渦輪泵端面密封性能與漏氣量影響研究

白東安，段增斌，張翠儒

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

發動機渦輪泵端面密封研制中存在兩類漏氣量超標的現象，一類是在用發動機氣密檢查發現渦輪泵端面密封的泄漏氣量超標；另外一類是長期放置發動機檢查中也有部分端面密封漏氣量嚴重超標的問題。這兩類泄漏從機理上是不一樣的，第一種泄漏因靜環組件沒有變形，在反復檢查或轉動轉子情況下具有可以恢復的能力；而放置發動機出現的漏氣量問題因靜環組件出現了塑性變形形狀為馬鞍型，高低點相差為微級，屬于不可恢復的。

對上述兩類端面密封漏氣量超標問題從端面密封結構方面以及密封性能穩定性影響因素方面所進行的大量模擬驗證試驗工作進行了總結，在此基礎上進行了實際工作驗證，驗證了漏氣量超標對發動機可靠性的影響。

1 端面密封結構簡介

渦輪泵端面密封結構如圖1所示，端面密封由動環部件和靜環組件組成。動環部件包括動環、密封圈和襯套（序號1、2、3）。靜環組件包括密封殼體（序號8）、彈簧（序號6）、靜環座（序號5）、石墨環（序號4） 和密封圈（序號7）。不工作時由動環和靜環組成的摩擦副在彈簧作用力下保持貼合狀態，工作時主要依靠介質形成的壓力使摩擦副貼緊達到可靠密封。

圖1 渦輪泵端面密封結構示意圖Fig.1 End－face sealing structure of the turbopump

2 在用發動機端面密封漏氣量變化試驗驗證與分析

2.1 發動機端面密封泄漏模式分析

根據在用發動機端面密封漏氣量變化現象分析，造成漏氣量變化的原因應是發動機端面密封的摩擦副因在運輸、充放氣等環節中出現了微變，摩擦副曾出現了微米級的縫隙，使得密封漏氣量超標。以下從端面密封結構方面分析，引起摩擦副貼合微變的原因有結構因素和誘發因素。

第一個方面為端面密封結構因素，主要為：

(1)彈簧：彈簧為彈性元件，壓縮量隨外力變化而變化，能夠引起靜環組件的浮動。

(2)膠圈：靜環外套用以密封的膠圈（圖1序號7）為一個軟支點，使得靜環組件具有擺動的趨勢。

(3)靜環組件：為防止靜環組件在工作中隨動環旋轉，用兩個螺栓穿過靜環組件法蘭上的兩個定位孔，擰緊在密封殼體上，靜環組件在徑向存在自由度。

(4)動環部件：在氣密性檢查時的充氣和放氣過程中，動環與動環襯套之間會出現0.5mm的軸向位移，此位移使得動環在氣密性檢查充氣和放氣過程中處于變化狀態。

為深入了解端面密封氣密性檢查過程摩擦副狀態變化，進行了分析計算。

在渦輪泵裝配過程中進行氣密檢查時，分析計算表明，充壓縮空氣對動環的作用力約500N，需克服壓縮空氣對靜環組件的力、彈簧力以及膠圈的摩擦力的合力約300N，因受到軸上調整套的限位，動環向著靜環方向位移約0.5mm。由于氣體外力大于摩擦力，使得氧化劑端面密封動環和靜環摩擦副貼合良好，保證了氣密檢查漏氣量結果合格。

端面密封氣密檢查放氣后，彈簧推動動環向相反方向回移0.5mm。這時摩擦副貼合壓緊狀態與氣密性檢查時的壓緊狀態已經發生了變化。

為了解動環被推動所需的外力，對裝配好的動環部件進行了位移與力的關系試驗，結果見圖2。

圖2 位移量與推力關系曲線Fig.2 Displacement vs thrust

試驗表明，動環位移0.5mm需加的外力接近80N。另外分析計算彈簧推動動環位移0.5mm后，彈簧力為80N。因而在動環回移0.5mm時，彈簧力和摩擦力處于臨界平衡狀態，在外界誘發因素的影響下容易出現摩擦副的微變，對密封穩定性不利。

第二個方面為外界誘發因素，包括運輸過程的振動沖擊、氣密性檢查的充放氣和發動機停放過程等。將影響端面密封穩定性各種因素列于圖3的故障樹中。

圖3 端面密封泄漏故障樹Fig.3 Fault tree for end-face leakage

2.2 試驗驗證

2.2.1 漏氣量超標渦輪泵漏氣量變化復現試驗

按照上述端面密封彈簧力受力不均勻的影響因素分析，進行了模擬氧化劑端面密封摩擦副貼合狀態發生微變的試驗以及充氣、放氣、敲擊和停放時間的影響試驗等。模擬摩擦副貼合狀態微變的試驗結果，均表現為摩擦副貼合狀態微變后漏氣量增大，而充放氣、敲擊泵殼體、轉動渦輪轉子等使得漏氣量具有減少趨勢，其變化與漏氣量超標的端面密封氣密性檢查漏氣量的變化過程相似，試驗結果見圖4，基本復現了漏氣量超標的端面密封漏氣量變化過程。

圖4 漏氣量模擬試驗情況Fig.4 Simulation test for gas leaking rate

2.2.2 彈簧裝配偏置影響試驗

根據端面密封結構，放置彈簧的密封殼體孔徑比彈簧外徑大近1mm，此間隙使得彈簧在運輸振動、充放氣等過程中可能發生位置變化或偏斜。彈簧位置的變化也會使彈簧力分布不均，引起摩擦副貼合狀態微變。

為考慮彈簧極限裝配位置的影響，將端面密封彈簧人為地一半放置在孔的外側，另外一半對稱放置在內側，裝配完畢進行試驗，氣密檢查漏氣量走勢見圖5。圖中幾次漏氣量突然增大是停放一段時間引起的，漏氣量減少是反復充氣、放氣、敲擊和轉動轉子形成的。

圖5 彈簧偏置影響試驗結果Fig.5 Effects of spring displacement on the test result

2.2.3 模擬運輸試驗

模擬運輸試驗氣密檢查結果的變化見圖6。試驗結果表明，模擬運輸試驗后對氣密檢查結果有顯著的影響。

圖6 模擬運輸試驗氣密檢查結果Fig.6 Airtight check result for transportation test

2.3 考核情況

將分解漏氣量超標發動機重新裝配后，進行了多次氧化劑泵端面密封充氣放氣檢查，結果見圖7。

圖7 端面密封氣檢變化情況Fig.7 Test results for end-face airtight check

該漏氣量超標端面密封參加了實際工作考核，工作中性能穩定，工作過程正常。通過觀察沒有出現漏氣、漏液現象。試驗完畢對渦輪泵端面密封進行分解檢查，端面密封石墨環和動環的密封表面光亮如初。試驗表明，端面密封漏氣量變化現象，工作中在介質壓力作用下恢復到原有狀態，不影響發動機渦輪泵的密封可靠性。

3 放置發動機端面密封泄漏氣量試驗與影響研究

3.1 靜環組件最大變形計算

對放置發動機端面密封漏氣量超標分析認為，在端面密封靜環組件加工、裝配和存放過程中，靜環組件發生變形是由應力松弛效應引起的塑性變形。

通過基于彈性力學的分析，石墨環在此應力的作用下將在軸向產生馬鞍型的變形，而靜環座在此內壓的作用下產生“塌邊”現象。這與實際檢測的石墨環和靜環座的變形情況趨勢是相吻合的。在此思路下，采用國際通用商業有限元分析軟件ANSYS進行了詳細的計算分析。

對端面密封的加工過程進行分析認為，引起石墨環與靜環座變形的載荷來源于石墨環與靜環座的過盈配合所產生的裝配應力。通過計算得出了靜環座和石墨環在20°C（室溫）時最大過盈裝配情形下的裝配應力，具體計算結果見表1。

表1 最大過盈配合裝配應力Tab.1 Assembling stress at maximum tight fit condition

選用ANSYS中計算固體變形常用的單元Solid45來進行石墨環最大變形計算。單元Solid45通常用來進行固體結構的三維建模，該單元具有8個節點，每個節點有x，y，z三個方向的位移定義的自由度，并且具有彈塑性、蠕變、應力強化、大變形及大應變等分析功能。

網格劃分沿石墨環的徑向劃分兩層，沿軸向分四層，根據實際的石墨環尺寸，共計劃分有768個單元，1440個節點，網格疏密已經完全能夠滿足計算要求。計算得結果如圖8所示，石墨環在50MPa裝配應力作用下沿著軸向有的部位凸起，有的部位凹下，呈現出馬鞍型的分布，這種情況下的最大軸向變形約為20μm。

圖8 石墨環軸向變化情況Fig.8 Graphite ring axial deformation

3.2 端面密封靜環變形漏氣量試驗研究

采用特殊的研磨工藝，研出與實際靜環組件相符合的十幾套試驗用模擬件，高低點相差在十幾微米到幾十微米。經過氣密試驗得到了靜環組件變形與漏氣量的關系，其擬合曲線見圖9。

圖9 靜環變形與漏氣量關系曲線Fig.9 Static ring deformation vs leaking rate

將其中部分變形端面密封的靜環組件裝配到泵上進行水力試驗，得到端面密封實際水漏量不超過100mL/min。

為了從理論上說明靜環變形與漏氣量的關系，對靜環變形給泵運轉過程中水的漏氣量帶來的影響進行了理論計算。端面密封設計中，密封端面摩擦工況的判斷依據是密封準數G，以G＝1×10-6為分界，當密封準數G＞1×10-6為全流體潤滑狀態，當G＜1×10-6為半流體或邊界潤滑狀態。

式中，μ為介質粘度，Pa·s；v為滑動速度，m/s；b為端面寬度，m；w為端面上的全負荷，N；S為端面面積，m2；Pb為端面比壓，Pa。

漏水量Q的計算公式為

式中，Dm為密封面平均直徑，m；Δp為介質壓差，Pa；h為折合間隙，m；s為間隙系數，Pa/s。計算表明，理論計算和實際的漏水量相當。

漏氣量超標嚴重的端面密封進行了實際工作的考核。試驗過程中泵密封后泄漏管出現了推進劑斷續流，而且漸漸變小，結束時基本不泄漏了。分解后檢查端面密封漏氣量比裝配前顯著減少，僅有一百多毫升每分鐘。分析認為，試車過程中端面密封副的摩擦使得靜環組件變形減少，漏氣量相應減少。

4 結論

(1)對于在用發動機漏氣量超標問題，由于漏氣量在充氣和轉動轉子情況下具有可以恢復的特點，不存在密封損壞，工作中在介質壓力作用下恢復到原有狀態，不影響渦輪泵的密封可靠性。

(2)對于長期放置發動機，通過靜環組件變形試驗研究，從工程的角度考慮，在靜環組件極限變形情況下，漏氣量超標不影響端面密封正常工作。

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