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。     

高压补燃发动机э形弹性金属密封机理研究

э形弹性金属密封是一种适用于大通径、低温、高压密封环境的金属密封结构,已成功应用于高压补燃液氧/煤油发动机液氧管路密封。针对100吨级高压补燃发动机中的э形弹性金属密封,建立了其非线性有限元弹塑性分析模型,基于ABAQUS 6.10进行了仿真计算,得到了4个密封面的接触面积和接触应力随预紧载荷的变化规律,确定了各密封面形成的先后顺序。对于密封机理的研究结果表明,э形环刚度过大是造成э形密封装配困难的根本原因。     

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。     

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.     

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.     

软金属密封结构密封性能数值仿真研究

针对液氧煤油发动机管路中广泛应用的软金属密封结构,采用单边接触模型和材料弹塑性模型相结合的方法,通过有限元软件Nastran隐式非线性模块对其进行数值仿真。得到并分析了结构应力、位移及接触应力等相关参数。结果表明,软金属密封结构在45 MPa内压下,结构强度满足使用要求,密封面接触应力大于300 MPa,密封安全系数大于1.67。     

涡轮泵端面密封陛能与漏气量影响研究

从端面密封结构方面和密封性能稳定性影响因素方面,对在用和放置发动机密封性能检查中出现的泵端面密封泄漏量严重超标现象进行了深入分析以及模拟试验验证,并进行实际工作考核验证,给出了不影响使用的明确结论。     

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。     

双道密封装配技术

涡轮泵关键部位的静密封性能直接影响发动机工作的可靠性。文中阐述了两道压缩变形量不同的双密封结构及拧紧力矩与压缩量之间的关系，介绍了双道密封的装配工艺和测算方法。     

轴承、端面密封在液氧中的运转试验

利用高压液氧试验台,先后对新研制的用于液氧涡轮泵的轴承和端面密封进行了运转试验,验证了其在液氧环境中工作的安全性和可靠性。试验结果表明:新研制的端面密封和轴承能够在液氧中安全可靠的工作。特别是端面密封,即使在气氧环境中干摩擦,也能安全工作5分钟以上。试验还证明:在液氧环境中即使由于某种原因局部产生了小火花,只要能量不是足够大,其能量就会很快被液氧吸收,从而使温度降低,火花熄灭,不会产生燃烧爆炸的危险。     

直角滑环式组合型金属橡胶密封件的密封机理及应用研究

针对具体的需求背景，将金属橡胶技术成功的应用于密封结构中。对金属橡胶与聚四氟乙烯组合型密封环的结构设计、制备工艺、主要影响参数、密封性能及模拟试验等进行了系统研究。分析了聚四氟乙烯的表面质量及金属橡胶元件的性能对组合型密封环密封性能的影响。推导了组合型密封环的压缩变形量及接触压力的计算公式。研究结果表明，金属橡胶与聚四氟乙烯组合型密封环的尺寸稳定性及密封性能，完全满足实际工况提出的性能指标要求，其泄漏量是实际工况要求的十分之一。研究结果对利用金属橡胶技术解决空间环境下的密封问题具有重要的参考价值。     

铝垫片的力学性能及对典型连接结构应力分布的影响

铝垫片-榫槽结构是液体火箭发动机常用的管路连接形式,其长期贮存密封性能对发动机的可靠性起着重要作用。该结构的密封性能取决于密封区的应力分布,从铝垫片这一连接结构中的主要密封元件着手,研究其力学特性及其对密封区应力分布的影响。首先,开展L4铝垫片材料的力学性能试验,建立了L4铝材料的本构关系;其次,开展常温及200℃下L4铝材料的蠕变试验,建立铝垫片的时间硬化型蠕变模型;最后,使用Abaqus有限元软件分析5~25 N·m预紧力矩下垫片的应力分布规律,以及垫片密封面接触压力随时间变化关系。计算结果表明,垫片的应力分布与装配预紧力矩紧密相关;材料的蠕变特性会导致垫片密封面接触压力随时间松弛,是造成结构泄漏的一个重要隐患。     

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。     

影响石墨材料浸泡N2O4后密封性的研究分析

为验证石墨材料与N2O4介质的相容性,对4种不同石墨材料进行了N2O4介质浸泡试验。针对试验结果,从石墨材料气孔率、浸渍树脂、石墨基材、石墨元素分析及石墨微观结构等方面,研究分析了石墨材料介质浸泡后影响其密封性能的原因。分析认为石墨杂质和微观组织结构对石墨材料耐N2O4介质有重要影响。     

载人航天器密封系统漏率设计方法

载人航天器密封舱为航天员提供在轨生活、工作的环境,对密封舱及其环控生保系统、热控制系统、推进控制系统等中各管路的密封性能有严格要求。文章提出了一种漏率设计方法,建立了相应的漏率检测系统,并依据该方法制定了密封舱体和各管路的漏率设计和指标分配的流程。本流程可用作载人航天器舱体密封系统、管路密封系统的漏率设计,对保证载人航天器在轨安全可靠运行有重要参考价值。     

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。     

液体火箭发动机涡轮泵密封组件静力学特性

为了提高液体火箭发动机涡轮泵端面密封的气检合格率,开展了密封组件的静力学特性分析。采用有限元法建立了密封端面接触分析模型,针对石墨环装配过盈量、弹簧刚度偏差与气检压力3个方面进行了仿真计算,获得了端面变形量和密封压力分布的变化规律。计算结果表明:在0.13 mm过盈量下,石墨环上端面高度差为7.2μm;弹簧刚度偏差量变化引起的动静环端面压力分布最大差值约0.1 MPa;在气检过程中密封端面呈环形的压力分布。