渦輪泵端面密封波紋管波形分析與試驗研究

涂 霆，李 銘，吳 霖，須 村，葉小強

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

膜盒式端面密封因其利用金屬波紋管代替了彈簧和輔助密封圈，解決了高、低溫下輔助密封問題，且具有軸向浮動性好、比壓均勻、摩擦損失小、工作穩定性好和結構緊湊等優點，被廣泛應用[1～3]。

目前，機械密封金屬焊接波紋管的研究主要集中在波形參數對剛度[4]、耐壓強度[5,6]及穩定性[7,8]等的影響，但對不同波形、不同壓力對密封比壓、載荷系數、平衡直徑及疲勞壽命的影響研究較少。本文以某火箭發動機渦輪泵氦氣端面密封為對象，對直邊和斜邊兩種波形進行了研究，采用有限元的方法計算兩種波形的應力水平、平衡直徑及密封比壓等參數隨工作壓力變化的關系，并通過疲勞壽命試驗、臺架運轉試驗和熱試車進行驗證。

1 有限元計算與分析

1.1 幾何結構和工作條件

所研究的端面密封為接觸式，主要由動環和靜環組件構成，靜環組件包括靜環和金屬焊接波紋管，摩擦副靜環為石墨材料，動環為鋼材，其結構如圖 1所示。該端面密封所用的波紋管波形為三圓弧S形，工作條件和波紋管結構尺寸如表1所示。

該端面密封原狀態波形內、外徑為直邊（與直邊的傾斜度為 3°），使用中多次發生波紋管破裂，暴露出疲勞壽命不足的問題，無法適應生產質量波動。原波片內外圓焊接后，形成6°的張角，工作時外充壓、外圓焊縫張角被壓縮，內焊縫張角被擴張，形成的彎矩作用于焊縫根部，導致該處應力急劇增大。因此，將波片外圓直線段角度調整為0°，內圓直線段調整為 45°，使兩波片端部保持貼合，貼合后既減小了力臂、彎矩和曲率半徑，又將受力支點轉移至貼合的端部，應力水平得到降低，最大應力位置轉移出焊縫區域，從而達到提高強度和疲勞壽命的目的。其它波片參數，即波片厚度、內外徑大小、波片組數保持不變，中間 3段圓弧的直徑進行適應性調整，如圖2所示。

圖1 端面密封結構示意Fig.1 Face Seal Structure

表1 密封結構尺寸和工作條件Tab.1 Structure Sizes and Working Conditions

圖2 波形結構示意Fig.2 Waveform Structure

1.2 三維建模和邊界條件

采用 ANSYS Workbench有限元軟件建立兩種狀態的二維軸對稱有限元模型（見圖3），對稱軸為y軸，波紋管安裝環施加固定約束，靜環密封面上施加y方向的位移約束，在波紋管、靜環、靜環座和安裝環外側施加外壓載荷，波紋管及安裝環、靜環座之間施加無摩擦接觸，采用彈塑性模型進行分析。波紋管材料為Inconel-718，彈性模量為205 GPa，泊松比0.3，屈服強度為1034 MPa。

圖3 有限元模型示意Fig.3 Finite Element Model

1.3 計算結果

1.3.1 剛度計算與分析

波紋管的剛度為

式中F為波紋管彈力；X為波紋管壓縮量。

在不充壓狀態下，對密封面施加不同壓縮量X，提取相應的支反力，即波紋管彈力F，并以X為橫坐標，F為縱坐標，做曲線并求其斜率，得出K值，即為波紋管剛度，結果如圖4所示。

圖4 波紋管彈力與壓縮量關系特性曲線Fig.4 Relation between Elasticity and Compression of Bellows

從圖4可以看出，兩種狀態的波紋管彈力隨壓縮量變化的線性度較好，改進型的剛度比原狀態大 3 N/mm左右，剛度有限元計算值與產品實測值對比如表2所示。

表2 剛度對比Tab.2 Stiffness Contrast

由表2可知，有限元計算剛度與產品實測值吻合較好，驗證了該有限元模型及計算方法的有效性。

1.3.2 應力計算與分析

取波紋管預壓量為實際使用的1.2 mm，分別對兩種波形外側充壓0～1.3 MPa進行計算，提取不同壓力下的應力云圖，如圖5所示。

圖5 兩種波形的應力云圖Fig.5 Stress Contours of Two Waveforms

從圖 5可以看出，兩種波形的應力隨工作壓力的升高而增大，但改進型的斜邊波形應力明顯小于原狀態的直邊波形，工作壓力在0.3～0.6 MPa范圍內，改進型應力約為原狀態的三分之一，強度安全系數由接近1提高到3以上。直邊波片在0.3 MPa壓力時，局部波片發生貼合，應力水平接近于材料極限，超過0.5 MPa后發生局部屈服，應力水平有所降低。改進狀態的斜波片在0.8 MPa以后才發生接觸，應力上升較慢，未超過材料的極限。原狀態直邊波形的最大應力點位于焊縫附近，而焊接高溫形成的熱影響區會降低材料的強度，導致強度裕度進一步降低，容易發生開裂。改進后的斜邊波形最大應力點遠離強度低的焊縫熔合區，轉移到強度高的波片母材上，波紋管的強度安全裕度得到顯著提高，從理論上來說，其疲勞壽命也會提高。

1.3.3 端面壓緊力計算

端面壓緊力F1由波紋管的彈力F和流體壓力作用力Fp兩部分組成，即：

式中K1為載荷系數；P為充壓壓力；A為密封面積。

密封比壓Pb為端面壓緊力與密封面積的比值，即：

波紋管的有效直徑即密封平衡直徑da可按下式計算：

式中d1為膜片內徑；d2為膜片外徑。

提取各充壓狀態下的支反力，即端面壓緊力F1，通過式（2）～（4）計算出不同壓力下的密封比壓Pb、載荷系數K1和平衡直徑da，如圖6～8所示。

圖6 密封端面比壓與充壓壓力關系Fig.6 Relation between Seal Specific Pressure and Working Pressure

圖7 平衡直徑與充壓壓力關系Fig.7 Relation between Balance Diameter and Working Pressure

圖8 載荷系數與充壓壓力關系Fig.8 Relation between Loading Factor and Working Pressure

從圖6～8可以看出，0～1.3 MPa時，兩種狀態的密封端面比壓均隨壓力增加而增大，原狀態在0.3 MPa處存在斜率增大的拐點，而改進型的點在0.8 MPa，且斜率要小于原狀態。同樣的，平衡直徑與載荷系數也存在相同壓力下的突變拐點。結合圖5可知，當某壓力下，相鄰波片發生接觸，則該充壓壓力下的密封比壓、平衡系數與載荷系數會出現拐點，波紋管的性質發生變化。

在工作壓力附近，原狀態密封比壓存在突增的拐點，當運轉的摩擦發熱使密封腔壓力升高后，端面比壓大幅增大，進而導致摩擦劇烈，形成正反饋，密封腔壓力進一步升高，使工作比壓顯著偏離設計點，不利于密封的長時間安全穩定工作。改進型比壓突變拐點不在工作壓力區間，且比壓隨壓力變化較小，性能更穩定。

2 試驗驗證

2.1 疲勞壽命試驗

為對比兩種波形狀態的疲勞壽命水平，設計了循環打壓試驗裝置，如圖9所示。

圖9 循環打壓試驗裝置示意Fig.9 Cyclic Charging Test Device

從圖 9可以看出，該試驗裝置主要通過入口、出口的電磁閥開啟與關閉，實現給端面密封產品充壓與泄壓，一次充放壓記為一個循環次數，波紋管開裂（無法保持壓力）的循環次數多少即反映其疲勞壽命的高低，如圖10所示。為減少波紋管達到疲勞破裂的試驗時間，將充壓壓力提高到 1 MPa，提高了整體平均應力和應力幅。

從圖10可以看出，原狀態波紋管疲勞開裂次數在7000～9000次，改進型的疲勞開裂次數超過18000次，是原狀態的兩倍以上，疲勞壽命得到顯著提升，大幅提高了產品強度安全裕度，驗證了1.3節中有限元的計算結果。

圖10 循環打壓試驗結果特性曲線Fig.10 Cyclic Charging Test Results

2.2 臺架運轉試驗

將兩種波形狀態的端面密封試件在常溫臺架上進行30 min運轉試驗，試驗工況壓力為0.5 MPa，密封介質為常溫氦氣。兩種狀態產品試驗均合格，泄漏水平相當，密封面均無磨損。試驗裝置如圖11所示，運轉溫升如圖12所示，改進前后對比如表3所示。

圖11 臺架運轉試驗裝置示意Fig.11 Running Test Device

圖12 運轉試驗最高溫度和溫升特性曲線Fig.12 Maximum Temperature and Temperature Rise on Running Test

表3 臺架運轉最高溫度和溫升Tab.3 Maximum Temperature and Temperature Rise on Running Test

由圖12和表3中數據可知，改進型密封試件運轉最高溫度、溫升均遠小于原狀態，降幅為 66%以上，工作熱環境明顯改善，驗證了1.3節的計算結果。

2.3 發動機熱試車考核

將波片改進斜45°波形的氦氣端面密封產品搭載發動機，進行了10次啟動，3240 s長程熱試車，取得圓滿成功，并與原狀態直邊波形產品的試車情況進行對比，典型的連續兩次啟動試車中密封腔壓力Pg、溫度Tg特性如圖13所示，改進前后對比如表4所示。

圖13 試車密封腔壓力和溫度關系Fig.13 Pressure and Temperature of Seal Cavity in Engine Test

表4 試車密封腔壓力、溫度Tab.4 Pressure and Temperature of Seal Cavity in Engine Test

從圖13可以看出，啟動后密封腔溫度、壓力迅速上升，到達最高點后逐漸下降。分析原因是啟動后轉速由零迅速升高到額定轉速，摩擦熱迅速增大，導致溫度壓力升高；隨后由于密封腔外部存在大量低溫介質，大量的摩擦發熱量被熱傳導出去，溫度、壓力隨之降低。因此，密封腔溫度增幅越小、降幅越大或密封腔壓力越小，說明端面密封摩擦發熱越小。

由圖13和表4可知，改進型較原狀態密封腔溫度增幅低25%，溫度降幅超過25%，密封腔壓力更小，說明改進的斜波波形密封發熱更小，也驗證了1.3節的有限元計算與2.2節中的臺架運轉結果。

3 結 論

a）斜45°波形耐壓性能優于直邊波形，應力水平約為其三分之一，且最大應力點在強度高的波片母材上，遠離強度低的焊縫熱影響區，強度安全系數提高到3以上；

b）相鄰波片接觸，密封比壓（載荷系數、平衡直徑）等性能參數會有突變，斜45°波形的性能參數隨壓力變化更小，線度好，工作壓力附近不存在性能突變的拐點，較直邊波形的工作穩定性好、工作熱環境更優；

c）試驗結果表明，斜45°波形的改進波形較原狀態直波形疲勞壽命提高了1倍，密封運轉溫度和溫升降低超過 25%，驗證了有限元計算的有效性和斜 45°波形改進的效果。