火箭發(fā)動(dòng)機(jī)端面密封靜環(huán)熱壓工藝及故障分析

魏芳勝，莊宿國，王 磊，張 亞，張 強(qiáng)

(1.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

端面密封是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的重要組件，其工作原理是利用動(dòng)環(huán)與靜環(huán)端面緊密貼合并依靠兩者相對摩擦運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)密封作用，具有高轉(zhuǎn)速、高壓力、高振動(dòng)等特點(diǎn)，可靠密封是發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的重要保證[1-2]。靜環(huán)的壓制工藝是端面密封生產(chǎn)過程的核心，目前國內(nèi)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中密封靜環(huán)大多采用鑲嵌式靜環(huán)結(jié)構(gòu)，鑲嵌的密封環(huán)材料一般有3種，即石墨、硬質(zhì)合金和碳化硅[3-6]；靜環(huán)座通常為2Cr13，304，316、低膨脹合金4J32等。目前國內(nèi)外針對過盈鑲嵌的研究較多，但過盈鑲嵌在端面密封中的應(yīng)用研究較少，G.M.Yang, J.C.Coquille, J.F.Fontaine基于輪轂和軸的過盈配合，分析了表面粗糙度對其裝配連接的影響規(guī)律[7]。S.Sen, B.Aksakal為了提高過盈連接能力，開展了熱表處理和涂層噴涂特性研究[8]。謝龍濱從熱變形和機(jī)械變形角度分析了鑲嵌環(huán)加工完成后平面度的變化機(jī)理[9]。尹冬凱基于材料的線膨脹系數(shù)變化，研究了石墨環(huán)與靜環(huán)座的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化[10]。

本文針對某發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)端面密封出現(xiàn)的故障問題，深入剖析靜環(huán)熱壓工藝，為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵端面密封故障診斷機(jī)理分析提供了支持，為相關(guān)型號質(zhì)量可靠性的進(jìn)一步提升奠定了基礎(chǔ)。

1 機(jī)理分析及數(shù)學(xué)模型

某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪端面密封主要用來隔離介質(zhì)和高溫燃?xì)?，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)端面密封所處的環(huán)境溫度較高，若采用彈簧式端面密封，其輔助O形圈會因老化而失效，故一般采用膜盒式端面密封，其優(yōu)點(diǎn)為焊接波紋管耐高溫性能好，在高溫燃?xì)庀氯阅鼙３謴椥?，不會使密封失效。密封靜環(huán)采用鑲嵌式靜環(huán)結(jié)構(gòu)，見圖1，鑲嵌式靜環(huán)由石墨環(huán)過盈鑲嵌在靜環(huán)座上而成，相比整體式靜環(huán)，鑲嵌式靜環(huán)具有更好的強(qiáng)度和剛度。

圖1 鑲嵌式靜環(huán)示意圖Fig.1 Mosaic static ring schematic diagram

1.1 機(jī)理分析

石墨環(huán)和靜環(huán)座通過鑲嵌方式連接，鑲嵌結(jié)構(gòu)是指把石墨環(huán)鑲嵌到靜環(huán)座中，使兩者依靠過盈配合起到傳遞扭矩和密封的作用，鑲嵌過盈示意圖如圖2所示。鑲嵌后的石墨環(huán)外徑受靜環(huán)座的徑向壓應(yīng)力，靜環(huán)座內(nèi)徑受石墨環(huán)的徑向壓應(yīng)力。過盈裝配產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力使得鑲嵌石墨環(huán)與整體石墨環(huán)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、應(yīng)用條件等方面會有較大的差別，石墨環(huán)鑲嵌結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化都可能對鑲嵌后石墨環(huán)的傳動(dòng)與密封性能產(chǎn)生較大的影響[11-12]。

圖2 過盈鑲嵌示意圖Fig.2 Interference mosaic diagram

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 鑲嵌應(yīng)力

靜環(huán)過盈鑲嵌屬于厚壁圓筒理論， 鑲嵌應(yīng)力計(jì)算如圖3所示。

圖3 靜環(huán)座的應(yīng)力計(jì)算模型Fig.3 Stress calculation model of static ring seat

對于靜環(huán)座，受到內(nèi)壓的作用，如圖4所示，其內(nèi)表面(半徑r=a)處應(yīng)力

σr=-pa

(1)

(2)

式中:σr為靜環(huán)座徑向應(yīng)力;pa為靜環(huán)座所受內(nèi)壓;σθ為靜環(huán)座周向應(yīng)力;a為靜環(huán)座的內(nèi)徑；b為靜環(huán)座的外徑。

靜環(huán)座外表面(半徑r=b)處應(yīng)力

σr=0

(3)

(4)

靜環(huán)座的半徑拉伸量

(5)

式中：E2為靜環(huán)座的彈性模量；ν2為靜環(huán)座的泊松比。

圖4 靜環(huán)座應(yīng)力圖(內(nèi)壓)Fig.4 Stress diagram of static ring seat (internal pressure)

石墨環(huán)受外壓(圖5)，其內(nèi)表面(半徑r1=a)處應(yīng)力

(6)

石墨環(huán)外表面(半徑r=b)處應(yīng)力

σr=-pb

(7)

(8)

式中pb為石墨環(huán)所受外壓。

圖5 石墨環(huán)應(yīng)力圖(外壓)Fig.5 Graphite ring stress diagram (external pressure)

石墨環(huán)的半徑拉伸量

(9)

式中：E1為石墨環(huán)的彈性模量；ν1為石墨環(huán)的泊松比。

從厚壁圓筒的結(jié)構(gòu)來看，筒壁內(nèi)表面與外表面的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力都是不等的。比較靜環(huán)座和石墨環(huán)各自的內(nèi)表面與外表面周向應(yīng)力，顯然內(nèi)表面大于外表面，因此都應(yīng)以內(nèi)表面周向應(yīng)力值來校核靜環(huán)座和石墨環(huán)的強(qiáng)度[13-14]。

1.2.2 過盈量校核準(zhǔn)則

1.2.2.1 最小過盈量

一般通過試驗(yàn)確定鑲嵌石墨環(huán)的最小過盈量，歷史經(jīng)驗(yàn)表明，在常溫下將最小過盈量控制在石墨環(huán)內(nèi)徑的0.1%～0.2%范圍內(nèi)，就能有效保證鑲嵌石墨環(huán)在工作溫度下的傳遞扭矩和密封性能。

1.2.2.2 最大過盈量

鑲嵌的最大過盈量受材料強(qiáng)度的限制，石墨環(huán)的鑲嵌是壓縮的過程，則鑲嵌應(yīng)變ε1為：

(10)

式中：D為鑲嵌配合直徑；σ1為石墨環(huán)的徑向應(yīng)力；E1為石墨環(huán)的彈性模量；δ1為石墨環(huán)的鑲嵌變形量。

由式(10)可得

(11)

由此可知，石墨環(huán)的鑲嵌變形量與其屈服強(qiáng)度和靜環(huán)座的鑲嵌直徑成正比，與材料的彈性模量成正比。當(dāng)σ1取屈服強(qiáng)度σs時(shí)，δ1值即為鑲嵌的最大過盈量[15]。

2 熱壓工藝

靜環(huán)生產(chǎn)工藝流程為：準(zhǔn)備(選配過盈量、設(shè)置壓裝溫度)→壓裝→車石墨臺階→真空浸漬→固化→氣檢。靜環(huán)真空浸漬過程可確保樹脂進(jìn)入并填滿靜環(huán)座與石墨環(huán)間的間隙，線性升溫固化過程可使樹脂由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)而樹脂內(nèi)部不出現(xiàn)氣泡，浸漬后氣檢是靜環(huán)浸縫氣密性的檢驗(yàn)工序。

靜環(huán)浸漬過程中檢查樹脂粘度不超過250 s，控制浸漬真空度不大于1 300 Pa，真空浸漬時(shí)間1 h±5 min，控制加壓浸漬壓力1.2～1.8 MPa及壓力浸漬4 h±10 min，能夠確保樹脂進(jìn)入石墨環(huán)與靜環(huán)座之間的間隙部位。生產(chǎn)過程中通過黏度計(jì)檢測樹脂黏度；浸漬前對浸漬系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，真空度在要求的范圍內(nèi)，浸漬過程中通過真空計(jì)可監(jiān)視實(shí)際真空度；浸漬壓力由移動(dòng)式氣瓶提供氣源，穩(wěn)壓后輸入至浸漆罐中，通過浸漬罐上的壓力表監(jiān)視實(shí)際加壓壓力。

靜環(huán)固化過程嚴(yán)格控制烘箱升溫速率，緩慢升溫能夠保證樹脂均勻固化且不溢出，石墨環(huán)和靜環(huán)座均勻膨脹。DH-1電熱烘箱采用線性控制升溫方式，可預(yù)設(shè)程序，升溫過程平緩、可控。

靜環(huán)浸漬后氣檢是靜環(huán)浸縫氣密性質(zhì)量檢查工序。氣檢過程中使用專用工裝，用5～7 N·m力矩扳手?jǐn)Q緊靜環(huán)，0.5 MPa(表)檢查浸縫氣密性，保證靜環(huán)氣檢狀態(tài)一致性，避免浸縫氣密質(zhì)量錯(cuò)判。

通過以上分析，對原來靜環(huán)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，形成優(yōu)化后的熱壓工藝如表1所示。

表1 靜環(huán)熱壓加工工藝

3 故障分析

3.1 故障機(jī)理

某型號試車后發(fā)現(xiàn)渦輪排氣管處有介質(zhì)漏出，對渦輪泵進(jìn)行氣密、液密試驗(yàn)及分解檢查，確定是在端面密封泄漏。

導(dǎo)致該問題的主要原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后熱反浸期間，石墨環(huán)與靜環(huán)座過盈量減小形成局部微泄漏通道，介質(zhì)泄漏到靜環(huán)座內(nèi)汽化產(chǎn)生推力使石墨環(huán)不均勻脫開，石墨環(huán)密封面發(fā)生馬鞍形的變形，導(dǎo)致燃料泄漏。

主要原因分析：該批次端面密封石墨材料由石墨A更換為石墨B，石墨B的線膨脹系數(shù)比石墨A低(兩種石墨環(huán)的線膨脹系數(shù)見表2)，在熱反浸過程中端面密封受到高溫作用時(shí)，石墨環(huán)與靜環(huán)座間的過盈量跟隨溫度變化的追隨性有差異，即在高溫環(huán)境中石墨B和靜環(huán)座間的過盈量減小(石墨A的過盈量幾乎不變)，產(chǎn)生徑向微縫隙，介質(zhì)通過縫隙進(jìn)入石墨環(huán)與靜環(huán)座端面縫隙間(如圖6所示的F2處)，在高溫環(huán)境中泄漏至縫隙中的介質(zhì)快速汽化產(chǎn)生較大壓力，從而推動(dòng)石墨環(huán)局部移動(dòng)，造成石墨環(huán)不均勻脫出；石墨環(huán)脫出不均勻?qū)е率嗣孀冃?，產(chǎn)生泄漏。

表2 熱環(huán)境作用下石墨環(huán)與靜環(huán)座過盈量變化量

圖6 石墨環(huán)受力示意圖Fig.6 Graphite ring force diagram

石墨環(huán)受力如圖6所示，當(dāng)F2大于密封面預(yù)緊力F1和石墨環(huán)外圓與靜環(huán)座內(nèi)壁摩擦力Fs(主要和過盈量有關(guān))之和時(shí)，石墨環(huán)發(fā)生移動(dòng)。

由上述分析可知，石墨B與靜環(huán)座匹配性差，在高溫環(huán)境中二者膨脹系數(shù)不同步，導(dǎo)致密封變形而泄漏。

圖7 不同石墨材料靜環(huán)受熱分析Fig.7 Heating analysis of static ring of different graphite materials

3.2 仿真分析

在相同邊界條件下，對不同石墨材料(石墨A和石墨B)的靜環(huán)進(jìn)行了仿真分析，過盈量分別為0.06 mm，0.10 mm，0.18 mm。

圖7為不同石墨材料靜環(huán)受熱分析，分析結(jié)果顯示石墨A由于其線性膨脹系數(shù)高于4J32，當(dāng)初始過盈量為0.06 mm，在高溫(約360 ℃)作用下，石墨環(huán)與靜環(huán)座始終過盈配合，不會出現(xiàn)脫開現(xiàn)象。石墨B由于其線性膨脹系數(shù)低于4J32，在高溫(約360 ℃)作用下，當(dāng)過盈量為0.06 mm，石墨環(huán)與靜環(huán)座出現(xiàn)脫開，脫開間隙為0.009 mm。

圖8為石墨B凸臺在不同過盈量情況下的變形分析，分析結(jié)果顯示當(dāng)過盈量為0.18 mm和0.10 mm時(shí)，石墨凸臺受過盈力的影響，石墨凸臺徑向變形方向沿內(nèi)環(huán)方向；而當(dāng)過盈量為0.06 mm，此時(shí)石墨環(huán)與靜環(huán)座脫開，過盈力消失，石墨凸臺徑向變形方向沿外環(huán)方向，形成局部應(yīng)力集中，在回溫過程中外環(huán)處易產(chǎn)生局部變形，從而導(dǎo)致石墨環(huán)凸臺平面度較差，密封失效，產(chǎn)生泄漏。

圖8 石墨B靜環(huán)變形分析Fig.8 Deformation analysis of graphite B static ring

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選用靜環(huán)石墨A和石墨B作為試驗(yàn)樣品，在室溫下測量石墨環(huán)凸臺高度，然后在燒結(jié)爐中加溫至各溫度點(diǎn)，立即取出后測量尺寸變化，然后放入烘箱進(jìn)行下一個(gè)溫度點(diǎn)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果見圖9，從試驗(yàn)結(jié)果來看，石墨B靜環(huán)在高溫下的石墨環(huán)脫出約0.6 mm，石墨A靜環(huán)加熱到400 ℃也未發(fā)生脫出現(xiàn)象。該試驗(yàn)驗(yàn)證了石墨B與靜環(huán)座匹配性差，導(dǎo)致石墨環(huán)脫出；石墨A匹配性良好。

對故障靜環(huán)產(chǎn)品進(jìn)行了平面度測量，判斷石墨環(huán)密封面是否發(fā)生變形，測量結(jié)果為石墨環(huán)密封面平面度約0.033 mm，測量數(shù)據(jù)表明密封石墨環(huán)端面出現(xiàn)馬鞍形，變形規(guī)律如圖10所示。

圖9 靜環(huán)高溫試驗(yàn)部分測量數(shù)據(jù)Fig.9 Measurement data of high temperature test part of static ring

圖10 密封面平面度變形規(guī)律Fig.10 Deformation law of flatness of sealing surface

4 結(jié)論

1)建立了靜環(huán)熱壓的數(shù)學(xué)模型，明確了鑲嵌應(yīng)力、過盈量校核及熱壓溫度確定等一系列參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，形成了一套完備的熱壓工藝方法。

2)結(jié)合某次試車端面密封泄漏問題，對靜環(huán)進(jìn)行了機(jī)理剖析、仿真模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明在熱反浸過程中靜環(huán)受到高溫作用時(shí)，石墨B和靜環(huán)座間的過盈量減小，產(chǎn)生徑向微縫隙，造成石墨環(huán)不均勻脫出，石墨環(huán)脫出不均勻?qū)е率嗣孀冃?，產(chǎn)生泄漏。