一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路的制作方法

本发明涉及一种用于液体火箭发动机涡轮泵的轴向力平衡流路，尤其适用于大推力补燃循环低温液体火箭发动机多级涡轮泵结构，属于低温火箭发动机涡轮泵轴向力平衡。

背景技术：

1、进入21世纪以来，世界各航天大国纷纷提出载人火星和深空探测计划，大推力火箭是必不可少的运输工具，高压大流量涡轮泵是大推力低温液体火箭发动机的核心组件之一。保证转子实现轴向力自动平衡，对大推力液体火箭发动机中涡轮泵的可靠性、寿命以及重复使用性至关重要，轴向力能否实现自动平衡甚至会影响整个发动机的成败。随着发动机推力的大幅提升，涡轮泵转速、轴径和压力也大幅提高，从而导致涡轮泵内的轴向力非常大，甚至高达上百吨。

2、多级离心泵平衡活塞通常将流体回流至本级叶轮前，大推力发动机液氢涡轮泵采用的高压大流量多级离心泵和高压大流量涡轮，由于涡轮产生较大的指向泵端的轴向力，从平衡活塞后回流至三级叶轮入口的平衡流路无法满足轴向力平衡需求；民用常规多级泵通过外引管路引流至泵入口，火箭发动机高压液氢涡轮泵由于液氢状态受温度影响较大，液氢状态对氢涡轮泵性能影响很大，外引流路会大大提高氢涡轮泵正常稳定工作的风险性。因此，为保证氢涡轮泵正常启动和稳定运转，为平衡转子各零组件产生的不平衡轴向力，为避免过大轴向力对涡轮转子结构和轴承的损害，需要设计一种能满足平衡高压大流量氢涡轮泵轴向力自动平衡需求的平衡流路。因此，发明了一种用于大推力液体火箭发动机氢涡轮泵的轴向力平衡流路。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：为平衡高压大流量氢涡轮泵产生的较大不平衡轴向力，提出了一种轴向力平衡流路，可以满足大推力液体火箭发动机氢涡轮泵的轴向力平衡及工作安全可靠性要求。

2、本发明解决技术的方案是：一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路，包括：平衡活塞间隙、浮动环间隙、三级叶轮回流孔、轴径孔、回流槽、轴心孔、二级叶轮回流孔i、二级叶轮回流孔ii、一级叶轮回流孔、泵端轴承后密封间隙、前密封间隙、一二级后密封间隙、三级后密封间隙和级间密封间隙；

3、在转轴、二级叶轮和三级叶轮的花键处设置回流槽，回流槽与花键齿交替分布；将平衡活塞间隙下游通过三级叶轮回流孔、回流槽和二级回流孔ii与二级叶轮入口连通；在平衡活塞间隙下游容腔和轴承腔之间设置浮动环，通过浮动环间隙减小汇入三级回流孔及回流槽通道的流量，所述三级叶轮回流孔设置于三级叶轮轮毂处；所述级间密封间隙由直通型迷宫密封与直通型叶轮轮毂构成；前密封间隙采用多级阶梯式迷宫密封与多级台阶凸肩构成，一二级后密封间隙由单级台阶多齿迷宫密封与单级台阶凸肩构成，三级后密封间隙由直通型迷宫密封和直通型凸肩组成；二级叶轮同时设置二级回流孔i和二级回流孔ii，两种回流孔交错分布，二者不相交或相贯；转轴上设置轴径孔、轴心孔和泵端轴承后密封间隙，将平衡活塞腔下游与一级叶轮入口连通，轴径孔位于三级叶轮安装位置，连通所述回流槽和轴心孔。

4、优选的，所述的三级叶轮回流孔分别与轴径孔、回流槽和二级叶轮回流孔ii对应连通，三级叶轮回流孔横截面面积记为a1、回流槽横截面面积记为a2，二级叶轮回流孔i横截面面积记为a4；保证该回流路面积a1、a2、a4均大于三级叶轮后密封间隙的过流面积a0。

5、优选的，位于转轴上的回流槽的槽宽l2、槽深h1、槽长l4和位于叶轮上的回流槽的槽深h2满足：槽宽l2≯l3，槽深h1≯0.1rs，回流槽底圆角半径r≮1mm，回流槽深h2≯叶轮的花键齿高，槽长l4保证二级叶轮回流孔ii和三级叶轮回流孔通畅连通的前提下尽可能缩短，花键齿两侧花键槽底之间最大宽度记为l3，rs为转轴半径。

6、优选的，所述的轴径孔面积a3满足a3＜0.5×a7，a7为轴心孔最小截面面积。

7、优选的，所述的前密封间隙单边径向尺寸x1、一二级后密封间隙单边径向尺寸x2、三级后密封间隙单边径向尺寸x3、级间密封间隙径向尺寸x4、泵端轴承后密封间隙x6小于1mm，应在保证安全的前提下尽可能小。

8、优选的，所述的前密封间隙的台阶数量、密封室数量，所述的一二级后密封间隙的密封室数量，所述的三级后密封间隙的密封室数量均应≮4；所述的前密封间隙的台阶高度取3～5mm；所述的一二级后密封间隙出口直径尺寸d3与所述的三级后密封间隙出口直径尺寸d4，分别与一二级叶轮和三级叶轮直径差值小于0.5mm。

9、优选的，所述的平衡活塞间隙的轴向长度l1不大于4mm，当l1在最大工作间隙时的过流面积am应小于所述的三级后密封间隙的过流面积a0且始终保证am处为该流路最小过流面积。

10、优选的，所述的三级叶轮回流孔面积a1、回流槽面积a2、二级叶轮回流孔ii面积a5均应大于三级后密封间隙的过流面积a0，即保证二级叶轮回流孔ii、三级叶轮回流孔和回流槽不应为该流路的节流部位。

11、优选的，所述的二级叶轮回流孔i的面积a4，所述的一级叶轮回流孔的面积a6，一二级后密封间隙单边径向尺寸x2，平衡活塞间隙出口直径d1，应满足a4≮x2×d1×π，a6≮x2×d1×π，保证回流流路通畅和结构强度需求。

12、优选的，所述的平衡活塞间隙尺寸l1减小时，指向泵端的轴向力增大；当l1增大时，指向泵端的轴向力减小；将额定工况时轴向力的平衡位置确定在靠近平衡范围的中间位置。

13、本发明与现有技术相比的有益效果是：

14、(1)平衡活塞下游容腔通过在轴和叶轮上设置回流槽以及二、三级叶轮回流孔直接引流至二级叶轮入口，大范围提高平衡活塞的平衡能力，适用于大推力补燃循环液体火箭发动机大型氢涡轮泵轴向力平衡。

15、(2)平衡活塞腔下游与涡端轴承腔之间设置浮动环密封，可有效减小平衡活塞下游回流流量。

16、(3)前密封间隙采用多级阶梯式密封形式，一二级后密封间隙采用单台阶密封节流形式，三级后密封采用直通型密封结构，三种形式组合使用，可适当减小泄漏量，同时能有效降低由于转子轴向移动异常引起密封间隙突变进而导致轴向力平衡装置失效的风险，提高涡轮泵工作安全性和可靠性。

17、(4)二级叶轮两种回流孔交错分布，二级叶轮后回流流路与平衡活塞下游回流流路互不影响，确保平衡活塞腔下游流路通畅。

18、(5)通过在轴上设置轴径孔和轴心孔，以及泵端轴承后密封间隙将平衡活塞后容腔与一级叶轮入口连通，可适当降低转轴和二级叶轮回流槽的回流面积需求，并可用于冷却轴承。

19、(6)所设计的平衡流路经过试验验证能够满足转子轴向力平衡需求。

技术特征：

1.一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，包括：平衡活塞间隙、浮动环间隙、三级叶轮回流孔、轴径孔、回流槽、轴心孔、二级叶轮回流孔i、二级叶轮回流孔ii、一级叶轮回流孔、泵端轴承后密封间隙、前密封间隙、一二级后密封间隙、三级后密封间隙和级间密封间隙；

2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的三级叶轮回流孔分别与轴径孔、回流槽和二级叶轮回流孔ii对应连通，三级叶轮回流孔横截面面积记为a1、回流槽横截面面积记为a2，二级叶轮回流孔i横截面面积记为a4；保证该回流路面积a1、a2、a4均大于三级叶轮后密封间隙的过流面积a0。

3.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，位于转轴上的回流槽的槽宽l2、槽深h1、槽长l4和位于叶轮上的回流槽的槽深h2满足：槽宽l2≯l3，槽深h1≯0.1rs，回流槽底圆角半径r≮1mm，回流槽深h2≯叶轮的花键齿高，槽长l4保证二级叶轮回流孔ii和三级叶轮回流孔通畅连通的前提下尽可能缩短，l3为花键齿两侧花键槽底之间最大宽度，rs为转轴半径。

4.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的轴径孔面积a3满足a3＜0.5×a7，a7为轴心孔最小截面面积。

5.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的前密封间隙单边径向尺寸x1、一二级后密封间隙单边径向尺寸x2、三级后密封间隙单边径向尺寸x3、级间密封间隙径向尺寸x4、泵端轴承后密封间隙x6小于1mm，应在保证安全的前提下尽可能小。

6.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的前密封间隙的台阶数量、密封室数量，所述的一二级后密封间隙的密封室数量，所述的三级后密封间隙的密封室数量均应≮4；所述的前密封间隙的台阶高度在保证不碰磨的情况下尽量小；所述的一二级后密封间隙出口直径尺寸d3与所述的三级后密封间隙出口直径尺寸d4，分别与一二级叶轮和三级叶轮直径差值在保证不碰磨的情况下尽量小。

7.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的平衡活塞间隙的轴向长度l1不大于4mm，当l1在最大工作间隙时的过流面积am应小于所述的三级后密封间隙的过流面积a0且始终保证am处为该流路最小过流面积。

8.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的三级叶轮回流孔面积a1、回流槽面积a2、二级叶轮回流孔ii面积a5均应大于三级后密封间隙的过流面积a0，即保证二级叶轮回流孔ii、三级叶轮回流孔和回流槽不应为该流路的节流部位。

9.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的二级叶轮回流孔i的面积a4，所述的一级叶轮回流孔的面积a6，一二级后密封间隙单边径向尺寸x2，平衡活塞间隙出口直径d1，应应满足a4≮x2×d1×π，a6≮x2×d1×π，保证回流流路通畅和结构强度需求。

10.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路,其特征在于，所述的平衡活塞间隙尺寸l1减小时，指向泵端的轴向力增大；当l1增大时，指向泵端的轴向力减小；将额定工况时轴向力的平衡位置确定在靠近平衡范围的中间位置。

技术总结
本发明提供了一种液体火箭发动机多级氢涡轮泵轴向力平衡流路，包括：平衡活塞间隙、浮动环间隙、三级叶轮回流孔、轴径孔、回流槽、轴心孔、二级叶轮回流孔I、二级叶轮回流孔II、一级叶轮回流孔、泵端轴承后密封间隙、前密封间隙、一二级后密封间隙、三级后密封间隙和级间密封间隙；本发明平衡活塞下游容腔通过在轴和叶轮上设置回流槽以及二、三级叶轮回流孔直接引流至二级叶轮入口，大范围提高平衡活塞的平衡能力，适用于大推力补燃循环液体火箭发动机大型氢涡轮泵轴向力平衡。

技术研发人员：王珏,安阳,李小芬,陈晓,马佳媚,林蓬成,陈钊,林奇燕,郑孟伟,叶小强
受保护的技术使用者：北京航天动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27