液體火箭發動機渦輪泵密封組件靜力學特性

徐云飛，劉 麗，徐學軍，李 鋒，黃道瓊，段 捷

（1.西安航天動力研究所，陜西西安710100；2.液體火箭發動機技術國防科技重點實驗室，陜西西安710100；3.航天推進技術研究院，陜西西安710100）

液體火箭發動機渦輪泵密封組件靜力學特性

徐云飛1,2，劉 麗1，徐學軍1,2，李 鋒1,2，黃道瓊1,2，段 捷3

（1.西安航天動力研究所，陜西西安710100；2.液體火箭發動機技術國防科技重點實驗室，陜西西安710100；3.航天推進技術研究院，陜西西安710100）

為了提高液體火箭發動機渦輪泵端面密封的氣檢合格率，開展了密封組件的靜力學特性分析。采用有限元法建立了密封端面接觸分析模型，針對石墨環裝配過盈量、彈簧剛度偏差與氣檢壓力3個方面進行了仿真計算，獲得了端面變形量和密封壓力分布的變化規律。計算結果表明：在0.13 mm過盈量下，石墨環上端面高度差為7.2μm；彈簧剛度偏差量變化引起的動靜環端面壓力分布最大差值約0.1 MPa；在氣檢過程中密封端面呈環形的壓力分布。

液體火箭發動機；密封組件；靜力學特性；密封壓力分布；有限元法

0 引言

在液體火箭發動機工作過程中，端面密封結構起著至關重要的作用。一旦端面密封失效，將會引起介質泄露，嚴重時將使氧化劑與燃料串腔爆炸，造成火箭發射失敗。導致端面密封結構失效的主要原因是密封組件變形，國內外對液體火箭發動機渦輪泵的研究，主要包括渦輪泵轉子及其支撐結構的動靜態特性[1-3]、端面密封熱變形和壓力變形[4-8]等方面，但具體針對壓力變形的影響因素分析研究卻很少。

本文針對某發動機氧化劑泵端面密封結構氣檢泄漏率超差問題，建立了端面密封結構的有限元分析模型，對渦輪泵裝配與檢漏過程中影響密封特性的因素進行了研究，為發動機渦輪泵端面密封故障診斷機理分析提供支持。

1 渦輪泵端面密封結構簡介

發動機渦輪泵端面密封結構如圖1所示[9]。主要由動環組件與靜環組件組成，動環組件主要包括動環、動環軸套和壓環；靜環組件包括石墨環、靜環座、靜環襯套以及支撐彈簧等，其中石墨環通過熱套方式過盈裝配在靜環座上。

渦輪泵不工作時，在支撐彈簧的預緊力作用下，動環和石墨環組成的摩擦副保持貼合；渦輪泵工作時，帶壓力推進劑充填至環形的密封組件外側后，通過對靜環座施加附加的液壓軸向力實現摩擦副動密封[9]。然而在產品加工完成后的氣密檢查時發現，由于石墨環與靜環座之間過盈裝配引起石墨環變形等原因，導致密封副端面壓力分布不均，造成氣檢泄漏率超出容許值，影響產品交付合格率，因此有必要通過靜力學仿真分析對密封面壓力分布的影響因素進行分析。

2 模型建立

針對圖1所示的密封結構，采用商業有限元軟件ANSYS建立的有限元模型如圖2所示，模型采用結構化網格進行劃分，選擇20節點的Solid186網格單元可以保證足夠的計算精度。

由于石墨環剛度較低，而其余密封組件結構均為剛度較高的不銹鋼材質，因此在接觸分析時，石墨環與靜環座以及動環之間的接觸面設置為“剛體-柔體接觸”、其余接觸面均為“柔體-柔體接觸”。值得注意的是，“剛體-柔體接觸”設置中，剛性面設置為目標面，柔性面設置為接觸面；而對于“柔體-柔體接觸”，目標面與接觸面可以任意設置。在計算前，將接觸剛度的比例因子給定0.1，接觸算法選擇增強的拉格朗日法。

導致密封組件氣檢泄漏率超差的原因主要包括：裝配過盈量、支撐彈簧剛度偏差和氣檢壓力。通過建立靜力學仿真計算模型，結合相應的邊界條件，對整個密封組件的靜態特性進行計算和分析，有利于確定影響密封副密封特性的瓶頸參數，為密封結構改進方案的確定提供數據支持。

3 計算結果與討論

3.1 裝配過盈量分析

石墨環與靜環座之間為過盈裝配，這一設計可以有效保證二者之間的密封，但裝配應力會引起石墨環變形，可能導致石墨環與動環之間的接觸面減小或接觸壓力分布不均，影響密封的可靠性。

為研究過盈量變化對靜環組件應力分布、接觸壓力及上端面軸向變形影響，采用加工公差范圍內不同的過盈量，對靜環組件裝配后狀態進行靜力學分析，其中過盈量分別設置為0.085 mm，0.107 5 mm及0.13 mm，計算得到的部分結果如圖3和圖4所示。

對于不同過盈量，靜環組件的應力最大值均出現在靜環座上沿的環狀區域中、石墨環的最大軸向位移均出現在其內表面上端附近的環狀區域，并且均隨著過盈量的增大而增大。石墨環上端面與靜環座外沿上端面變形內環均高于外環；在0.13 mm最大過盈量下，石墨環上端面高度差為7.2μm。

3.2 彈簧剛度偏差分析

靜環座底部沿周向均勻設置8個支撐彈簧，用于使動靜環接觸并預緊：一方面，離散布置的8個彈簧支撐力沿靜環座和石墨環達到密封端面，可能使密封壓力分布均勻性較差；另一方面，彈簧支撐剛度偏差會使動靜環之間初始密封比壓分布偏斜，進而影響密封性能。根據彈簧設計要求，其剛度偏差允許有±9%范圍內的波動，因此計算模擬的最惡劣工況為密封面的一二象限彈簧剛度正偏差9%，三四象限彈簧剛度負偏差9%。

彈簧剛度均勻的情況下，動靜環密封端面的壓力分布較為均勻，最大壓差0.036 MPa，如圖5(a)所示。由于8根彈簧沿周向均勻支持靜環座外沿下端面，所以接觸壓力的極值點也是沿1/8周長均勻分布。而彈簧剛度偏差極限情況下，接觸壓力分布均勻均勻性較差，石墨環上端面最大接觸壓力差值0.098 MPa，已經超過了最小壓力值的50%，如圖5(b)所示。因此可以認為，支撐彈簧剛度分布不均是影響密封組件密封性能的故障模式之一。如圖6所示，密封端面上的密封比壓分布計算結果如圖7所示。

3.3 氣檢壓力分析

在密封組件泄漏率檢查的過程中，氣檢壓力作用會使整個結構的變形和應力分布發生變化，進而對密封副的密封性能產生一定影響。計算的邊界條件為對受密封壓力的面施加對應的壓力，

對比無氣檢壓力與0.5 MPa氣檢壓力下端面密封計算結果發現，無氣檢壓力時，端面密封壓力分布近似呈“馬鞍形”，這主要是由于動環軸套與動環之間的傳力是通過對稱分布的2個支耳，裝配壓力傳遞過程引起動環變形造成；通入0.5 MPa氣檢壓力后，密封端面接觸壓力增大，使得剛度小的石墨環變形量增大進而使得端面密封壓力分布特性得到了改善，另外靜環座肩部由于受到不平衡的軸向力發生變形，使得靜環組件上翹，造成外高內地的環形壓力分布。

同時考慮石墨環裝配過盈量與氣檢壓力條件下的密封比壓分布計算結果如圖8所示。由圖8可知：無氣檢壓力下，端面密封壓力分布變成了“雙月牙形”，壓力分布均勻性差，存在大比例的低壓力區；通入0.5 MPa的氣檢壓力后，壓力分布有一定改善、且同樣呈圓環形分布?？梢钥闯觯瑢τ陟o環組件過盈裝配0.13 mm后，氣檢過程中，有效密封的面積比較低。

4 結論

通過某發動機渦輪泵密封組件的靜力學特性研究，得到以下結論：

1） 石墨環與靜環座過盈裝配0.13 mm時，石墨環上端面高度差為7.2μm。

2） 彈簧剛度偏差量變化引起的動靜環端面壓力分布最大差值0.098 MPa，已經超過了最小壓力值的50%。可以認為，支撐彈簧剛度分布不均是影響密封組件密封性能的故障模式之一。

3） 對于靜環組件過盈裝配0.13 mm狀態，在氣檢過程中，有效密封的面積比較低，且呈圓環形分布。

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（編輯：馬 杰）

Static mechanical characteristics of turbopump seal assembly in liquid rocket engine

XU Yunfei1,2,LIU Li1,XU Xuejun1,2,LIFeng1,2,HUANG Daoqiong1,2,DUAN Jie3
（1.Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China; 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Liquid Rocket Engine,Xi’an 710100,China; 3.Academy of Aerospace Propulsion Technology,Xi’an 710100,China）

To rise the checking qualification rate of seal in turbopump end face in liquid rocket engine,thestaticmechanicalcharacteristicsofsealassembly isanalyzed.The contactanalysismodelof sealassemblywassetupw ith FEM.The simulating calculation for fit tolerance ofgraphite ring,biasof spring stiffnessand checking pressurewas performed to get the variation law of end-face deformation and sealing pressure distribution.The resultindicates that theend faceheightdifferenceofgraphite ring upper surface is7.2μm at fit tolerance of 0.13mm,the biggestdifferentvalue of pressure distribution on end facesofmoving ring and static ring is0.1MPa,which is caused by biasof spring stiffness,and the pressure distribution of sealing end-face appears in circular shape in the process of sealing checking.

liquid rocketengine;seal assembly;staticmechanical characteristic;sealing pressure distribution;finite elementmethod

V434.21-34

A

1672-9374(2017)03-0017-05

2016-10-14；

2017-01-20

國家自然科學基金（11502186，51506157）

徐云飛（1984—），男，碩士，工程師，研究領域為液體火箭發動機技術