会造成氦密封的工况严重偏离设计工况，造成密封性能改变，同时还存在一定的安全隐患，温度过高会造成氦密封石墨环与静环座过盈量不足，使石墨环从静环座中脱出断裂，动环涂层产生严重磨损甚至热裂现象，压力过高会造成膜盒应力过大，产生变形甚至破裂，均会导致氦密封失效，无法起到隔绝氢氧介质的作用，影响氧涡轮泵工作可靠性，并且会造成氦气用量过大，发动机控制气不足，阀门无法动作导致发动机无法关机或二次起动。

目前氦密封比压计算均是采用理论公式计算不充压状态下的密封比压，并选取经验公式计算密封腔压力对密封比压的影响，无法实际测量真正充压状态下密封比压的数值，因此工作压力下的密封比压计算存在较大误差。实际使用时，由于对氦气端面密封的比压没有实际数据的支持，导致对于密封腔压力升高问题无法进行准确的定量分析和定位，因而无法采取有效的控制措施，从根本上有效避免密封腔压力升高的现象，也无法详细掌握端面密封的设计及使用。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对传统氦气端面密封无法实际测量真正充压状态下密封比压的数值导致无法有效控制密封腔压力升高的问题，提出了一种用于高速液氧涡轮泵的机械式端面密封比压测量装置，能够精确测量液氢液氧推进剂的火箭发动机端面密封比压数值。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于高速液氧涡轮泵的机械式端面密封比压测量装置，包括密封静环组件、动环、第一轴套、壳体、轴、充压管嘴、密封垫、第二轴套、压力传感器，其中轴为两段式结构，包括细段的轴体部分与粗段的活塞部分，第一轴套和第二轴套从上部和下部分别套接在所述轴体部分上，第一轴套和第二轴套的连接处通过密封垫与动环固定连接，密封静环组件固定于第一轴套上，壳体的上端与密封静环组件固定连接，动环的上端与密封静环组件紧贴，壳体的下端与活塞部分相连，壳体、密封静环组件、第一轴套、第二轴套及活塞部分共同围成一个密闭的充压腔，压力传感器位于所述活塞部分的底端，充压管嘴固定在壳体外部并与所述充压腔连通。

优选的，活塞部分与壳体为间隙配合，活塞部分直径应与端面密封静环组件中石墨环的内径一致。

进一步的，所述密封静环组件包括静环壳体，金属膜盒，石墨环，金属膜盒装于静环壳体内，石墨环装于静环壳体下端，其中石墨环下端与动环相连，静环壳体与壳体相连，密封静环组件压缩量通过密封垫片进行调节。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明解决了现有的端面密封比压无法测量的问题，在传统的理论分析中，端面密封比压被认为是恒定不变的，但在实际测量中该数值会不断变化，与传统的理论分析相比，本装置通过充压管嘴向由密封静环组件、第一轴套、第二轴套、壳体及活塞部分组成的充压腔中充气，在金属膜盒压力不断变化的情况下，通过轴体部分与活塞部分对压力的传递及压力传感器的数值检测，实现了对不断变化的压力的实时监控，克服了原有密封设计时不能准确测量的密封比压数据的问题，弥补了原有的数据不足的缺失。

(2)本发明采用活塞轴活塞部分与壳体小间隙配合保证密封腔建压，避免了o型圈密封的摩擦力影响，测量的准确度大大提高。

(3)本发明在设计时考虑了液体火箭发动机中所使用的成品氦气端面密封。针对成品氦气密封，为了使活塞轴在高压下的受力平衡，通过提前计算预设压缩量选择密封垫，活塞直径和动环外径一致，充压情况下有气体充入，石墨部分与活塞部分受力相同，这样消除了活塞轴受力的不平衡。

(4)本发明设计的密封比压测量装置结构简单，易加工，零件多为金属元件，能通过压力检测，相比于o型圈密封测量方法，本装置可以完整的在较低温度的环境下有效测得装置密封比压，能够适应零下196度至常温范围内的所有温度环境，并计算出密封比压变化曲线，适用于高速液氧涡轮泵机械端面密封，同时可以满足各种液体和气体介质的检测。

附图说明

图1为发明提供的氦气端面密封比压测量装置装配图；

图2为发明提供的密封静环组件图；

图3为发明提供的动环结构图；

图4为发明提供的主轴结构图；

具体实施方式

如图1所示本发明包括密封静环组件2、动环3、第一轴套1、壳体4、轴5、充压管嘴6、密封垫7、第二轴套8、压力传感器9，其中轴5为两段式结构，包括细段的轴体部分与粗段的活塞部分，第一轴套1和第二轴套8从上部和下部分别套接在所述轴体部分上，第一轴套1和第二轴套8的连接处通过密封垫7与动环3固定连接，密封静环2组件固定于第一轴套1上，动环3的上端与密封静环组件2紧贴，壳体4的上端与密封静环组件2固定连接，壳体4的下端与所述活塞部分相连，壳体4、密封静环组件2、第一轴套1、第二轴套8及所述活塞部分共同围成一个密闭的充压腔10，充压管嘴6固定在壳体4外部并与所述充压腔10连通，压力传感器9位于活塞部分的底端，活塞部分与壳体为间隙配合，如图4所示，活塞部分直径应与动环3外径一致，如图2所示密封静环组件2包括静环壳体201，金属膜盒202，石墨环203三部分，金属膜盒202装于静环壳体201内，石墨环203装于静环壳体201下端，其中石墨环203下端与动环3相连，如图3所示为动环的具体结构图，静环壳体201与壳体4相连，静环组件2压缩量通过密封垫7进行调节。

本装置的工作流程如下：

装置装配完成后，通过充压管嘴6向充压腔10中充入气体，在密闭空间内密封静环组件2受到外压作用，金属膜盒202在外压作用下会对动环3产生轴向推力，推力通过动环传递给轴体部分，再由轴体部分传递给活塞部分，最后传递给压力传感器9，通过压力传感器9读出测出的压力数据，通过读取不同的充压压力以及压力传感器9的数据，经过计算得到密封比压曲线。

端面密封比压的计算公式为

pb＝psp+(k-λ)·ps

其中pb为压力传感器9测出的压力数据，psp为金属膜盒202压缩产生的比压即：fm/s；fm为金属膜盒202压缩力，即由金属膜盒202压缩引起的弹簧力，根据金属膜盒202预先给定的压缩量可以求到，s为密封面面积，即密封静环组件2中石墨环203面积；ps为密封静环组件2内外腔介质压差，即充压压力p1与大气压p2差值的绝对值|p1-p2|；k-λ为密封载荷系数，用来表征不同密封特性的参数，不同的金属膜盒202有不同的载荷系数，且载荷系数随着压力变化而变化，是密封的特性，因此可得：

k-λ＝(pb-psp)/ps

根据在不同充压压力情况下求得的载荷系数可得密封比压曲线。

该密封比压曲线体现了在液氧涡轮泵的运行中密封静环组件与工作压力的关系，为液氧涡轮泵的机械端面密封比压使用提供了使用基础。