火箭涡轮泵机械密封研究综述

机械密封作为一种适合在苛刻工况下使用的轴封形式,在火箭各类涡轮泵中得到了广泛应用。涡轮泵的特殊性给机械密封的应用带来了一系列问题。对火箭涡轮泵机械密封方面的研究概况进行简述。首先从高速旋转轴系中的机械密封动力学方面,介绍了高速工况下轴系与机械密封的耦合关系和机械密封主动控制的尝试;然后对火箭涡轮泵机械密封中的摩擦磨损与润滑问题进行了介绍,涉及高速摩擦磨损下的可靠性、热力耦合与变形问题、材料配副、流体膜形成机理与端面几何特征优化等各方面问题;最后介绍了涡轮泵带压长期贮存的工作特点造成的静态慢渗问题。     

膜盒式机械密封设计研究

基于膜盒式机械密封理论与经验,研究了膜盒式机械密封密封材料、密封结构、密封性能、密封比压、泄漏量等之间的关系.基于ANSYS有限元软件平台面-面接触分析模块Contact Pressure,仿真分析和计算了膜盒式静环组件在过盈配合压装条件下端面块应力、应变场分布与变形量之间的关系,得出了膜盒式机械密封密封材料选择、结构、静环组件、密封性能参数设计准则.在该准则中端面块过盈量选取范围为0.16-0.18 mm之间.采用该设计准则设计的膜盒式机械密封已经用于某战略弹道导弹武器系统用液体火箭发动机之中,该发动机已经通过了地面热试车考核.     

高速涡轮泵多部件耦合转子系统动力行为

液体火箭发动机高速涡轮泵系统包含多道浮环密封、轴端机械密封、滚动轴承等微小间隙约束的摩擦学基础部件,间隙内流体与多部件的相互耦合作用效应会导致转子系统动力行为的演变,其机理研究成为整机朝着更高性能与极端化方向(高速、高压、低温/高温等)发展的理论指导基础。首先,构建了考虑流体膜厚方程、动态雷诺方程、介质属性方程以及支撑单元力平衡方程的机械密封热弹流模型和浮环密封动态性能分析模型;其次,耦合各摩擦学单元动态性能模型,发展了包含机械密封、浮环密封、滚动轴承、涡轮泵转子等多功能部件耦合的整机转子系统的动力特性分析模型;最后,采用数值方法实现了对上述多个模型的求解,获得了典型工况条件下的涡轮泵系统动力学行为演变规律。结果表明组合密封导致系统对临界特性影响较小,能导致瞬态响应增加和失稳转速降低。     

膜盒式机械密封阻尼设计研究

针对膜盒式机械密封膜盒存在疲劳裂纹的问题,以焊接膜盒为研究对象,在分析研究机械密封动力学模型的基础之上,提出了用增加阻尼来提高膜盒抗疲劳裂纹能力的方法,并给出了膜盒式机械密封阻尼设计规范,带阻尼的膜盒式机械密封通过了模态、振动试验和发动机热试车考核,并已应用到发动机的设计中。     

流体动压集装式机械密封的选型及应用

介绍了流体动压集装式机械密封的原理及应用,针对输油泵的工作环境和技术特点,设计出符合要求的流体动压型集装式机械密封,对端面动力槽进行了对比、选型,并进行了多种摩擦副材料配对试验验证,分析认为采用圆弧深槽方案可以有效地改善密封端面的润滑情况,使密封具有高的可靠性和好的密封性能。     

涡轮泵机械密封泄漏机理分析及试验验证

针对某液体火箭发动机涡轮泵试车过程中机械密封故障进行了分析,研究了机械密封泄漏机理。通过N2O4介质运转试验,从石墨材料物理性能和组织结构两个方面分析了机械密封泄漏原因,试验证明石墨材料的导热性、动环材料的导热性对密封性能起着关键作用。     

液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究

分析研究了液氧泵机械密封用金属波纹管在常温条件下轴向拉伸变形与金属波纹管自由高度和密封摩擦功耗之间的关系,在此基础上,研究归纳出了液氧泵机械密封用金属波纹管设计规范,采用该规范设计生产的金属波纹管已用于液氧/煤油发动机,该发动机已通过地面热试车考核.     

液体火箭发动机涡轮泵机械密封磨损机理研究

对比分析了机械密封静环端面原始表面和磨损表面形貌,得到了磨损形式和内外径磨损差异;仿真分析了密封端面接触应力及温度场,分析了转速、介质压力等条件对端面接触应力和温度场的影响;探明了端面接触应力和温度变化对磨损性能的影响,阐述了机械密封的磨损机理。     

液体火箭发动机涡轮泵用机械密封温度场及热载变形研究

基于ANSYS数值计算软件,建立了液体火箭发动机涡轮泵用机械密封的二维稳态传热模型,依靠经验公式确定了模型的对流换热系数。计算了密封环的温度场和热载变形,分析了密封端面比压、回流流量以及不同材质对密封温度场的影响规律。结果表明:密封端面最高温度发生在靠近密封环内径处,且密封端面比压越大密封环温度梯度越大;密封环热载变形呈收敛间隙,最大变形发生在动环端面的外径处,其值约为2.2μm;密封环端面最高温度随回流流量增加而减小,当回流流量从0.1~0.6 kg/s变化时,密封环端面最高温度可降低18%(从100℃降至82℃);当回流流量增大到0.3 kg/s时,继续提高对密封环端面温升的控制不再显著;采用高导热系数的摩擦副材料能够显著降低端面温升和温度梯度,提高密封工作可靠性。     

高压补燃液氧/煤油发动机弹性金属密封技术探讨

讨论了弹性金属密封的弹塑性密封机理,回顾了国内外低温液体火箭发动机弹性金属密封技术的发展历程。结合高压补燃液氧/煤油发动机的工作特点,分析了发动机管路静密封所采用的Э形弹性金属密封、K形弹性金属密封、碟形弹性金属密封以及软金属密封的密封特性,从密封结构设计、密封材料选择、预紧载荷控制以及加工制造工艺四个方面总结并提出了影响高压补燃液氧/煤油发动机弹性金属密封性能的技术要点。针对当前国内高压补燃液氧/煤油发动机弹性金属密封的理论研究及工程应用现状,建议加强弹性金属密封技术的基础理论研究,完善弹性金属密封的结构设计方法并进行相应的预紧力偏差设计研究。     

长寿命航天器结构密封性能仿真分析研究

硅橡胶密封圈的力学性能会随着工作时间的增加而发生退化,本文首先初步分析硅橡胶的热氧老化机理,然后对硅橡胶材料在热氧加速老化试验前后的特性参数进行分析对比,并借助非线性有限元分析软件ABAQUS对由该种材料制成的O形圈老化前后的最大接触应力等力学参数进行分析计算,最后讨论了这些参数变化对结构密封效果的影响。本文的研究结果可为长寿命密封圈设计提供参考。     

全氟醚橡胶低温密封性能和工艺研究

对全氟醚橡胶密封圈低温条件下密封泄漏问题进行了理论分析,从改善材料压缩永久变形性能方面出发,调整二段硫化工艺参数,并进行产品低温密封试验。试验表明,调整后的二段硫化条件在保证全氟醚橡胶本身物理机械性能的条件下,提高了全氟醚橡胶密封圈在低温条件下的密封性能。     

深度变推发动机浮动环工作适应性研究

按照我国载人航天登月需求,正在开展多次起动、10%~100%深度变推力80 k N液氧/甲烷发动机关键技术研究。氧涡轮泵作为发动机的核心组件,采用的浮动环密封变工况工作适应性将直接影响到涡轮泵工作的安全性和可靠性。依据发动机系统变推力要求,采用数值计算方法对浮动环密封进行不同推力工况、不同偏心率条件下的浮起力计算,并与一维方法计算的浮起阻力结果进行对比分析,确定全工况范围内一、二级浮动环工作时偏心率介于0.4~0.6之间,浮动环泄漏量约为2.58~39.4 g/s。浮动环在此偏心率范围内工作可靠性高,可以有效地避免浮动环碰磨、崩边,具备大范围变工况工作能力,满足涡轮泵安全性工作和发动机深度变推力工作要求,可以为涡轮泵方案论证及设计提供理论依据。     

液体推进系统高温高压动密封发展趋势分析

航天液体动力系统液体燃料的供给与调节系统的密封工作条件非常恶劣，密封压差大、温度高、线速度大、工作时间长，对密封件技术带来很大挑战。本文介绍了国内外密封技术方面的一些新技术、新工艺、新概念等关键技术的应用，探讨了密封技术长寿命、高转速、高压力、高温环境和泄漏量小（甚至零泄漏）的发展趋势，分析了高温高压动密封的难点及关键技术。     

高压液氧涡轮泵孔型/蜂窝阻尼密封的设计

针对某型火箭发动机高压液氧涡轮泵离心轮的前、后凸肩动密封,采用孔型/蜂窝阻尼密封代替原始迷宫密封方案,并对密封结构参数进行优化设计,旨在减小泵内动静间隙泄漏,提高泵容积效率。采用经水工质孔型密封泄漏量实验数据验证的,基于k-ε湍流模型和三维定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的液体孔型密封泄漏量数值计算方法,研究了孔深、孔径对液氧孔型阻尼密封、蜂窝阻尼密封泄漏特性的影响规律,并与迷宫密封的封严性能进行了比较。计算分析了孔径在0.3~2.0 mm范围内、孔深在0.1~2.0 mm范围内连续变化时孔型阻尼密封的泄漏量。结果表明:相同孔径和孔深下,孔型阻尼密封和蜂窝阻尼密封具有相近的封严性能,均优于迷宫密封;有限的密封轴向长度下,液氧孔型/蜂窝阻尼密封泄漏量随孔径的增大(轴向孔数目减小)先减小后增大,孔型/蜂窝阻尼密封最佳孔径为1.4 mm;不同孔径下,液氧孔型/蜂窝密封均存在最佳深径比0.5,泄漏量达到最小值;相比于原始迷宫密封方案,优化设计的孔型/蜂窝阻尼密封使液氧涡轮泵离心轮前、后凸肩动密封泄漏量分别减小了约19%和21%。     

三维编织石英纤维热密封材料气密性能研究

引入三维编织石英纤维织物作为热密封材料,对三维四向、三维五向编织结构热密封材料试样进行了不同压缩率下透气性能试验。分析了三维编织结构热密封材料气体渗透量随压缩率、压差及编织工艺参数的变化规律。结果表明,通过优化编织结构,有利于提高试样的气密性能;试样的平均气体渗透量受纤维体积含量影响,随压缩率的增大而降低;在压缩率为10%与20%时,纤维体积含量为50%的三维四向试样相比气密性能更好,平均气体渗透量分别为1.14×10~(-6)、9.29×10~(-7)kg/(s·mm);当压缩率增加到30%时,试样出现明显剪切变形和碎裂,试样失效。通过合理设计,三维编织石英纤维织物可满足密封材料气密性能要求。     

一种新型阀瓣结构

在航天器中,一般使用推力器作为姿控、轨控执行元件,推力器中的电磁阀动密封常使用和推进剂相容的橡胶材料.本文介绍一种不用过渡层硫化成型的阀瓣结构,并指出这种结构较目前流行的阀瓣结构所拥有的优越性.     

基于CFD的涡轮泵转子密封流体激振研究进展

介绍了密封流体激振对转子稳定性的影响，重点论述了利用计算流体力学(CFD)方法进行密封流体激振研究的理论和试验测量方法，对当前研究中存在的难点、重点问题结合国内外发展情况进行了探讨，提出需要发展通用性更好的非稳态数值方法，并利用流体激振的特性来设计密封结构，改善转子动力特性。     

高压管路快速连接件设计与应用

管路连接操作在液体火箭发动机组件液流试验中非常频繁,为了提高试验效率、降低试验过程中密封件的损耗,需要将现用的连接方式进行改进,而高压快速连接接头在国内市场并没有成品。因此,结合实际操作对液流试验用的连接接头进行了重新设计,并经过不断改进和验证,达到了快速、可靠的连接目的。