液體火箭發動機渦輪泵機械密封磨損機理研究

趙偉剛，張鵬鵬，任姍姍，董光能

（1.西北工業大學航天學院，陜西西安710072；2.西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室，陜西西安710049）

液體火箭發動機渦輪泵機械密封磨損機理研究

趙偉剛1，張鵬鵬2，任姍姍2，董光能2

（1.西北工業大學航天學院，陜西西安710072；2.西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室，陜西西安710049）

對比分析了機械密封靜環端面原始表面和磨損表面形貌，得到了磨損形式和內外徑磨損差異；仿真分析了密封端面接觸應力及溫度場，分析了轉速、介質壓力等條件對端面接觸應力和溫度場的影響；探明了端面接觸應力和溫度變化對磨損性能的影響，闡述了機械密封的磨損機理。

表面形貌；仿真分析；機械密封；磨損機理

0 引言

當前，接觸型機械密封是液體火箭發動機渦輪泵中軸端密封的常見形式[1－2]，它在我國的航天工業中已經得到了成功的應用，具有高振動、高壓力、高轉速及密封介質特殊的特點[3－4]。密封環配對材料多為軟-硬組合，且在特殊介質環境和工況條件下，密封端面易出現磨損[5]。表面形貌、密封環變形及溫度場是影響機械密封環磨損的重要因素[6-8]。Shimomura和Hirabayashi通過實驗探討了密封端面的摩擦磨損狀況隨表面形貌參數變化的規律[9]。Mayer按照摩擦系數對摩擦類型進行分類，包括邊界摩擦、混合摩擦及流體摩擦等[10]。顧永泉認為機械密封的其他參數通過臨界工況參數來確定，有利于實現機械密封的低摩擦磨損運行[11]。國際上對密封環端面變形的研究較早，1999年Baheti運用有限元分析了機械密封的變形，認為剛度和介質壓力影響密封環的變形[12]。Lebeck分析了各種載荷對端面變形的影響，比較了幾種計算端面變形的方法；國內許多學者對機械密封溫度場及熱變形開展了大量的研究工作[13-15]。

目前針對密封磨損的研究較多，但對特殊介質下的機械密封磨損機理的研究較少。隨著我國對長壽命、高可靠性及可重復使用的先進推進系統研究目標的提出，接觸式機械密封要適應高承載能力、高工作轉速及高工作壽命的要求。亟需研究特殊介質條件下的磨損機理，將為高可靠性、高穩定性的泵用機械動密封的設計提供基礎，對于提高航天安全可靠性也具有重要意義。

1 有限元模型的建立與實驗過程

1.1 有限元基本模型的建立

本文以低溫推進劑所用接觸型機械密封動靜環為研究對象。利用ANSYS建立軸對稱二維實體模型，并在靜環和動環接觸區域 (S1S2)建立接觸模型，如圖1所示。

1.2 接觸應力分析邊界條件的確定

1.2.1 力學分析

作用在密封環上的力可以分為2種：密封面閉合力和密封面開啟力。受力分析如圖2所示。

圖2中：p0為介質壓力；Fsp為彈簧載荷；Ff為輔助密封圈與靜環之間的摩擦力；F0為軸承對動環的支撐力；pc為密封端面接觸比壓；pe為密封介質壓力；pm為平均液膜壓力。

1.2.2 參數計算及邊界條件的確定

在啟動和停車過程中，隨著泵轉速增大，介質壓力隨之增大，可近似線性變化。轉速達到10 000 r/min左右時，動靜環分離；在啟動至分離的過程中介質壓力的變化范圍為0.3～2.5 MPa。密封環材料參數如表1所示，轉速和介質壓力對應數值如表2所示。

根據受力分析，確定位移約束及載荷等邊界條件。對應圖1中模型，在S8S9施加x方向零位移邊界條件，在S7S8添加彈簧支撐力，在S6S7，S4S5，S3S4，S2S3，S2R2及R2R4施加介質壓力，在R2R4施加y方向零位移邊界條件。

表1 密封副材料的基本參數Tab.1 Basic parameters of seal pair materials

表2 啟動過程中的轉速及介質壓力數值Tab.2 Values of rotating speed and medium pressure in start process

1.3 溫度場有限元分析邊界條件的確定

1.3.1 基本假設及微分方程

機械密封工況復雜，模擬過程中難以考慮到所有因素，需做出基本假設：

1）密封副是軸對稱結構，密封副材料均勻、各向同性，物理性能不受力和溫度的影響；

2） 接觸副摩擦產生的熱量全部在接觸副傳遞，熱流密度的分布均勻；攪拌產生的熱量較小，忽略；

3） 運行時，摩擦系數不變，材料磨損的影響不計，不計少量被泄漏帶走的摩擦熱；

4） 不考慮材料的特性隨溫度變化的情況，材料的密度、導熱系數、熱膨脹系數及彈性模量等不變。

機械密封環的熱量傳遞簡化為二維軸對稱穩態熱傳導，熱傳導微分方程為：

式中：T為物體的溫度；x為徑向坐標；y為軸向坐標。

1.3.2 計算參數及邊界條件的確定

1.3.2.1 計算參數

密封介質的物理性能參數如表3所示。

表3 介質的基本參數Tab.3 Basic paameters of medium

1.3.2.2 摩擦熱的計算與分配

對于混合摩擦機械密封，摩擦熱的計算公式如下：

式中：Q為摩擦產生的總熱量；f為摩擦系數；A為端面接觸面積；p為端面壓力；v為平均線速度；t為摩擦接觸時間。

則熱流密度的計算公式為：

式中：Dm為密封環的平均內徑；n為轉速。

本文按照Golubiev推導的計算公式進行計算[16]。對密封端面有：

式中：η為摩擦熱分配系數；qs為靜環端面摩擦熱；qw為動環端面摩擦熱；q為端面產生的總摩擦熱，λ為導熱系數；h為軸向厚度。

1.3.2.3 對流換熱系數的確定

密封環外邊界與密封介質接觸，密封環內邊界與大氣接觸。針對不同的邊界有不同的半經驗計算公式。對于動環外邊界的對流換熱系數α計算公式如下[17]：

其中

式中：Nu為努賽爾數；λ為流體的導熱系數；Dr為動環外徑；Rec，Rea分別為反映介質攪拌影響和橫向繞流影響的雷諾數；Pr為普朗特數；μ為介質的動力粘度；cp為介質的比熱容；ω為主軸角速度；U為動環周圍介質的軸向流速；v為介質的運動粘度；ρ為介質密度。

對于動環內邊界和靜環外邊界，對流換熱系數的計算公式如下：

式中：Re=2Uδ/v；δ為動環與軸 (或軸套)之間或靜環與密封腔內壁之間的間隙；ε為修正系數，一般取1.2～2.0；U為靜環或動環周圍介質的軸向流速。

對于靜環內邊界，對流換熱系數：

1.3.2.4 邊界條件的確定

根據計算的參數，確定的溫度場有限元分析邊界條件。對應圖1中模型，在S1S2添加接觸區域熱流密度 (Heat Flux)，在S2S4S6添加靜環外邊界熱對流 (Convection)，在S10S11添加靜環內邊界熱對流 (Convection)，在S2R2R4動環外邊界熱對流，在S1R1動環內邊界熱對流 (Convection)。

1.4 靜環磨損形貌分析實驗

靜環工作面材料為銅基石墨材料。取原始靜環工件與靜環磨損工件，利用MM-2金相顯微鏡，按照從密封環外徑到內徑的順序分別對兩靜環工作面進行表面形貌分析，分析對比表面形貌差異，進而驗證仿真分析結果。

2 結果與分析

2.1 摩擦副接觸應力仿真結果分析

對不同轉速和介質壓力下的模型進行接觸應力分析，選擇接觸區域，提取接觸區域線段上各介質壓力條件下的接觸區域應力數值，并建立如圖3（a）所示的坐標系，x坐標代表距離S，y坐標代表接觸應力σ。輸出的應力值如圖3（b）所示。

圖3（b）中，接觸應力由內徑向外徑不斷增大，應力集中在外徑區域；轉速越高，介質壓力越大，密封端面外徑區域的接觸應力越大。應力突變值發生在距離原點4.0 mm附近處，靜環在運行時存在偏載。

在10 000 r/min條件下，接觸區域外徑處應力最大，在此條件密封環發生變形，將其變形情況放大30倍后，其變形如圖4所示。

密封環發生微小變形，端面間形成楔形空間。由于密封環的變形，密封端面外徑區域接觸緊密，外徑表面承受的載荷較大。在高速轉動條件下，外徑區域易產生較嚴重的磨損。

2.2 溫度場仿真結果分析

選取啟動過程中的4個速度值，分析該條件下的溫度場，如圖5所示。

由溫度場分析結果可知，在整個運行過程中，接觸區域出現高溫，溫度最高情況出現在瞬間啟動時，接觸區域最高溫升在極短時間內約達到180℃，較高溫升會加劇密封環的磨損[15]。

2.3 靜環磨損形貌結果分析

取原始靜環工件，按照從密封環外徑到內徑的順序分析原始表面進行表面形貌。靜環原始表面平整，材料均勻，各處表面形貌沒有明顯差異，有大量的石墨填充物，同時也存在輕微的加工劃痕。其中一處放大300倍后的表面形貌圖如圖6(a)所示。

磨損后的靜環，按照從密封環外徑到內徑的順序進行表面形貌分析，其放大300倍后的表面形貌圖如圖6(b)，圖6(c)及圖6(d)所示。

與圖6(a)相比，圖6(b)中的靜環外徑區域表面存在材料的粘著、剝落及犁溝，平整端面被破壞，磨損嚴重；圖6(c)中，磨損表面有明顯的分界，靠近外徑區域磨損嚴重，靠近內徑區域磨損輕微，表面較為完整；環內徑區域表面完整，磨損輕微，如圖6（d）。接觸副摩擦生熱，銅石墨與密封介質發生化學反應，銅發生氧化，使磨損件表面存在一層氧化物。

3 磨損機理分析

3.1 靜環材料轉移機理分析

所研究的密封形式為接觸型密封，具有高速、高載荷的特點，且靜環所用的銅基石墨材料強度較低。在高PV值的作用下，在滑動接觸區域表面溫度急劇升高，影響材料的摩擦磨損性能，摩擦系數增大，因銅基石墨材料較軟，表面材料被撕裂，發生材料的轉移，部分銅基石墨材料附著在動環上。發生材料轉移時，配副間出現磨屑，使動環出現輕微磨損。

最終，在動環和靜環上都有明顯的材料轉移，使表面凸起，在靜環上有不規則微坑和犁溝產生。

3.2 內外徑磨損情況差異的機理分析

由接觸應力和溫度場分析可知：在介質壓力、彈簧支撐力等因素的共同作用下，引起材料的輕微變形，形成如圖4所示的楔形，外徑區域的接觸應力較大，外側易產生磨損。在高速轉動過程中，密封接觸面摩擦產生大量熱，影響靜環的材料性能，加劇材料轉移的發生。表面的磨損，必然引起密封環系統的振動，將加劇磨損情況。

綜合靜環磨損形貌分析、接觸應力及溫度場有限元分析，摩擦過程中，主要發生靜環的材料轉移。接近外徑區域接觸應力大，磨損嚴重，導致密封的泄漏；接近內徑區域接觸應力較小，磨損輕微；密封環變形和摩擦產生的大量熱也會對密封端面的磨損性能產生影響。

4 結論

1）該機械密封磨損的主要形式是粘著磨損，靜環端面外徑區域磨損嚴重，內經區域磨損輕微。

2)密封環接觸區域外徑區域接觸應力大，內徑處接觸應力?。幻芊猸h發生微變形，接觸端面形成楔形，外徑區域較內徑區域接觸緊密。綜合導致外徑區域磨損情況較內徑區域嚴重。

3)啟動過程中，高速摩擦產生較大溫升，摩擦產生的大量熱影響靜環材料性能，加劇密封環端面的磨損。

4)綜合表面形貌分析和ANSYS有限元分析及磨損機理分析，為所研究的液體火箭發動機渦輪泵機械封環的性能優化提供了思路。

[1]張國淵,袁小陽,趙偉剛,等.螺旋槽端面密封脫開轉速的理論及試驗[J].機械工程學報，2008,44(8)：55-60.

[2]白東安,段增斌,張翠儒.渦輪泵端面密封性能與漏氣量影響研究[J].火箭推進,2010,36(1)：38-42. BAIDong'an,DUAN Zenbin,ZHANG Cuiru.Effects of leaking rate on turbopump end-face sealing performance [J].Journalof RocketPropulsion,2010,36(1)：38-42.

[3]張樹強,王良,趙偉剛.液體火箭發動機渦輪泵用機械密封溫度場及熱載變形研究[J].火箭推進,2014,40(5)：92-98. ZHANG Shuqiang,WANG Liang,ZHAO Weigang. Research on temperature field and heat deformation of mechanical seal in liquid rocket engine turbopump[J]. Journalof rocketpropulsion,2014,40(5)：92-98.

[4]黃智勇,胡鐘兵,李惠敏.大功率、高轉速、高揚程渦輪泵振動分析與減振研究[J].火箭推進,2005,31(6)：1-6. HUANG Zhiyong,HU Zhongbing,LIHuim in.Analysisof vibration and vibration reduction for turbopumps w ith high-power,high-rotation speed and high-delivery-head [J].Journalof rocketpropulsion,2005,31(6)：1-6.

[5]WANG J,Jia Q,YUAN X,et al.Experimental study on friction and wearbehaviourofamorphouscarbon coatings for mechanical seals in cryogenic environment[J]. Applied surface science,2012,258(24)：9531-9535.

[6]WEIL,ChANGX Z,ZhANGPG.Fractalcharacterization of changing of surface topography of the end face of soft ring in running-in procedure formechanical seal[J].China surfaceengineering,2011,24(5)：78-82.

[7]張書貴,顧永泉.機械密封變形的研究[J].中國石油大學學報(自然科學版),1992(2)：48-53.

[8]劉偉,彭旭東,白少先,等.流體靜壓型機械密封的三維傳熱數學模型及端面溫度分析 [J].摩擦學學報,2010, 30(1)：57-63.

[9]TAKAO S,HIROSHI H,TOSHIKATSU N.A study of the relationship between sealing performance and surface condition of mechanical face seals[J].Tribology transactions,1992,35(4)：659-666.

[10]E.Mayer.機械密封[M].化學工業出版社,1981.

[11]顧永泉.機械密封實用技術 [M].北京：機械工業出版社,2001．

[12]BATHEISK,Kirk RG.Analysis of high pressure liquid seal ring distortion and stability using finite element methods[J].Journalof tribology,1999,121(4)：921-926.

[13]LEBECK A O.A mixed friction hydrostaticmechanical face seal model with thermal rotation and wear[J]. Tribology transactions,1980,23(4)：375-387.

[14]顧伯勤,周劍鋒,陳曄等.機械密封端面間液膜摩擦熱的傳熱規律[J].中國科學(E輯：技術科學),2008,(1)：137-147.

[15]劉偉,彭旭東,白少先等.流體靜壓型機械密封的三維傳熱數學模型及端面溫度分析[J].摩擦學學報,2010, (1)：57-63.

[16]GOLUBIEV A I.Studies on seals for rotating shafts of high-pressure pumps[J].Wear,1965,8(4)：270-288.

[17]YAN G P,Liu Z L,Zhu X M,etal.Numericalanalysisof the thermal-field of ship stern-shaft mechanical sealed faces under the variationalworking conditions[J].Journal of shipmechanics,2008,12(3)：483-489.

（編輯：馬 杰）

Research on wear mechanism of mechanical seal for turbopump in liquid rocket engine

ZHAOWeigang1,ZHANG Pengpeng2,REN Shanshan2,DONGGuangneng2
（1.Schoolof Astronautics,Northwestern PolytechnicalUniversity,Xi’an 710072,China; 2.MOEKey Laboratory forModern Design and Rotor-bearing System, Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China）

The original surface morphology and the worn surface morphology of static ring end-face of mechanical seal was analyzed by metallographic m icroscope.The wear form and the differences between inner diameter and outer diameter were obtained.The contact stress and temperature field distribution on the sealend-faceareanalyzed bymeansofsimulation.The influences of rotating speed,medium pressure and other conditions on end-face contact stress and temperature field arealso analyzed bymeansof ANSYSsoftware platform.Theeffectofend-face contactstressand temperature variation on the propertiesofwearwas verified.Thewearmechanism ofmechanical seal wasexpounded.

surface topography;simulation analysis;mechanicalseal;wearmechanism

V433-34

A

1672-9374(2017)03-0010-05

2016-10-25；

2017-01-06

民用航天產品高可靠長壽命專項（〔2014〕618號）

趙偉剛（1977—），男，高級工程師，研究領域為機械密封