火箭發動機端面密封靜環熱壓工藝及故障分析

魏芳勝，莊宿國，王 磊，張 亞，張 強

(1.西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

端面密封是液體火箭發動機渦輪泵的重要組件，其工作原理是利用動環與靜環端面緊密貼合并依靠兩者相對摩擦運動來實現密封作用，具有高轉速、高壓力、高振動等特點，可靠密封是發動機穩定工作的重要保證[1-2]。靜環的壓制工藝是端面密封生產過程的核心，目前國內外液體火箭發動機中密封靜環大多采用鑲嵌式靜環結構，鑲嵌的密封環材料一般有3種，即石墨、硬質合金和碳化硅[3-6]；靜環座通常為2Cr13，304，316、低膨脹合金4J32等。目前國內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械變形角度分析了鑲嵌環加工完成后平面度的變化機理[9]。尹冬凱基于材料的線膨脹系數變化，研究了石墨環與靜環座的結構應力變化[10]。

本文針對某發動機試車時端面密封出現的故障問題，深入剖析靜環熱壓工藝，為液體火箭發動機渦輪泵端面密封故障診斷機理分析提供了支持，為相關型號質量可靠性的進一步提升奠定了基礎。

1 機理分析及數學模型

某發動機渦輪端面密封主要用來隔離介質和高溫燃氣，由于發動機工作時端面密封所處的環境溫度較高，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，其優點為焊接波紋管耐高溫性能好，在高溫燃氣下仍能保持彈性，不會使密封失效。密封靜環采用鑲嵌式靜環結構，見圖1，鑲嵌式靜環由石墨環過盈鑲嵌在靜環座上而成，相比整體式靜環，鑲嵌式靜環具有更好的強度和剛度。

圖1 鑲嵌式靜環示意圖Fig.1 Mosaic static ring schematic diagram

1.1 機理分析

石墨環和靜環座通過鑲嵌方式連接，鑲嵌結構是指把石墨環鑲嵌到靜環座中，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。鑲嵌后的石墨環外徑受靜環座的徑向壓應力，靜環座內徑受石墨環的徑向壓應力。過盈裝配產生的徑向壓應力使得鑲嵌石墨環與整體石墨環在結構設計、參數選擇、應用條件等方面會有較大的差別，石墨環鑲嵌結構的細微變化都可能對鑲嵌后石墨環的傳動與密封性能產生較大的影響[11-12]。

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

1.2 數學模型

1.2.1 鑲嵌應力

靜環過盈鑲嵌屬于厚壁圓筒理論， 鑲嵌應力計算如圖3所示。

圖3 靜環座的應力計算模型Fig.3 Stress calculation model of static ring seat

對于靜環座，受到內壓的作用，如圖4所示，其內表面(半徑r=a)處應力

σr=-pa

(1)

(2)

式中:σr為靜環座徑向應力;pa為靜環座所受內壓;σθ為靜環座周向應力;a為靜環座的內徑；b為靜環座的外徑。

靜環座外表面(半徑r=b)處應力

σr=0

(3)

(4)

靜環座的半徑拉伸量

(5)

式中：E2為靜環座的彈性模量；ν2為靜環座的泊松比。

圖4 靜環座應力圖(內壓)Fig.4 Stress diagram of static ring seat (internal pressure)

石墨環受外壓(圖5)，其內表面(半徑r1=a)處應力

(6)

石墨環外表面(半徑r=b)處應力

σr=-pb

(7)

(8)

式中pb為石墨環所受外壓。

圖5 石墨環應力圖(外壓)Fig.5 Graphite ring stress diagram (external pressure)

石墨環的半徑拉伸量

(9)

式中：E1為石墨環的彈性模量；ν1為石墨環的泊松比。

從厚壁圓筒的結構來看，筒壁內表面與外表面的徑向應力和周向應力都是不等的。比較靜環座和石墨環各自的內表面與外表面周向應力，顯然內表面大于外表面，因此都應以內表面周向應力值來校核靜環座和石墨環的強度[13-14]。

1.2.2 過盈量校核準則

1.2.2.1 最小過盈量

一般通過試驗確定鑲嵌石墨環的最小過盈量，歷史經驗表明，在常溫下將最小過盈量控制在石墨環內徑的0.1%～0.2%范圍內，就能有效保證鑲嵌石墨環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度的限制，石墨環的鑲嵌是壓縮的過程，則鑲嵌應變ε1為：

(10)

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

由式(10)可得

(11)

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

2 熱壓工藝

靜環生產工藝流程為：準備(選配過盈量、設置壓裝溫度)→壓裝→車石墨臺階→真空浸漬→固化→氣檢。靜環真空浸漬過程可確保樹脂進入并填滿靜環座與石墨環間的間隙，線性升溫固化過程可使樹脂由液態變為固態而樹脂內部不出現氣泡，浸漬后氣檢是靜環浸縫氣密性的檢驗工序。

靜環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，能夠確保樹脂進入石墨環與靜環座之間的間隙部位。生產過程中通過黏度計檢測樹脂黏度；浸漬前對浸漬系統進行確認，確保設備正常運轉，真空度在要求的范圍內，浸漬過程中通過真空計可監視實際真空度；浸漬壓力由移動式氣瓶提供氣源，穩壓后輸入至浸漆罐中，通過浸漬罐上的壓力表監視實際加壓壓力。

靜環固化過程嚴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，石墨環和靜環座均勻膨脹。DH-1電熱烘箱采用線性控制升溫方式，可預設程序，升溫過程平緩、可控。

靜環浸漬后氣檢是靜環浸縫氣密性質量檢查工序。氣檢過程中使用專用工裝，用5～7 N·m力矩扳手擰緊靜環，0.5 MPa(表)檢查浸縫氣密性，保證靜環氣檢狀態一致性，避免浸縫氣密質量錯判。

通過以上分析，對原來靜環生產工藝流程進行改進，形成優化后的熱壓工藝如表1所示。

表1 靜環熱壓加工工藝

3 故障分析

3.1 故障機理

某型號試車后發現渦輪排氣管處有介質漏出，對渦輪泵進行氣密、液密試驗及分解檢查，確定是在端面密封泄漏。

導致該問題的主要原因為發動機停機后熱反浸期間，石墨環與靜環座過盈量減小形成局部微泄漏通道，介質泄漏到靜環座內汽化產生推力使石墨環不均勻脫開，石墨環密封面發生馬鞍形的變形，導致燃料泄漏。

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的線膨脹系數比石墨A低(兩種石墨環的線膨脹系數見表2)，在熱反浸過程中端面密封受到高溫作用時，石墨環與靜環座間的過盈量跟隨溫度變化的追隨性有差異，即在高溫環境中石墨B和靜環座間的過盈量減小(石墨A的過盈量幾乎不變)，產生徑向微縫隙，介質通過縫隙進入石墨環與靜環座端面縫隙間(如圖6所示的F2處)，在高溫環境中泄漏至縫隙中的介質快速汽化產生較大壓力，從而推動石墨環局部移動，造成石墨環不均勻脫出；石墨環脫出不均勻導致石墨端面變形，產生泄漏。

表2 熱環境作用下石墨環與靜環座過盈量變化量

圖6 石墨環受力示意圖Fig.6 Graphite ring force diagram

石墨環受力如圖6所示，當F2大于密封面預緊力F1和石墨環外圓與靜環座內壁摩擦力Fs(主要和過盈量有關)之和時，石墨環發生移動。

由上述分析可知，石墨B與靜環座匹配性差，在高溫環境中二者膨脹系數不同步，導致密封變形而泄漏。

圖7 不同石墨材料靜環受熱分析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)的靜環進行了仿真分析，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受熱分析，分析結果顯示石墨A由于其線性膨脹系數高于4J32，當初始過盈量為0.06 mm，在高溫(約360 ℃)作用下，石墨環與靜環座始終過盈配合，不會出現脫開現象。石墨B由于其線性膨脹系數低于4J32，在高溫(約360 ℃)作用下，當過盈量為0.06 mm，石墨環與靜環座出現脫開，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，分析結果顯示當過盈量為0.18 mm和0.10 mm時，石墨凸臺受過盈力的影響，石墨凸臺徑向變形方向沿內環方向；而當過盈量為0.06 mm，此時石墨環與靜環座脫開，過盈力消失，石墨凸臺徑向變形方向沿外環方向，形成局部應力集中，在回溫過程中外環處易產生局部變形，從而導致石墨環凸臺平面度較差，密封失效，產生泄漏。

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

3.3 試驗驗證

選用靜環石墨A和石墨B作為試驗樣品，在室溫下測量石墨環凸臺高度，然后在燒結爐中加溫至各溫度點，立即取出后測量尺寸變化，然后放入烘箱進行下一個溫度點試驗。

試驗結果見圖9，從試驗結果來看，石墨B靜環在高溫下的石墨環脫出約0.6 mm，石墨A靜環加熱到400 ℃也未發生脫出現象。該試驗驗證了石墨B與靜環座匹配性差，導致石墨環脫出；石墨A匹配性良好。

對故障靜環產品進行了平面度測量，判斷石墨環密封面是否發生變形，測量結果為石墨環密封面平面度約0.033 mm，測量數據表明密封石墨環端面出現馬鞍形，變形規律如圖10所示。

圖9 靜環高溫試驗部分測量數據Fig.9 Measurement data of high temperature test part of static ring

圖10 密封面平面度變形規律Fig.10 Deformation law of flatness of sealing surface

4 結論

1)建立了靜環熱壓的數學模型，明確了鑲嵌應力、過盈量校核及熱壓溫度確定等一系列參數，并在此基礎上，形成了一套完備的熱壓工藝方法。

2)結合某次試車端面密封泄漏問題，對靜環進行了機理剖析、仿真模擬和試驗驗證。結果表明在熱反浸過程中靜環受到高溫作用時，石墨B和靜環座間的過盈量減小，產生徑向微縫隙，造成石墨環不均勻脫出，石墨環脫出不均勻導致石墨端面變形，產生泄漏。