液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管設(shè)計研究

張樹強(qiáng)，王　良，陳　杰

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管設(shè)計研究

張樹強(qiáng)，王良，陳杰

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

分析研究了液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管在常溫條件下軸向拉伸變形與金屬波紋管自由高度和密封摩擦功耗之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，研究歸納出了液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管設(shè)計規(guī)范，采用該規(guī)范設(shè)計生產(chǎn)的金屬波紋管已用于液氧/煤油發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)已通過地面熱試車考核。

金屬波紋管；液氧泵；機(jī)械密封；設(shè)計研究

0　引言

波紋管式機(jī)械密封由于性能優(yōu)異，可靠性高，可用于高轉(zhuǎn)速、高壓力、高溫及低溫等工況，因而被廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵密封裝置之中。液氧泵機(jī)械密封工作溫度為-183℃，工作壓力為1～2 MPa，端面平均線速度為60～75 m/s。該密封要經(jīng)受渦輪泵軸向和徑向較大振動載荷。設(shè)計液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管時，不僅要遵守一般彈性元件的設(shè)計準(zhǔn)則，還要遵守火箭發(fā)動機(jī)對密封特殊要求所產(chǎn)生的設(shè)計準(zhǔn)則。

液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管在生產(chǎn)、裝配、試驗過程中，軸向如果產(chǎn)生拉伸塑性變形，導(dǎo)致金屬波紋管自由高度偏離設(shè)計值，密封裝配后波紋管將會受壓，增大密封摩擦功耗，從而降低了密封工作可靠性。所以設(shè)計密封時，不僅要遵守一般彈性元件的設(shè)計準(zhǔn)則，還要考慮波紋管軸向拉伸塑性變形對密封設(shè)計準(zhǔn)則的影響。

1　密封設(shè)計要求與結(jié)構(gòu)

液氧泵機(jī)械密封設(shè)計的一般要求為：密封結(jié)構(gòu)簡單可靠，且不需要輔助密封系統(tǒng)；發(fā)動機(jī)預(yù)冷充填時，密封泄漏量為零；發(fā)動機(jī)工作時，密封后端只允許泄漏少量氣氧；要求密封具有多次啟動工作能力。機(jī)械密封對金屬波紋管的基本設(shè)計要求見表1。

表1　金屬波紋管設(shè)計要求Tab.1　Design requirements of metal bellows

金屬波紋管依據(jù)制造工藝分為2種基本結(jié)構(gòu)，即焊接波紋管和液壓成形波紋管，如圖1所示。圖1（a）為焊接波紋管，膜片波形形狀一般為對稱式和層疊式，膜片由模具沖壓而成，焊接波紋管是由具有不同波形的膜片通過焊接工藝方法使其內(nèi)外緣交互連接而制成的軸向端面呈波紋狀，且具有軸向伸縮能力的管件。圖1（b）為液壓成形波紋管，它由無縫管坯或焊接管坯在內(nèi)壁承受液體壓力的條件下，當(dāng)管件內(nèi)壁承受的應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度后，在專用模具內(nèi)成形的管件，液壓成形波紋管按波形幾何形狀分為U型、C型、S型和Ω型等。焊接波紋管和液壓成形波紋管在火箭發(fā)動機(jī)液氧泵中均有應(yīng)用，本文僅研究U形波紋管設(shè)計準(zhǔn)則。

圖1　波紋管結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of metal bellows

圖2為在液氧泵機(jī)械密封中應(yīng)用的U形波紋管（以下簡稱波紋管）。由圖2可見，波紋管通過焊接方法連接在靜環(huán)和法蘭盤之間，在靜環(huán)和法蘭盤之間還安裝有壓縮彈簧。機(jī)械密封裝配后波紋管處于自由高度狀態(tài)（不受拉，也不受壓），因而只代替密封圈起輔助密封的作用，不提供彈性比壓。密封彈性比壓僅由壓縮彈簧提供波。波紋管管壁為2層，內(nèi)層有加強(qiáng)環(huán)，密封外側(cè)為被密封介質(zhì)（液氧或氣氧）。

圖2　機(jī)械密封Fig.2　Mechanical seal

2　波紋管拉伸變形對密封的影響與分析

在液氧泵中，波紋管式機(jī)械密封完成裝配后，波紋管處于自由高度狀態(tài)，端面比壓僅由壓縮彈簧提供。如果波紋管受拉使得自由高度增加，密封完成裝配后，波紋管則會處于壓縮狀態(tài)，因而增加了波紋管應(yīng)力和密封端面比壓，對密封產(chǎn)生不良影響。以下分別采用數(shù)值和理論計算方法分析計算由于波紋管受拉使得自由高度增加而對密封產(chǎn)生的影響。波紋管材料為0Cr18Ni9不銹鋼，計算過程中所用參數(shù)見表2。

表2　計算參數(shù)Tab.2　Calculation parameters

2.1數(shù)值計算模型

波紋管軸向拉伸變形軸對稱數(shù)值計算模型見圖3。在該模型中，一端固支，另一端可沿軸向加載位移，以模擬波紋管拉伸變形。波紋管內(nèi)層有加強(qiáng)環(huán)，在加強(qiáng)環(huán)處約束了徑向位移。用ANSYS軟件數(shù)值計算了波紋管軸向拉伸變形與自由高度增量之間的關(guān)系，結(jié)果見圖4（a）。

圖3　波紋管數(shù)值計算模型Fig.3　Numerical calculation model of metal bellows

2.2拉伸變形對波紋管自由高度的影響

波紋管軸向受拉，拉伸變形在其彈性變形范圍之內(nèi)時，拉力撤消后，波紋管將恢復(fù)到初始自由高度狀態(tài)；如果拉伸變形使波紋管發(fā)生塑性變形后，拉力撤消后，波紋管不會恢復(fù)到初始自由高度狀態(tài)，波紋管自由高度將會增加。圖4（a）為不同拉伸變形量與波紋管自由高度增量之間的關(guān)系曲線。由圖4（a）可見，當(dāng)波紋管軸向拉伸量小于3.1 mm時，波紋管自由高度增加值為0，表明其拉伸變形處于彈性變形范圍之內(nèi)；當(dāng)波紋管拉伸變形量大于3.1mm時，隨著拉伸變形量的增加，波紋管自由高度增加值將會增大，此時波紋管將會發(fā)生永久塑性變形。波紋管自由高度增加值隨其拉伸變形量的變化呈線性狀態(tài)。

圖4　波紋管變形量對密封的影響Fig.4　Influence of metal bellows tensile deformation on mechanical sealing

2.3拉伸變形對機(jī)械密封的影響與分析

波紋管拉伸變形導(dǎo)致自由高度增加，密封完成裝配后，將會產(chǎn)生額外的閉合力，增加密封端面比壓，使密封摩擦功率增大，對密封產(chǎn)生不良影響。

在密封設(shè)計比壓為0.20 MPa，摩擦系數(shù)為0.1，以及忽略自由高度增加引起波紋管剛度變化的情況下，波紋管不同壓縮量與密封摩擦功耗增量之間的變化關(guān)系見圖4（b）。由圖4（b）可見，隨著波紋管裝配壓縮量的增大，密封摩擦功耗呈線性增大變化趨勢。密封摩擦功耗增大是波紋管線性壓縮量變大所致。

3　波紋管設(shè)計一般準(zhǔn)則

波紋管拉伸變形對機(jī)械密封會產(chǎn)生不良影響。在設(shè)計波紋管時，不僅要遵守一般彈性元件的設(shè)計準(zhǔn)則，還要遵守火箭發(fā)動機(jī)對密封特殊要求所產(chǎn)生的設(shè)計準(zhǔn)則。U形金屬波紋管結(jié)構(gòu)示意圖見5。

圖5　U形波紋管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　Structure diagram of U-shaped bellows

3.1波紋管設(shè)計一般準(zhǔn)則

液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管按敏感類波紋管進(jìn)行設(shè)計計算。

3.1.1軸向剛度

采用能量法計算單層波紋管軸向剛度，單波軸向壓縮剛度

式中：E為材料彈性模量；μ為泊松比；h0為波紋管單層壁厚；di為波紋管內(nèi)直徑；α為波形角；A0，A1，A2及B0為相關(guān)系數(shù)，詳見參考文獻(xiàn) ［9］。

波紋管總剛度K和單波剛度的關(guān)系為：

式中：n為波紋管有效波數(shù)；K為波紋管總剛度。3.1.2波紋管有效直徑de

波紋管有效直徑de與其波形有關(guān)，它決定了機(jī)械密封載荷系數(shù)的大小。U形波紋管有效直徑由下式進(jìn)行計算：

式中do為波紋管外外徑。

3.1.3波紋管允許內(nèi)壓力

當(dāng)波紋管總長L≤1.5d0時，波紋管允許內(nèi)壓力pmax按下式計算：

式中：σs為材料屈服極限；K1為實驗修正系數(shù)，和材料牌號相關(guān)，其中不銹鋼為7.7；K2為壁厚減薄系數(shù)，K2=di/do；K3為波厚影響系數(shù)，K3=（a-h0）/di，其中a為波厚。

一般情況下，波紋管工作時的允許最大壓力為pmax的40%～50%。

3.1.4波紋管殘余變形量（試驗測量）

試驗測量時，波紋管軸向壓縮和軸向拉伸殘余變形量λ由下式計算：

式中：ΔS為波紋管殘余變形量；S波紋管軸向壓縮或拉伸量。

3.1.5波紋管抗疲勞能力

波紋管要具有足夠的抗疲勞工作能力，以承受發(fā)動機(jī)較大振動載荷，其可靠工作壽命范圍為30 000～300 000次。

3.1.6其余設(shè)計要求

波紋管設(shè)計的其余要求為：波紋管表面不允許有對強(qiáng)度和疲勞壽命有影響的壓痕、劃傷、裂紋和尖銳壓坑等缺陷；波紋管內(nèi)外表面應(yīng)無視覺可見的銹斑、氧化皮等缺陷；波紋管為多層時，波紋管兩端各層應(yīng)齊平，層間無視覺可見錯開和分層。

3.2波紋管設(shè)計特殊準(zhǔn)則

除以上一般設(shè)計準(zhǔn)則外，液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管有以下幾點特殊要求。

3.2.1裝配要求

機(jī)械密封安裝到渦輪泵后，波紋管要求處于自由狀態(tài)，既不受壓力，也不受拉力作用。這有助于控制密封端面比壓，優(yōu)化波紋管裝配受力。

3.2.2軸向拉伸變形要求

在機(jī)械密封生產(chǎn)、裝配、試驗過程的各環(huán)節(jié)（例如波紋管焊接、裝配彈簧等），不得使波紋管軸向拉伸量超過其彈性范圍，避免波紋管產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致自由高度增加，即要求：

式中：ΔL為波紋管軸向拉伸量；δmax為波紋管彈性變形拉伸極限值。

4　波紋管制造工藝

液壓成形波紋制造工藝流程見圖6。首先復(fù)驗波紋管管坯原材料質(zhì)量，其次進(jìn)行管坯清洗、固溶處理和材質(zhì)晶粒度檢測。管坯固溶處理后，材質(zhì)平均晶粒度要求為7～9級，不均勻度不大于2級。最后進(jìn)行波紋管液壓成形、高度整形、切口、熱處理、性能檢測和包裝入庫。

圖6　液壓成形波紋管制造工藝流程簡圖Fig.6　Flow chart for production process of metal bellows

5　波紋管試驗驗證

采用上述設(shè)計準(zhǔn)則和制造工藝生產(chǎn)的金屬波紋管已用于液氧泵機(jī)械密封，裝配該密封的發(fā)動機(jī)已通過地面熱試車考核。用于該密封的金屬波紋管進(jìn)行了軸向剛度、殘余變形、氣密性、耐壓和疲勞試驗，各項試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求。試驗結(jié)果見表3。

表3　波紋管試驗結(jié)果Tab.3　Experiment results of metal bellows

金屬波紋管試驗結(jié)果滿足表1中設(shè)計要求。

6　結(jié)論

通過對液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管軸向拉伸變形與其自由高度增量和密封摩擦功耗之間關(guān)系的研究，歸納出了金屬波紋管設(shè)計準(zhǔn)則。采用該準(zhǔn)則設(shè)計生產(chǎn)的波紋管已用于發(fā)動機(jī)液氧泵之中，裝配該渦輪泵的發(fā)動機(jī)已通過地面熱試車考核，由此表明波紋管設(shè)計準(zhǔn)則是正確和適用的。

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（編輯：馬杰）

Design research of metal bellows for mechanical seal in liquid oxygen pump

ZHANG Shuqiang，WANG Liang，CHEN Jie
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

The relation between axial tensile deformation of metal bellows in liquid oxygen pump in normal temperature and unsupported height of metal bellows as well as friction power dissipation of mechanical seal are analyzed.On the basis of above analysis，the design regulations of metal bellows for mechanical seal in liquid oxygen pump are studied and summed up.The metal bellows has been applied successfully to the liquid oxygen/kerosene propellant rocket engine，and passed the engine hot test.

metal bellows；liquid oxygen pump；mechanical seal；design research

V414-34

A

1672-9374（2016）02-0053-06

2014-09-07；

2015-06-12

張樹強(qiáng)（1986—），男，碩士，研究領(lǐng)域為機(jī)械密封設(shè)計