密封口环、液体火箭发动机离心泵及液体火箭发动机

技术领域

本申请涉及喷气推进装置技术领域，具体而言，本申请涉及一种用于液体火箭发动机的密封口环、液体火箭发动机离心泵及液体火箭发动机。

背景技术

液体火箭发动机包括燃气发生器、离心泵、推力室等结构。离心泵在工作时，泵轮高速旋转对液体进行增压，泵轮的出口是高压区，泵轮的进口是低压区，而泵壳是固定件，故泵轮与泵壳之间会有一定间隙，在压差的作用下高压液向泵轮进口产生内泄漏，即容积损失。为了减小该部分损失，一般在泵轮的凸肩处布置固定式密封口环或浮动式密封口环。

目前，固定式密封口环为了防止与泵轮的凸肩发生碰磨，一般留有较大间隙，其节流效果较差。浮动式密封口环具有节流效果较好的优点，被广泛应用于对离心泵性能要求较高的系统中来减小容积损失，提高泵效率。

但是，浮动式密封口环随系统启动、关机时，低转速情况下间隙流体承载力不足，存在短暂接触形成滑动摩擦进而磨损，多次工作后会使密封间隙增大，泵效率下降，在低工况时其转速较低，同样存在该问题。此外，在高转速、低压力的系统中，密封口环的端面压力过小，则同样存在浮动式密封口环与泵轮磨损降低泵效率的情况。

发明内容

本申请针对现有技术中存在的缺陷，提出一种液体火箭发动机的密封口环、液体火箭发动机离心泵及液体火箭发动机，用以解决现有液体火箭发动机离心泵中的密封口环在承载力不足时与泵轮磨损导致泵效率降低的技术问题。

第一个方面，本申请实施例提供了一种用于液体火箭发动机离心泵的密封口环，所述密封口环用于在所述液体火箭发动机离心泵的泵轮与泵壳之间形成密封副，包括：内环和套接在所述内环外部的外环，所述内环的内侧壁用于套设在所述泵轮的凸肩位置，所述外环的外侧壁用于与所述泵壳间隙配合；所述内环沿周向设有若干滚珠孔，所述滚珠孔内布置有滚珠；所述滚珠孔远离所述外环的一端的直径小于所述滚珠的直径，所述滚珠孔沿所述内环径向的深度小于所述滚珠的直径，以使得所述滚珠的一部分外露于所述滚珠孔的外部。

可选地，所述滚珠孔包括依次连接的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段位于所述第二孔段靠近所述外环的一端；所述第二孔段的直径沿靠近所述第一孔段的一端向远离所述第一孔段的一端逐渐变小。

可选地，所述密封口环还包括滚珠套，所述滚珠套嵌设于所述第一孔段内，所述滚珠与所述滚珠套间隙配合。

可选地，所述滚珠套的材料包括具有自润滑性的软金属材料或者非金属材料。

可选地，所述滚珠露出所述内环的最大尺寸小于所述泵轮与所述泵壳之间的密封间隙。

可选地，所述内环的外侧面与所述外环的内侧面过盈配合。

可选地，若干所述滚珠孔沿所述内环的轴向呈多列间隔式排布。

可选地，所述内环的内侧设有若干环形凹槽，若干所述环形凹槽沿着所述内环的轴向间隔布置。

第二个方面，本申请实施例还提供了一种液体火箭发动机离心泵，包括：泵壳、泵轮以及第一个方面所述的密封口环；所述泵壳包括泵壳本体和设置在所述泵壳本体内侧的挡环，所述内环的内侧壁套设在所述泵轮的凸肩位置，所述外环的外侧壁与所述挡环的内侧之间留有径向活动间隙和轴向活动间隙。

第三个方面，本申请实施例还提供了一种液体火箭发动机，包括第二个方面所述的液体火箭发动机离心泵。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果至少包括：

本申请实施例提供的密封口环，在内环中设置有滚珠孔以及滚珠，该密封口环在流体膜承载力的作用下浮起，使得滚珠可与泵轮分离；当泵轮在启动、关机、低转速工况或者高转速、低压力的工况下，由于密封间隙中的流体膜承载力不足，此时密封口环在重力的作用下与泵轮接触，由于滚珠孔沿内环径向的深度小于滚珠的直径，使得滚珠的一部分位于滚珠孔的外部并与泵轮接触，从而实现密封口环与泵轮的滚动接触，减小密封口环与泵轮的磨损，提升了泵轮与泵壳之间的密封效果，从而增加液体火箭发动机离心泵的可靠性和运行效率。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的一种密封口环在液体火箭发动机离心泵中的安装结构示意图；

图2为本申请实施例提供的图1中A的放大图；

图3为本申请实施例提供的一种密封口环的整体结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种密封口环的内部结构示意图；

图5为本申请实施例提供的图4中B的放大图；

图6为本申请实施例提供的一种密封口环的内环中滚珠孔与滚珠的安装尺寸示意图。

图中：

1-泵壳；11-泵壳本体；12-挡环；

2-泵轮；

3-密封口环；31-内环；31a-滚珠孔；31b-环形凹槽；32-外环；33-滚珠；34-滚珠套。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

结合图1至图5所示，本申请实施例提供了一种用于液体火箭发动机离心泵的密封口环3，该密封口环3用于在液体火箭发动机离心泵的泵轮2与泵壳1之间形成密封副，密封口环3包括：内环31和外环32，外环32套接在内环31外部，用于内环31的封装限位。其中，内环31的内侧壁用于套设在泵轮2的凸肩位置，外环32的外侧壁用于与泵壳1间隙配合。需要说明的是，泵轮2的凸肩位置是指泵轮2轴体的尺寸突变的位置。

具体地，参阅图4和图5，内环31沿周向设有若干滚珠孔31a，滚珠孔31a沿内环31的径向设置且贯穿内环31，每个滚珠孔31a内都布置有滚珠33，滚珠33可在滚珠孔31a内自由活动。如图6所示，滚珠孔31a远离外环32的一端的直径d3小于滚珠33的直径d1，使得滚珠33被限制在滚珠孔31a内而不会掉出。

需要说明的是，本申请实施例中的“若干”可以为一个，也可以为两个或者两个以上，本申请实施例对此不作具体限定。

进一步地，继续参阅图6，滚珠孔31a沿内环31径向的深度h1小于滚珠33的直径d1，以使得滚珠33的一部分能够外露于滚珠孔31a的外部，在油封承载力不足时，滚珠33能够与泵轮2滚动接触。

在工作过程中，如图2所示，流体从高压区通过泵轮2与密封口环的内侧（相当于内环31的内侧）之间的密封间隙δ流向低压区，在高压液的作用下密封口环3的左端面与泵壳1的端面贴合进行密封。泵轮2在高转速工况时，密封口环3在密封间隙δ中流体膜承载力的作用下浮起，实现与泵轮2的凸肩分离，以非接触的方式进行节流工作。

当泵轮2在启动、关机或低转速工况工作时，密封间隙δ中流体膜承载力不足，密封口环3无法浮起，此时，滚珠孔31a内的滚珠33与泵轮2的凸肩之间实现滚动接触；同样在高转速、低压力的系统中，其端面压力过小，浮动环惯性力较大导致的密封口环3无法浮起时，起到同样的效果。该密封口环3结构避免了传统密封口环3与泵轮2磨损严重的问题，提升了产品密封性能，增加了液体火箭发动机离心泵的可靠性和运行效率。

本实施例提供的密封口环3，在内环31中设置有滚珠孔31a以及滚珠33，该密封口环3在流体膜承载力的作用下浮起，使得滚珠33可与泵轮2分离；当泵轮2在启动、关机、低转速工况或者高转速、低压力的工况下，由于密封间隙中的流体膜承载力不足，此时密封口环3在重力的作用下与泵轮2接触，由于滚珠孔31a沿内环31径向的深度小于滚珠33的直径，使得滚珠33的一部分位于滚珠孔31a的外部并与泵轮2接触，从而实现密封口环3与泵轮2的滚动接触，减小密封口环与泵轮2的磨损，提升了泵轮2与泵壳1之间的密封效果，从而增加液体火箭发动机离心泵的可靠性和运行效率。

可选地，参阅图5，外环32的左侧端面的开孔尺寸向内收缩，即外环32左端面的开孔直径小于外环32内部与内环31配合位置处的开孔直径，从而形成一个孔肩结构，以便于内环31与外环32安装配合时的轴向限位，从而提升密封口环的制备效率，同时也能提升整个密封口环的结构稳定性。

在一些实施例中，继续参阅图3至图6，滚珠孔31a包括依次连接的第一孔段（图中未示出）和第二孔段（图中未示出），第一孔段位于第二孔段靠近外环32的一端，即第一孔段相对于第二孔段更靠近外环32。第一孔段的直径不发生变化，即第一孔段可以看作圆柱形孔。第二孔段的直径沿靠近第一孔段的一端向远离第一孔段的一端逐渐变小，即第二孔段可以看作圆锥形孔。此外，第一孔段的直径d2与第二孔段的最大直径相等。

具体地，在流体膜承载力不足时，滚珠33在重力作用下与第二孔段的内侧壁接触，并且滚珠33的一部分从第二孔段远离第一孔段的一端露出至滚珠孔31a的外部（滚珠33的外露于滚珠孔31a的尺寸为h3）。通过调整第一孔段的深度h2（或者第二孔段的深度）、孔底角度α、第二孔段远离第一孔段的一端的直径d3来保证滚珠33与孔底之间留有间隙e，以保证滚珠33可上下自由活动。

本实施例中，滚珠孔31a采用分段式结构设计，包括圆柱形的第一孔段和圆锥形的第二孔段，由于第二孔段远离第一孔段的一端的直径小于滚珠33的直径，可以防止滚珠33从滚珠孔31a中掉出，并且滚珠33的直径大于第一孔段和第二孔段的深度之和，使得滚珠33的一部分可以外露在滚珠孔31a的外部，以便在流体膜承载力不足时与泵轮2滚动接触。

在一些实施例中，继续参阅图5和图6，密封口环3除了外环32、内环31以及滚珠33之外，还包括滚珠套34，滚珠套34嵌设于滚珠孔31a的第一孔段内，滚珠套34远离外环32的一端抵接在第二孔段与第一孔段的衔接处（即滚珠孔31a的尺寸突变位置）。

具体地，滚珠套34的外侧壁与第一孔段的内侧壁之间可以为过盈配合，以防止滚珠套34松动或者脱落。滚珠33与滚珠套34间隙配合，能够保证滚珠33能够在滚珠套34内活动即可。滚珠套34主要用于对滚珠33进行保护，减小滚珠33的磨损，同时也能对滚珠33进行限位，避免滚珠33在滚珠孔31a内晃动而影响滚动接触效果。

可选地，滚珠套34的材料包括具有自润滑性的软金属材料或者非金属材料，其中，具有自润滑性的软金属材料可以为铜或者银，具有自润滑性的非金属材料可以为氟塑料、陶瓷或者石墨。

本实施例中，通过在滚珠孔31a内设置滚珠套34，可以对滚珠33进行保护，减小滚珠33的磨损，同时也能对滚珠33进行限位，避免滚珠33在滚珠孔31a内晃动而影响滚动接触效果；滚珠套34的材料采用具有自润滑性的软金属材料或者非金属材料，可以减小滚珠33在滚珠套34内壁之间的摩擦力，提升滚珠33的滚动灵活性，并且有利于降低滚珠33的磨损。

在一些实施例中，继续参阅图1和图6，滚珠33露出内环31的最大尺寸需要小于泵轮2与泵壳1之间的密封间隙δ，当密封口环3在油封的承载力作用下浮起时，可以保证露出的滚珠33不与泵轮2接触，从而减小滚珠33的磨损。

在一些实施例中，为了使内环31与外环32之间的连接更为紧密，本实施例中的内环31的外侧面与外环32的内侧面之间为过盈配合。在密封口环3具体的工艺制备过程中，将滚珠33安装在内环31上对应的滚珠孔31a内之后，通过安装外环32可以实现滚珠33的封装限位。

可选地，内环31与外环32之间可以采用热装配方法或者压力装配法实现装配，从而保证内环31与外环32之间的过盈配合。

本实施例中，外环32与内环31之间为过盈配合，可以增加外环32与内环31之间的结构强度以及密封性能，避免在工作过程中外环32与内环31分离而导致滚珠33脱落，有利于提升整个密封口环3的密封效果，从而提升整个液体火箭发动机离心泵的稳定性。

在一些实施例中，继续参阅图3至图5，若干滚珠孔31a沿内环31的轴向呈多列间隔式排布，即若干滚珠孔31a沿着内环31的周向形成多列（图中示意为两列），每一列可以包括多个沿内环31的周向等间隔分布的滚珠孔31a，相邻的列之间沿内环31的轴向间隔设置。

需要说明的是，本实施例中的滚珠孔31a的数量为两个或者两个以上，具体的数量可根据内环31的直径进行设置。

可选地，相邻的列的滚珠孔31a可以错位布置，也可以沿着内环31的轴向平行布置。滚珠孔31a的个数和列出根据不同密封口环3的尺寸进行设置，本实施例中不作具体限定。

可以理解的是，当滚珠孔31a按照上述方式设计时，对应设置在滚珠孔31a内的滚珠33也同样按照上述方式布置。

本实施例中，滚珠孔31a以及滚珠孔31a内的滚珠33沿内环31的轴向呈多列间隔式排布，可以在油封压力不足时减小密封口环3的滚珠33与泵轮2之间的摩擦力，使得密封口环3与泵轮2之间的滚动接触更加顺畅，从而降低单个滚珠33的磨损程度，有利于延迟密封口环3的使用寿命，增加整个离心泵的运行稳定性。

在一些实施例中，继续参阅图3至图6，内环31的内侧设有若干环形凹槽31b（图中示意为三个），环形凹槽31b沿着内环31的内侧向靠近外环32的方向凹陷形成，环形凹槽31b沿着内环31的内侧的周向为一个完整的环形槽体结构。若干环形凹槽31b沿着内环31的轴向间隔布置。

本实施例中，通过在内环31的内侧设置环形凹槽31b，可以增大油液的流动阻力，提高节流效果，增加密封口环3的密封性能。

可选地，继续参阅图3至图5，相邻的环形凹槽31b之间设置有一列滚珠孔31a，对应的滚珠孔31a内设有滚珠33，一方面有利于油封对密封口环3的支撑，另一方面也可以进一步提升密封性能。

基于同一发明构思，继续参阅图1和图2，本申请实施例还提供了一种液体火箭发动机离心泵，包括：泵壳1、泵轮2以及本申请实施例中前述的密封口环3。

具体地，泵壳1包括泵壳本体11和挡环12，挡环12设置在泵壳本体11的内侧，密封口环的内侧（相当于内环31的内侧）与泵轮2之间形成有密封间隙δ。密封口环3的内环31的内侧壁套设在泵轮2的凸肩位置，密封口环3的外环32的外侧壁与挡环12的内侧之间分别留有径向活动间隙和轴向活动间隙。

可选地，挡环12可以与泵壳本体11之间采用螺纹连接或者焊接。挡环12的内侧设置有直径突变的限位结构，该限位结构与密封口环3的外环32之间留有径向活动间隙和轴向活动间隙，保证密封口环3在油封承载力的作用下浮起，并且能够对密封口环3的外环32进行轴向和周向限位作用。

本实施例提供的液体火箭发动机离心泵，包括了本申请前述各实施例中的密封口环3，该密封口环3在内环31中设置有滚珠孔31a以及滚珠33，该密封口环3在流体膜承载力的作用下浮起，使得滚珠33可与泵轮2分离；当泵轮2在启动、关机、低转速工况或者高转速、低压力的工况下，由于密封间隙中的流体膜承载力不足，此时密封口环3在重力的作用下与泵轮2接触，由于滚珠孔31a沿内环31径向的深度小于滚珠33的直径，使得滚珠33的一部分位于滚珠孔31a的外部并与泵轮2接触，从而实现密封口环3与泵轮2的滚动接触，减小密封口环与泵轮2的磨损，提升了泵轮2与泵壳1之间的密封效果，从而增加液体火箭发动机离心泵的可靠性。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种液体火箭发动机，包括本申请实施例中前述的液体火箭发动机离心泵，利用该液体火箭发动机离心泵可以提升液体火箭发动机的动力性能和工作稳定性。

应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：

1、在内环中设置有滚珠孔以及滚珠，该密封口环在流体膜承载力的作用下浮起，使得滚珠可与泵轮分离；当泵轮在启动、关机、低转速工况或者高转速、低压力的工况下，由于密封间隙中的流体膜承载力不足，此时密封口环在重力的作用下与泵轮接触，由于滚珠孔沿内环径向的深度小于滚珠的直径，使得滚珠的一部分位于滚珠孔的外部并与泵轮接触，从而实现密封口环与泵轮的滚动接触，减小密封口环与泵轮的磨损，提升了泵轮与泵壳之间的密封效果，从而增加液体火箭发动机离心泵的可靠性。

2、滚珠孔采用分段式结构设计，包括圆柱形的第一孔段和圆锥形的第二孔段，由于第二孔段远离第一孔段的一端的直径小于滚珠的直径，可以防止滚珠从滚珠孔中掉出，并且滚珠的直径大于第一孔段和第二孔段的深度之和，使得滚珠的一部分可以外露在滚珠孔的外部，以便在流体膜承载力不足时与泵轮滚动接触。

3、通过在滚珠孔内设置滚珠套，可以对滚珠进行保护，减小滚珠的磨损，同时也能对滚珠进行限位，避免滚珠在滚珠孔内晃动而影响滚动接触效果；滚珠套的材料采用具有自润滑性的软金属材料或者非金属材料，可以减小滚珠在滚珠套内壁之间的摩擦力，提升滚珠的滚动灵活性，并且有利于降低滚珠的磨损。

4、滚珠露出内环的最大尺寸需要小于泵轮与泵壳之间的密封间隙，当密封口环在油封的承载力作用下浮起时，可以保证露出的滚珠不与泵轮接触，从而减小滚珠的磨损。

5、外环与内环之间为过盈配合，可以增加外环与内环之间的结构强度以及密封性能，避免在工作过程中外环与内环分离而导致滚珠脱落，有利于提升整个密封口环的密封效果，从而提升整个液体火箭发动机离心泵的稳定性。

6、滚珠孔以及滚珠孔内的滚珠沿内环的轴向呈多列间隔式排布，可以在油封压力不足时减小密封口环的滚珠与泵轮之间的摩擦力，使得密封口环与泵轮之间的滚动接触更加顺畅，从而降低单个滚珠的磨损程度，有利于延迟密封口环的使用寿命，增加整个离心泵的运行稳定性。

7、通过在内环的内侧设置环形凹槽，可以增大油液的流动阻力，提高节流效果，增加密封口环的密封性能。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。