液氧煤油發動機密封波紋管性能指標及標準

張文良，陳杰，李向陽，張秀華，李敏，宋林紅，黃乃寧，劉雪利，于翔麟

（1.沈陽儀表科學研究院有限公司，沈陽 110168；2.西安航天動力研究所，西安 710100）

0 引言

波紋管式機械密封由于性能優異、可靠性高，可用于高轉速、高壓力、高溫及低溫等工況，因而被廣泛應用于液體火箭發動機渦輪泵密封裝置之中。由密封波紋管、彈簧及石墨環組成機械密封在液氧泵中發揮密封作用[1-3]。液氧泵機械密封工作溫度為-183 ℃, 工作壓力為1～2 MPa，端面平均線速度為60～75 m/s。密封波紋管要經受渦輪泵軸向和徑向較大振動載荷。密封波紋管的作用為密封和提供彈性補償，解決低溫密封問題的同時，能夠提供均勻可靠補償力。密封波紋管的密封結構簡單，且不需要輔助密封系統；發動機預冷充填時，密封泄漏量為0；發動機工作時，密封后端只允許泄漏少量氣氧；要求密封具有多次啟動工作能力。密封波紋管的密封性能對保證發動機的可靠工作至關重要。

密封波紋管的制造、檢驗尚沒有國內外標準可以完全借鑒[4-7]，國家軍用標準《液氧煤油發動機密封波紋管規范》已經報批，用于規范密封波紋管的生產及檢驗等。

1 標準相關性分析

相關標準主要包括GJB 1914A—2020《軍用金屬波紋管通用規范》、GJB 9790—2020《火箭發動機用搖擺波紋管規范》、JB/T 6169—2006《金屬波紋管》。

GJB 1914A《軍用金屬波紋管通用規范》規定了軍用金屬波紋管的共性要求和驗證方法[8]。作為通用規范，對波紋管的性能無法給出具體的指標要求。《液氧煤油發動機密封波紋管規范》在《軍用金屬波紋管通用規范》的基礎上進行了補充，規定了液氧煤油發動機密封波紋管的全部要求和驗證方法，對性能參數給出了具體指標要求，是能夠獨立使用的規范。

GJB 9790—2020《火箭發動機用搖擺波紋管規范》規定了火箭發動機用于姿態控制的搖擺波紋管的性能指標要求和驗證方法[9]。技術指標側重于搖擺波紋管角向位移的搖擺剛度、搖擺疲勞壽命、爆破壓力。《液氧煤油發動機密封波紋管規范》技術指標側重于對密封性能及可靠性能影響較大的波紋管軸向位移的軸向剛度、軸向疲勞壽命、有效面積等。兩者標準化對象的結構形式不一樣，要求的性能指標不一樣，檢驗方法存在較大差異。

在波紋管行業內應用較為廣泛的JB/T 6169—2006《金屬波紋管》標準規定了金屬環形波紋管的分類原則、系列劃分原則和使用性能的基本要求及試驗方法。適用于在儀器儀表及傳感器中使用的波紋管（簡稱敏感類波紋管）；也適用于各類補償器中使用的波紋管、密封隔離件、彈性支承件、減震器及撓性連接件中用的波紋管（簡稱通用類波紋管）[10]。該標準適用的波紋管結構型式未覆蓋密封波紋管產品內部加強的結構，要求的性能指標未包含材料晶粒度、波紋管層間質量等，檢驗方法中未提供具體可行的波紋管同軸度檢驗方法等。

2 標準規定的性能

2.1 結構

液氧煤油發動機渦輪泵密封波紋管由波紋管、襯墊、加強環組成，典型結構如圖1所示。

圖1 密封波紋管典型結構示意圖

2.2 波紋管用材料

波紋管用材料如表1所示。材料應進行檢驗，保證化學成分、材料性能符合材料標準的規定。波紋管管坯還應符合以下要求：壁厚應符合設計圖樣要求，壁厚公差±0.01 mm；固溶處理后應進行晶粒度的測定，晶粒度級別應不小于7級。

2.3 技術要求

2.3.1 外觀波紋管的內外表面應無目視可見的尖銳壓坑、壓痕、劃傷、裂紋、凹痕、鼓包等缺陷，允許有輕微分模痕跡；波紋管內外表面應無目視可見的銹斑、氧化皮等缺陷；波紋管兩端面切口雙層應齊平，各層切口應無目視可見錯位和明顯分層；波紋管內外表面不應有水、油、污物等雜質。

加強環開口的一端應與襯墊焊接固定。加強環安裝在波紋管內，3個加強環開口位錯120°。

2.3.2 幾何尺寸

波紋管幾何尺寸應符合設計圖樣要求。波紋管兩端接口直邊的同軸度應不大于φ0.3 mm。

2.3.3 剛度

波紋管在壓縮3 mm條件下，剛度值為35～50 N/mm。

2.3.4 殘余變形

波紋管壓縮2 mm條件下，殘余變形不大于3%；拉伸2 mm條件下，殘余變形不大于11%。

2.3.5 有效面積

波紋管有效面積為4190 mm2，偏差為±8%。

2.3.6 耐壓能力波紋管在試驗壓力3.0 MPa（外壓）下，保持5 min，不允許泄漏與失穩。

2.3.7 氣密性

泄漏率應不大于6.5×10-9Pa·m3/s。

2.3.8 疲勞壽命

波紋管在試驗壓力0.5 MPa（內壓）下，預壓縮0.5 mm，軸向位移±1 mm，循環30萬次后應無破壞，氣密性滿足泄漏率要求。

3.1.1 EOLDs的第一原則:即患者可以自主決定，并在醫生告知病情、預后等情況下，醫護人員和患者家屬必須尊重患者自由表達對治療和護理的意愿[21]。鑒于危重患者在疾病的情況下大部分患者無法自主決定[22]，可由代理人替患者做EOLDs。代理人是指患者授權的代理人、配偶、父母、成年子女、兄弟姐妹，此為大多數國家對患者代理人順序的規定[23]。各個國家法律不同，導致EOLDs具體實踐不同。

2.3.9 層間質量

波紋管層間應清潔、無油污、無夾雜異物、無目視可見的銹蝕和氧化皮。

3 標準規定的檢驗方法

3.1 外觀

目視檢查產品表面、加強環安裝位置，必要時用5倍放大鏡檢查。

3.2 幾何尺寸

使用分度值為0.02 mm的卡尺或精度相當的量具或儀器進行檢測。

專用測量工裝（其與波紋管的配合尺寸分別與實際產品相同）、百分表、車床。

將一件專用測量工裝裝夾在車床上并找正至工裝軸向跳動量和徑向跳動量均在0.03 mm以下，將波紋管一端接口直邊安裝入工裝中，波紋管的另一端接口直邊安裝入另一專用測量工裝中并對測量工裝軸向施力，使波紋管處于壓縮狀態（壓縮量0.7 mm，由工裝保證），采用百分表測量此測量工裝的外徑跳動量，其測量值即為同軸度值。同軸度專用測量工裝如圖2所示。

3.3 剛度

專用剛度測試儀或組合式剛度測試儀器，壓力值精度不低于示值的±0.1%，位移測量分度值不大于0.01 mm。

將波紋管垂直放置在測量平臺上，對波紋管施加預壓力為公稱剛度值的10%后，施加集中力使波紋管產生3 mm壓縮位移。剛度值計算公式為

3.4 殘余變形

專用試驗儀器或組合式試驗裝置，其位移測量分度值不大于0.01 mm。

將波紋管垂直放置于測量平臺上，測量波紋管原始長度，對波紋管施加力，使波紋管產生2 mm的壓縮（拉伸）位移，預測一次后，正式測試。保持壓縮（拉伸）位移狀態2 min，去除外力，靜置5 min，測量殘余變形量ΔS，計算殘余變形百分率λ。

殘余變形百分率計算公式為

式中：λ為殘余變形百分率；ΔS為殘余變形量，mm。

3.5 有效面積

專用或組合式試驗裝置，其位移測量分度值為0.01 mm，力值精度不低于示值的±0.1%，壓力指示精度不低于±0.4%。

將波紋管垂直放置于測量平臺上，測量波紋管原始高度，對波紋管內施加均布力，波紋管外施加集中力，使波紋管位移為零，測得均布力P和集中力F，有效面積計算公式為

式中：Ae為有效面積，mm2；P為均布力，MPa。

3.6 耐壓能力

耐外壓試驗裝置，壓力缸、液壓泵、壓力表指示精度為1.6級。試驗介質為去離子水。將波紋管兩端端口密封，保證波紋管處于自由長度并限位，放入壓力缸內，對波紋管施加外壓至3.0 MPa，保壓5 min，泄壓后觀察判斷有無泄漏、破壞和失穩。

3.7 氣密性

采用氦質譜檢漏儀、專用密封裝置。試驗介質為工業用氦氣。將波紋管安裝在專用密封裝置內密封并與氦質譜檢漏儀接好，對波紋管抽真空。當達到可檢測壓力時，利用噴吹法或氦罩法，使氦氣分布在波紋管常壓一側的外表面，直接讀取氦質譜檢漏儀顯示的漏率數值。

3.8 疲勞試驗

試驗設備疲勞試驗機，位移測量分度值為0.01 mm；壓力表指示精度為1.6級。試驗介質為非易燃易爆、無腐蝕性潔凈干燥的氣體。

將波紋管安裝在疲勞試驗機上，調整活動橫梁至波紋管預壓0.5 mm，試驗位移±1 mm，試驗內壓力為0.5 MPa（氣壓），循環30萬次后檢查試件是否有破壞并測量氣密性。

3.9 層間質量

沿波紋管縱向切3條檢驗用試件，對試件進行分層剝離檢查。

4 檢驗規則

4.1 檢驗分類

檢驗分質量一致性檢驗和鑒定檢驗，檢驗項目如表2所示。

表2 檢驗項目及順序

4.2 質量一致性檢驗

質量一致性檢驗分為A組檢驗和D組檢驗。質量一致性檢驗項目及順序按表2進行。

4.3 鑒定檢驗

鑒定檢驗樣品數為6件，按表2中序號1～6項要求檢驗合格后，3件進行序號7、8、10、11項檢驗，其余3件進行序號9、12項檢驗。

5 結語

目前國內已經具有多年生產和使用密封波紋管的經驗，積累了大量的數據。隨著液氧煤油火箭發動機批量生產，對密封波紋管的需求量將進一步增加，產品質量趨于穩定，技術指標合理，標準制定、發布實施的時機已經成熟。

《液氧煤油發動機密封波紋管規范》規定的密封波紋管用于液氧煤油火箭發動機渦輪泵密封，也適用于其他旋轉式機械的金屬波紋管型機械密封。該標準除了對液氧煤油發動機密封波紋管結構、材料、外觀等有了更細致的規定外，對于密封波紋管產品的制造、檢驗的要求也更為嚴格，并且針對產品特點給出了具體可行的試驗方法和檢驗規則。