U-E密封设计研究

基于ABAQUS平台建立了发动机燃气摇摆装置——推力室对接法兰处用U-E密封有限元模型,采用ABAQUS/Standard模块隐式算法求解了U-E密封与法兰副相接触时,UE密封环结构参数;主、副密封唇压缩量发生变化时,压缩量与密封环等效Mises应力、塑性应变和接触压强之间的关系等。由此得到了U-E密封材料选择准则与密封结构设计准则,采用该设计准则设计、制造的U-E密封通过了37.5 MPa液压强度和25 MPa高压气密试验。试验结果表明:U-E密封设计准则正确、合理、适用,密封性能满足使用要求。     

径向密封设计及预紧力分析

主要描述了航天器结构设计中所采用的三种径向密封结构形式以及密封力的计算方法。在密封容器内压作用下,控制密封法兰两螺栓间的挠度变形,使两螺栓间法兰的间隙不大于0.1～0.2mm,从而达到满意的密封效果。同时,在密封实施过程中通过控制连接螺栓的拧紧力矩来确保密封法兰间的压紧力,通过紧固件的防松处理,提高法兰连接的可靠性。     

橡胶"O"形密封圈结构参数和失效准则研究

利用大变形、接触的非线性有限元理论建立了某固体火箭发动机密封结构的二维轴对称模型,用有限元软件计算出该结构在工作状态下的变形和应力。通过计算可知,在橡胶“O”形密封圈与上下法兰接触的位置产生最大的接触压应力,在密封槽槽口转角位置产生最大的剪切应力。对密封性能的各结构参数进行了分析,讨论了上下法兰张开间隙、初始压缩率、密封槽槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料等典型参数的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率对最大接触压应力的影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角半径对剪切应力影响明显。三维壳体结构的有限元分析结果表明,上下法兰在内压作用下产生不均匀的张开间隙,体现了三维结构的特点。不均匀的张开间隙与二维轴对称结果对比可知,以最小间隙作为设计间隙,二维轴对称分析模型可取代三维模型来分析该结构的密封性能。最后,确定了“O”形圈密封结构的最大接触应力和剪切应力失效准则。     

基于金属密封垫圈非线性变形仿真的预紧设计

为确保密封结构能有效阻止箱体内部介质的泄漏,要求密封面具备一定的密封比压,即通过施加合理的拧紧力矩来控制密封件的压缩量。目前主要采用试验方法验证一系列拧紧力矩下的密封效果,从而获取临界力矩值并确定可靠的拧紧力矩设计值。文章基于试验经验做出了合理的假设以建立简化的非线性有限元分析模型,对金属垫圈在压紧力下的塑性变形进行仿真,通过金属垫圈发生临界变形量的压紧力反推出拧紧力矩的临界值。该方法获取的临界力矩值与试验方法相近,可以有效地提高设计效率,降低试验成本。     

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.     

活门盘氟塑料热压工艺研究

针对活门盘的结构特点和密封要求,全面分析了活门盘的密封机理,得出活门盘密封比压应大于活门所需密封比压,给出了计算公式,并进行了活门盘热压工艺研究。采用该工艺压制的活门盘密封比压满足理论要求,产品通过了试验验证,满足设计要求,并通过了飞行试验考核。     

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。     

低温非接触式端面密封参数优化与试验验证

针对液氧/煤油发动机使用的接触式端面密封存在端面温升大、重复使用性能不理想等问题,首先采用无限长平面平行槽的惠普尔理论构建非接触式端面密封计算模型,然后仿真计算密封结构参数对气膜刚度以及泄漏量等密封性能的影响,最后以最大气膜刚度为优化目标,对非接触端面密封结构参数进行优化设计.低温运转试验验证了优化结果的正确性和非接触式端面密封具有良好的重复使用性.     

压力对膜盒式端面密封平衡直径的影响

膜盒式端面密封在低温液体火箭发动机涡轮泵中有着广泛的应用,作为直接影响密封工作稳定性及涡轮泵工作可靠性的重要参数,端面比压、膜盒平衡直径等如何选取一直是密封设计的重要工作。以某型低温液体火箭发动机涡轮泵的膜盒式端面密封为研究对象,研究压缩量、工作压力对膜盒应力分布、平衡直径、载荷系数和端面比压的影响。应用有限元法建立了膜盒应力分析模型,得到了不同压缩量和充压压力下膜盒的应力分布和端面压紧力,分析膜盒平衡直径随压力增大而显著下降的机理。结合理论分析,开展比压测量装置设计和测量,验证数值仿真得出的规律,并发现现有产品的实际平衡直径比理论计算要小。最后基于仿真和测试结果对现有端面密封方案进行改进,通过台架运转试验验证仿真、测量以及改进方案的准确性,为低温液体火箭发动机涡轮泵用密封端面比压的选取提供了更为合理可行的方法。     

柔性舱O型密封圈密封性能分析

针对柔性舱为密封舱在太空环境中存在密封可靠性不足问题,文章提出了一种柔性舱O型密封结构,建立了柔性舱密封结构的非线性有限元仿真模型。通过柔性舱O型密封圈的Von Mises应力及最大接触应力来判定柔性舱密封可靠性,探讨柔性舱内气压、预压缩率、压条与舱门法兰间是否添加薄膜等因素对柔性舱密封性能的影响状况。ANSYS仿真分析结果表明:随着预压缩率及柔性舱内压增加,最大接触应力与Von Mises应力增大;当柔性舱密封结构添加薄膜时将增强密封性能,预压缩率为10%且舱内气压在0.1～0.6MPa范围内时可实现自密封,从而保证柔性舱密封性能。     

减压阀阀芯密封设计

分析了减压阀阀芯密封的作用、特点和影响因素,对密封设计所涉及多方面问题,特别是密封材料和密封比压计算与校核问题,结合计算实例进行了讨论分析.认为对于密封比压计算与校核问题,除简便计算外,应进一步在出口关闭状态下根据出口压力增长要求进行计算和校核.     

航天器中一种典型O形密封圈的有限元分析

对于有密封要求的航天器而言,O形密封圈在其中起到了至关重要的作用。文章首先对一种典型的法兰-O形密封圈结构进行合理的简化建模,然后利用有限元分析软件ABAQUS计算了特定压缩率下O形圈的力学性能参数,并讨论了摩擦系数、安装方式、法兰间隙、内压、温差等因素对密封性能的影响,对航天器密封接口的设计具有现实的指导意义。     

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。     

液氧煤油发动机碟形金属密封特性

碟形金属密封是一种精密的封闭式密封结构,在预紧过程和工作过程中表现出强烈的非线性特征,采用试验手段或者线性有限元方法无法对其密封特性进行直观量化研究。为了解决该问题,以1 200 kN推力液氧煤油发动机中的一种小直径碟形金属密封结构为研究对象,采用非线性弹塑性有限元仿真计算方法,分析了密封结构轴向压缩量、各密封面的密封面积及密封应力随加载载荷的变化规律,研究了碟形密封结构的密封机理和轴向刚度特性。分析结果表明:预紧载荷作用后4个密封面均形成密封面积和密封应力,预紧状态下碟形环发生"S"形变形并出现失稳现象,介质的压力载荷和温度载荷造成各密封面的密封性能下降。     

八角垫高压密封结构的设计

本文介绍了一种高压密封结构——八角垫卡环密封结构;通过对该密封结构实际受力情况的分析并结合GB150-89设计标准,阐述了该密封结构的设计方法,并经试验论证可行。     

航天器高温热密封设计方法及性能评价

针对先进航天器高温热密封设计领域缺乏系统的设计方法及性能评价准则的现状，基于飞行器热密封设计基本原理，通过理论分析及设计流程优化，设计并开展了高温热失重试验、高温压缩/回弹试验、高温摩擦/磨损试验、冲击和反复加载试验以及高温缝隙泄漏试验，获得了典型密封结构与密封材料的基本性能参数，并提出系统的高温热密封性能评价方法。在此基础上，利用电弧射流平台，对典型连接位置以及某折叠翼热密封设计方案的有效性进行了验证与性能评价，相关成果可为航天器高温热密封设计及性能评价提供理论基础与试验数据 支撑 。     

固体火箭发动机接头组合件三维弹塑性有限元分析

对固体发动机复合材料壳体接头组合件在内压作用下的应力变形进行了三雏有限元分析。分析了两种不同厚度的水压堵盖对结构变形的影响，考虑了螺栓、堵盖、接头等金属材料的塑性性质，复合材料按正交各向异性体处理。结果说明，在内压作用下，较厚的堵盖(40mm)和接头在外缘发生分离，使得接头肩部变形略大；而较薄的堵盖(28mm)与接头内缘发生分离，对密封结构不利。在内压作用下，复合材料和接头侧面也发生分离。该分析方法和结果可供接头及其密封设计提供参考。     

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%。     

火箭发动机端面密封、平衡直径的设计及计算

影响端面密封的密封性能因素很多很多,平衡直径是其中之一。以往端面密封设计平衡直径(de)的计算都是根据法国卡洛斯塔公司的经验公式进行计算,但在高速、高压、高温工况恶劣的条件下,用经验公式算得的 de 误差很大。本文针对这一情况通过自行设计的平衡直径测试仪,实际测出的大量数据证明,de 是个变量,必须充分考虑它的影响,也只有正确的通过实测选择合理的 de,才能准确地算出端面密封比压,也才能保证端面密封的密封性能。目前,我所设计的端面密封这一成果已应用于长征四号发动机上,通过多次飞行试验,证明密封是可靠的。本文还对 de 公式作了推导,验证了设计计算。     

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.