火箭发动机端面密封静环热压工艺及故障分析

静环是端面密封的主要组成部分,石墨环热压环节是整个静环生产的核心,热压成品率直接关系端面密封的质量可靠性。结合生产工艺过程,深入分析了热压工艺机理,建立了静环热压的数学模型,明确了镶嵌应力、过盈量校核等一系列参数。在此基础上,形成了一套完备的热压工艺方法。结合某型号试车端面密封故障问题,对静环进行了仿真分析和试验验证。结果表明,在热反浸过程端面密封受到高温作用,由于石墨材料线性膨胀系数发生变化,导致石墨环和静环座间的过盈量减小,过盈连接部位局部存在微缝隙,石墨环受高压介质挤压不均匀脱出,石墨环脱出不均匀导致石墨端面变形,产生泄漏。     

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.     

旋转式唇形密封圈开启特性研究

为研究对唇形密封圈可重复使用至关重要的开启性能,建立了唇形密封圈临界开启判据和仿真计算模型,求解了临界开启转速.研究了弹簧紧箍力、唇口过盈量以及泵入口压力对临界开启转速的影响规律,进行了唇形密封圈水运转试验.结果表明:随着弹簧紧箍力的增加,临界开启转速呈线性增加,推荐弹簧紧箍力取值范围为0.1～0.3 N/mm;当唇口过盈量从0.1 mm增加到0.8 mm时,临界开启转速增加量仅为1％,推荐唇口过盈量取值范围为0.3～0.6 mm;泵入口压力对临界开启转速影响较大,当泵入口压力较高时,可以通过减小弹簧紧箍力来降低临界开启转速;泵入口压力从0.4～0.75 MPa变化时,临界开启转速的理论研究结果与试验研究结果偏差范围为2％～7.2％,表明关于唇形密封圈开启转速的数值计算是正确的.     

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。     

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。     

液体火箭发动机旋转式唇形密封圈脱开转速计算

针对火箭发动机涡轮泵端面密封结构中旋转式唇形密封圈的“脱开式”密封特性,基于丁腈橡胶材料单轴拉伸试验数据,借助非线性有限元软件ABAQUS,建立了唇形密封圈的“解析刚体-超弹性体”组合有限元模型.计算了在过盈装配预紧力、弹簧径向力、燃料介质压力及旋转离心力作用下,密封圈的Von-mises应力分布及变形情况,根据密封圈接触状态转化,获得了密封圈的脱开转速区间.最后进行了唇形密封圈的水运转试验,提出了用于测量密封圈脱开转速的逆向测量方法,试验结果与计算结果吻合,从而验证了计算结果的正确性.     

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。     

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。     

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。     

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。     

流体动压密封设计

基于有限元Matlab软件平台对流体动压密封进行了计算机数值仿真分析与计算,研究了流体动压密封动环对数螺旋槽半径和螺旋角与流体动压密封开启力和泄漏量之间的关系,得出了流体动压密封设计准则;通过激光打标工艺试验得出了激光打标刻蚀对数螺旋槽的工艺规范,采用该工艺规范加工出的对数螺旋槽动环满足设计要求。流体动压密封介质运转试验结果表明:流体动压密封有限元Matlab计算机数值仿真分析与计算是合理的,流体动压密封设计和工艺规范是正确和有效的。     

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。     

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。     

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。     

液体火箭发动机超高转速泵浮动密封环研究

浮动密封环作为非接触式液体间隙密封,具有密封压差大、泄漏量较小、能自动调心和对中、理论上无磨损、对转子有辅助支撑作用等优点。但它在工作时受力状态很复杂,液膜形成和最小液膜厚度的大小受到许多因素的影响,泄漏量的计算与普通工作状态有较大的差别。本文通过对一些重点因素的分析研究,结合产品在不同工作转速和介质中的试验情况,提出了浮动环的工作模式,确定了最小液膜厚度和泄漏量的计算方法和在结构设计和产品生产过程中应重点考虑的问题。     

高压载荷下旋转动密封结构转动力矩分析

对于高压下的旋转密封结构,开展O型橡胶圈的摩擦力矩影响因素分析,同时对摩擦力矩的近似解析算法和有限元算法进行计算对比,分析近似解析算法方法产生误差的原因,并利用地面压力容器试验装置进行计算结果的验证,得出近似解析算法仅适用于低压环境,而有限元计算结果对高低压环境均适用。     

自紧式K形金属密封组件密封特性研究

K形金属密封是液氧/煤油发动机液氧管路系统中经常使用的金属密封结构,其密封性能关系着发动机能否可靠工作.针对自紧式K形金属密封组件,采用非线性有限元方法,基于局部理想粗糙度等效简化,研究了密封机理.仿真结果再现了密封接触面的形成模式,论证了“压力自紧式”密封特征和可重复使用特性,并以密封接触面积和平均接触应力为指标,获得了密封性能与拧紧力矩的敏感性关系.