一种适于高速高压用动密封装置及航空器的制作方法

本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种适于高速高压用动密封装置及航空器。

背景技术：

目前，世界范围内进入了商业航天大发展的潮流，高可靠性、低成本、重复使用、无污染火箭发动机成为液体火箭发动机的发展方向。其中，火箭中的液氧甲烷发动机具有冷却性能好、燃烧效率高、不易结焦、比冲高于液氧煤油发动机，并且单位质量甲烷燃料成本只有煤油的1/3，液氢的1/30，在航天领域获得较广的应用。

甲烷泵作为液氧甲烷发动机的重要组成部分，其作用是输送发动机工作时所需的低温液态甲烷，甲烷泵紧邻涡轮腔设置。通常在液体火箭发动机泵和涡轮之间设置有一套密封装置，以使得发动机泵的介质侧与涡轮腔之间形成密封，受涡轮腔内燃料燃烧产生的高温影响，该密封处介质侧与涡轮腔之间的温差≥600k，使得常规的密封装置无法适用。对此，现有技术中，国内外用于高压高速环境下的密封主要有两种：

一种是非接触式密封，其原理是采用迷宫局部间隙实现逐级减压和密封，如浮动环、迷宫密封等，该种密封结构简单，但密封性能不理想，工作时介质泄漏量较大，为提高密封可靠性，还需额外增加高压吹除系统；

另一种是接触式机械密封，其原理是利用弹性元件使摩擦副紧密贴合实现密封，该种密封结构较为成熟，可实现静态密封，动态工作时介质泄漏量小。但该类密封装置存在起动和关机过程摩擦副密封面磨损量较大，密封多次使用后，密封性能下降，甚至失效，故该类密封更不能满足涡轮泵高转速、超高压力、温度梯度大等恶劣工况下长寿命、高可靠性和重复使用的要求。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种密封装置及航空器，以解决或至少减轻现有技术中密封装置在高转速、高压力、温度梯度大等恶劣工况下无法满足长寿命、高可靠性和重复使用的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适于高速高压用动密封装置包括：

密封壳体，间隔待形成密封的两腔体，所述密封壳体上开设有连通所述两腔体的通孔；

转轴，可转动并至少部分地贯穿所述通孔设置；

液封轮，安装在所述转轴上，随所述转轴的转动而转动，并可在转动时与密封壳体之间形成液封；以及

隔热密封环，设置在所述转轴与所述密封壳体之间，并临近所述液封轮设置，并与所述液封轮形成组合密封。

进一步地，所述两腔体包括一高温腔体和一高压腔体，所述隔热密封环临近所述高温腔体设置，所述液封轮临近所述高压腔体设置。

进一步地，所述隔热密封环包括安装在所述转轴上的石墨环。

进一步地，石墨环的数量为两个。

进一步地，所述动密封装置还包括套设在所述隔热密封环外的补偿件，所述补偿件具有使得隔热密封环内缩的预压紧力。

进一步地，所述补偿件为套设在所述隔热密封环外的拉簧。

进一步地，所述动密封装置还包括在所述隔热密封环的侧边上设置的间隙调节件。

进一步地，所述液封轮中的密封叶片形状为圆弧状，沿径向倾斜。

进一步地，所述液封轮的一侧与安装在所述转轴上的轴承间隙配合，另一侧和外圆与所述密封壳体间隙配合。

进一步地，所述间隙范围在0.2～0.5mm之间。

进一步地，所述适于高速高压用动密封装置还包括气体吹除结构，所述隔热密封环上具有与所述气体吹除结构连通的通道。

进一步地，所述密封装置用于密封介质侧与涡轮腔，所述转轴的一端与所述涡轮腔连通，并可随所述涡轮腔中的涡轮旋转而旋转。

本发明还提供一种航空器，包括适于高速高压用动密封装置，所述适于高速高压用动密封装置为如上所述的适于高速高压用动密封装置。

进一步地，所述航空器为火箭。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的适于高速高压用动密封装置及航空器中，在高转速、超高压力、温度梯度大等恶劣工况下，液封轮与隔热密封环形成组合式密封，高速转动的转轴使得液封轮在密封壳体和转轴之间形成液封，可对高压力起到一个阻滞作用，转速越高，对高压力的阻滞作用越强，进而大大降低了高压力对整个动密封装置的冲击，而在转轴与密封壳体之间，并临近液封轮设置的隔热密封环可起到一个对高温的间隔作用，大大降低了高温对整个动密封装置的影响，进而在高转速、高压力、温度梯度大等恶劣工况下提升了动密封装置的可靠性和使用寿命。

2.本发明提供的适于高速高压用动密封装置及航空器中，动密封装置还包括套设在石墨环外的补偿件，补偿件具有使得石墨环内缩的预压紧力，进而使得石墨环在满足密封前后温度间隔的同时，对系统结构变形和转子跳动适应能力强，而在分体式石墨环内孔因转轴高速转动磨损后，在拉簧作用力下石墨环能够自动补偿，保证石墨环在多次使用后其性能不降低，满足发动机重复使用的要求，使得动密封装置的可靠性更好，适用于火箭等对零部件要求极高的环境。

3.本发明提供的适于高速高压用动密封装置及航空器中，石墨环的侧边上设置有间隙调节件，具体间隙调节件为弹簧，设置在两石墨环之间，进而在火箭的涡轮在启动过程中，密封壳或者挡板发生受热变形，间隙调节件可以起到一个间隙调节作用，避免石墨环被压碎失效，进一步提升了动密封装置在高温高压使用环境下的可靠性能，保证了火箭的可靠运行。

4.本发明提供的适于高速高压用动密封装置及航空器中，液封轮中的密封叶片形状为圆弧状，沿周向方向倾斜，这样与现有常规的直线型叶片相比，该液封轮密封过程中能够形成一个周向方向的作用力，密封能力更强，降压能力相对直线型叶片可50％提高至80％，具有更加良好的降压效果，使得本实施例中的动密封装置更加的适用于高压环境。

5.本发明提供的适于高速高压用动密封装置及航空器中，液封轮的一侧与安装在转轴上的轴承间隙配合，液封轮的另一侧和外圆与密封壳体间隙配合，液封轮与密封壳体间隙配合，为非接触式密封，进而使得液封轮在工作过程中无磨损，寿命长，可靠性高，满足发动机重复使用的要求。

6.本发明提供的适于高速高压用动密封装置及航空器中，液封轮与轴承或者歪着间隙范围在0.2～0.5mm之间，进而可有效地控制液封轮密封内径处的介质压力。

7.本发明提供的适于高速高压用动密封装置及航空器中，隔热密封环上具有与所述气体吹除结构连通的通道，由于液封轮具有良好的隔压效果，使得气体压力低于介质压力0.03～0.05mpa，保证介质泄漏量不超过5g/s，液封轮和分体式石墨环组合式密封，结构紧凑，工艺气体在发动机工作过程停止供气，系统用气量大幅度降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中动密封装置的剖视结构示意图。

图2为图1所示动密封装置中液封轮的剖视结构示意图。

图3为图1所示动密封装置中液封轮的主视结构示意图。

其中，上述附图中的附图标记为：

1、液封轮；15、密封叶片；2、拉簧；4、密封壳体；6、石墨环；7、挡板；8、轴套；10、间隙调节件；11、轴承；12、转轴；13、气体吹除结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

根据本实施例中适于高速高压用动密封装置具体是应用在液体火箭发动机甲烷泵与涡轮之间，用于存放低温液态甲烷和高温涡轮工质两种介质的腔体之间的密封。

当然，本实施例中的动密封装置不局限于应用于火箭中，也可用于高速高压下适用的航空、兵器等领域的旋转装置中。

具体地，如图1至3所示，本实施中的适于高速高压用动密封装置包括密封壳体4，间隔待形成密封的两腔体，密封壳体4上开设有连通两腔体的通孔；转轴12，可转动并至少部分地贯穿通孔设置；液封轮1，安装在转轴12上，随转轴12的转动而转动，并可在转动时与密封壳体4之间形成液封；以及隔热密封环，设置在转轴12与密封壳体4之间，并临近液封轮1设置，并与液封轮1形成组合密封。进而采用本实施例中的动密封装置，在高转速、超高压力、温度梯度大等恶劣工况下，液封轮1与隔热密封环形成组合式密封，高速转动的转轴12使得液封轮1在密封壳体4和转轴12之间形成液封，可对高压力起到一个阻滞作用，转速越高，对高压力的阻滞作用越强，进而大大降低了高压力对整个动密封装置的冲击，而在转轴12与密封壳体4之间，并临近液封轮1设置的隔热密封环可起到一个对高温的间隔作用，大大降低了高温对整个动密封装置的影响，进而在高转速、高压力、温度梯度大等恶劣工况下提升了动密封装置的可靠性和使用寿命。

具体地，本实施中的两腔体包括一高温腔体和一高压腔体，火箭中的介质侧为高压腔体，火箭中的涡轮腔为高温腔体，本实施例中的隔热密封环临近高温腔体设置，液封轮1临近高压腔体设置，进而使得本实施例中的动密封装置具有更好的高压高温耐用性能。具体本实施中的密封装置用于密封介质侧与涡轮腔，转轴12的一端与涡轮腔连通，并可随涡轮腔中的涡轮旋转而旋转。

进一步参见图1，本实施中的隔热密封环包括套设在转轴12上的石墨环6。石墨环6具体为分体式石墨环6，数量为两个，左侧石墨环6在发动机预冷过程中主要隔离工艺气体与介质的作用；运转过程中该石墨环6主要起节流降压的作用，有利于降低右侧石墨环6处介质压力，达到降低介质泄漏的目的。

优选地，本实施例中的动密封装置还包括套设在石墨环6外的补偿件，补偿件具体为套设在石墨环6外的拉簧2。本实施例通过在石墨环6外设置补偿件，补偿件具有使得石墨环6内缩的预压紧力，进而使得石墨环6在满足密封前后温度间隔的同时，对系统结构变形和转子跳动适应能力强，而在分体式石墨环6内孔因转轴12高速转动磨损后，在拉簧2作用力下石墨环6能够自动补偿，保证石墨环6在多次使用后其性能不降低，满足发动机重复使用的要求，使得动密封装置的可靠性更好，适用于火箭等对零部件要求极高的环境。

本实施中石墨环6具体安装在转轴12上的轴套8上，其侧边分别与密封壳体4和紧固在密封壳体4上的挡板7配合，被密封壳体4、挡板7以及轴套8形成的空间限定，使得石墨环6在该空间内能够可靠地运行。

优选本实施中的石墨环6的侧边上设置有间隙调节件10，具体间隙调节件10为弹簧，设置在两石墨环6之间，进而在火箭的涡轮在启动过程中，密封壳或者挡板7发生受热变形，间隙调节件10可以起到一个间隙调节作用，避免石墨环6被压碎失效，进一步提升了动密封装置在高温高压使用环境下的可靠性能，保证了火箭的可靠运行。

如图2和图3所示，对于本实施例中的液封轮1，优选本实施例中的液封轮1中的密封叶片15形状为圆弧状，沿周向方向倾斜，这样与现有常规的直线型叶片相比，该液封轮1密封过程中能够形成一个周向方向的作用力，密封能力更强，降压能力相对直线型叶片可50％提高至80％，具有更加良好的降压效果，使得本实施例中的动密封装置更加的适用于高压环境。

进一步参见图1，液封轮1的一侧与安装在转轴12上的轴承11间隙配合，另一侧和外圆与密封壳体4间隙配合，液封轮1与密封壳体4间隙配合，为非接触式密封，进而使得液封轮1在工作过程中无磨损，寿命长，可靠性高，满足发动机重复使用的要求，同时液封轮1在高速旋转条件下，液封轮1与转子一起高速旋转，将周围介质通过离心力作用甩出，进而使得介质在轴向方向上的压力大幅度降低，能够降低分体式石墨环6处介质压力。其中，间隙范围在0.2～0.5mm之间，进而可有效地控制液封轮1密封内径处的介质压力。

进一步参见图1，动密封装置还包括气体吹除结构13，隔热密封环上具有与所述气体吹除结构13连通的通道，由于液封轮1具有良好的隔压效果，使得气体压力低于介质压力0.03～0.05mpa，保证介质泄漏量不超过5g/s，液封轮1和分体式石墨环6组合式密封，结构紧凑，工艺气体在发动机工作过程停止供气，系统用气量大幅度降低。

本实施例中还提供了一种航空器，包括适于高速高压用动密封装置，适于高速高压用动密封装置为如上所述的动密封装置，进而本实施例中动密封装置所具有的优点，本实施例中的航空器也应具有，在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。