液體火箭發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈脫開轉(zhuǎn)速計(jì)算

張相盟，李正大，李洪春，楊亞龍

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

液體火箭發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈脫開轉(zhuǎn)速計(jì)算

張相盟，李正大，李洪春，楊亞龍

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

針對火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵端面密封結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈的“脫開式”密封特性，基于丁腈橡膠材料單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助非線性有限元軟件ABAQUS，建立了唇形密封圈的“解析剛體-超彈性體”組合有限元模型。計(jì)算了在過盈裝配預(yù)緊力、彈簧徑向力、燃料介質(zhì)壓力及旋轉(zhuǎn)離心力作用下，密封圈的Von-mises應(yīng)力分布及變形情況，根據(jù)密封圈接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)化，獲得了密封圈的脫開轉(zhuǎn)速區(qū)間。最后進(jìn)行了唇形密封圈的水運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，提出了用于測量密封圈脫開轉(zhuǎn)速的逆向測量方法，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合，從而驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。

液體火箭發(fā)動機(jī)；旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈；有限元模型；脫開轉(zhuǎn)速；運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

0 引言

唇形密封圈也稱為油封［1］，因成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、密封性隨動性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中［2］。這類唇形密封圈一般為靜密封。近些年來，文獻(xiàn)中對該類密封結(jié)構(gòu)的研究，多關(guān)注于密封機(jī)制［3］、徑向力分析［4-5］等方面。唇形密封圈作為動密封常應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵端面密封結(jié)構(gòu)中。一般在唇形密封圈前設(shè)置液封輪密封與其組合成第一道密封，唇形密封圈在泵靜止和低轉(zhuǎn)速下起到密封作用，液封輪隨著轉(zhuǎn)速的升高逐漸達(dá)到完全密封，而在高轉(zhuǎn)速下唇形密封圈唇部靠離心力作用會與配合面脫開。當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時隨著轉(zhuǎn)速的降低，液封輪密封能力逐漸減弱，唇形密封圈也會隨轉(zhuǎn)速的下降使密封唇口閉合，繼續(xù)起到密封作用，以滿足發(fā)動機(jī)多次啟動需要。在高轉(zhuǎn)速下唇形密封圈唇部脫開可以有效避免密封唇口磨壞，從而延長使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)可靠密封，一般在第一道密封后會再設(shè)置一道端面密封，用于密封第一道密封液封輪和唇形密封圈工作銜接過程中的部分泄漏，少量泄漏介質(zhì)對端面密封又可以起到潤滑和冷卻作用。由此可見，此類密封系統(tǒng)中，唇形密封圈的脫開和液封輪的密封揚(yáng)程都與渦輪泵轉(zhuǎn)速有關(guān)，兩者工作過程中的銜接是否良好直接關(guān)系到介質(zhì)泄漏量和第二道端面密封能否可靠工作。一般在液封輪揚(yáng)程實(shí)現(xiàn)完全密封前唇形密封圈唇部即刻脫開，即可認(rèn)為液封輪和唇形密封圈工作銜接良好。

在發(fā)動機(jī)端面密封結(jié)構(gòu)［6-7］設(shè)計(jì)中，唇形密封圈的脫開轉(zhuǎn)速是備受關(guān)注的重要參數(shù)［8］。本文研究的唇形密封圈安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。唇形密封圈裝于動環(huán)中，動環(huán)與泵的轉(zhuǎn)軸直接聯(lián)接；襯套為靜止件，與密封圈配合實(shí)現(xiàn)密封；支板起支撐作用，避免密封圈唇部受壓唇口翻邊。

本文利用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵端面密封用唇形密封圈的有限元模型，計(jì)算了在過盈裝配預(yù)緊力、彈簧徑向力、燃料介質(zhì)壓力以及旋轉(zhuǎn)離心力作用下，密封圈截面的Von-mises應(yīng)力、變形以及接觸壓力，獲得了唇形密封圈的脫開轉(zhuǎn)速區(qū)間，并進(jìn)一步通過唇形密封圈的水運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對計(jì)算結(jié)果的正確性和密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖1 唇形密封圈安裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Assemblage of lip seal

1 計(jì)算模型

唇形密封圈除L型內(nèi)骨架外，其余部分材料均為丁腈橡膠，密封圈內(nèi)骨架、襯套、彈簧材料均為不銹鋼，支板為鈦合金?？紤]丁腈橡膠和其他材料剛度差異極大，為簡化計(jì)算，僅考慮密封圈撓度較大的部分（圖1中虛線框中唇形密封圈部分）的柔性，支板和襯套均視為剛體，兩者均對密封圈產(chǎn)生位移約束。對于彈簧，僅考慮其對密封圈的徑向壓力。得到的計(jì)算模型為圖1中虛線框內(nèi)部部分。

1.1 結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格及邊界條件

由于計(jì)算結(jié)構(gòu)及邊界條件具有圓周對稱性，因此計(jì)算結(jié)構(gòu)可簡化為平面軸對稱模型來分析［3-5］。其中，支板和襯套采用解析剛體模型，密封圈使用一階、軸對稱的四邊形和三角形混合的雜交實(shí)體軸對稱單元（CAX4H，CAX3H）創(chuàng)建網(wǎng)格，并對接觸部位進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化以提高分析精度，得到的ABAQUS有限元模型如圖2所示。圖中，為計(jì)算裝配過程中密封圈應(yīng)力和變形情況，在襯套和密封圈唇口之間設(shè)置了初始間隙。

將支板固支，即X=Y=RZ=0（X，Y和RZ分別對應(yīng)X向、Y向的平動自由度以及Z向的轉(zhuǎn)動自由度）。密封圈模型最右側(cè)端面簡支（X=Y= 0）；襯套自由度設(shè)置為Y=RZ=0，X向設(shè)置一初始位移，位移量與襯套和密封圈唇口之間的初始間隙相等，以便于兩接觸面間建立起平穩(wěn)的接觸關(guān)系。

圖2 唇形密封圈結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格Fig.2 The finite element mesh of lip seal

1.2 唇形密封圈的超彈性力學(xué)模型

丁腈橡膠的超彈性力學(xué)特性采用Mooney-Rivlin模型描述［9］：

式中：W為應(yīng)變能密度；Cij為Rivlin系數(shù)；I1和I2分別為第1和第2 Green應(yīng)變不變量。這里采用五參數(shù)的Mooney-Rivlin模型，基于所用丁腈橡膠材料的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見圖3），擬合求得參數(shù)值分別為C10=-14.252，C01=17.461，C20= 0.748，C11=-4.428，C02=11.642。

圖3 丁腈橡膠單軸拉伸試驗(yàn)曲線Fig.3 Uniaxial tension curve of nitrile rubber

1.3 彈簧徑向力

為便于分析，將彈簧等效為勻質(zhì)圓管結(jié)構(gòu)［10］，其內(nèi)外徑與原結(jié)構(gòu)一致，其等效彈性模量為E，易求得

式中：K為彈簧剛度系數(shù)；A為圓管截面面積；L0為彈簧自然狀態(tài)下長度；r1和r2分別為彈簧等效圓管的內(nèi)、外圈半徑。

彈簧裝配后，可求得彈簧周向張力為［4］

式中：P為彈簧周向張力；Pr為單位周長徑向力；R為裝配后彈簧截面中心線半徑；ε為彈簧周向伸長率：ε=2πR/L0-1。

彈簧徑向力對密封圈的產(chǎn)生的壓強(qiáng)pr與Pr關(guān)系見圖4，可得：

彈簧已知參數(shù)見表1。求得：E=13.37 MPa，Pr=0.068 N，pr=0.027 MPa。

表1 彈簧參數(shù)Tab.1 Parameters of spring

2 計(jì)算及結(jié)果分析

計(jì)算共設(shè)3個分析步驟，依次對結(jié)構(gòu)在過盈裝配、燃料充填以及泵旋轉(zhuǎn)過程中的結(jié)構(gòu)受力及變形情況進(jìn)行計(jì)算：

Step 1：線性增加襯套在X方向的位移至設(shè)計(jì)過盈量，同時向密封圈的彈簧槽（圖4中pr作用面）施加均布壓力0.027 MPa，以模擬裝配階段結(jié)構(gòu)載荷，見圖5（a）；

Step 2：向密封圈唇前部分施加均布壓力0.5 MPa，以模擬燃料充填后，密封圈唇前燃料介質(zhì)壓力載荷，見圖5（b）；

圖4 彈簧徑向力作用示意圖Fig.4 Sketch of spring's radial force

Step 3：向密封圈施加轉(zhuǎn)速載荷（由0 rad/s線性增加至1 200 rad/s），并將Step2中壓力線性降至0.1 MPa（在渦輪泵的旋轉(zhuǎn)過程中，因旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，裝置于密封圈前部的液封輪使得密封圈唇前壓力下降很多），以模擬泵起旋過程中離心力載荷以及在液封輪作用下，密封圈唇前壓力變化情況，見圖5（c）。

圖6至圖8分別對應(yīng)三個分析步驟的有限元計(jì)算結(jié)果。從圖6可以看出，在過盈裝配完成后，密封圈撓曲段截面位移呈繞約束端整體旋轉(zhuǎn)的剛性位移特征，表明在設(shè)計(jì)過盈量作用下，密封圈撓曲段整體剛性較好。

圖5 各分析步中密封圈的載荷Fig.5 Load of lip seal in each analytical step

圖6 裝配前后密封圈截面形變及應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of stress and deformation of lip seal before and after assembly

由圖7可看出，在燃料單側(cè)壓力作用下，密封圈截面彈簧槽上端的變形較為明顯。根據(jù)計(jì)算結(jié)果求得在燃料單側(cè)壓力作用下，密封唇與襯套之間的平均接觸壓力為6.21 MPa，遠(yuǎn)大于燃料壓力，滿足密封要求。

圖7 燃料壓力作用下密封圈變形及接觸力Fig.7 Deformation and contact stress of lip seal under fuel pressure

由圖8可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到950 rad/s（9 071 r/min）時，向外的離心力作用大于由燃料介質(zhì)壓力、過盈裝配預(yù)緊力以及彈簧徑向力所產(chǎn)生的向內(nèi)的合力，密封圈與襯套分離。從圖8可以得出，該唇形密封圈的脫開轉(zhuǎn)速在8 593 r/min（900 rad/s）～9 071 r/min之間。

圖8 密封圈脫開前后對應(yīng)轉(zhuǎn)速Fig.8 Corresponding rotating speed of lip seal before and after separation

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，并獲得唇形密封圈靜止?fàn)顟B(tài)密封性能以及工作狀態(tài)下的脫開轉(zhuǎn)速，進(jìn)行了唇形密封圈的水運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。圖9和圖10分別試驗(yàn)系統(tǒng)照片和試驗(yàn)器的局部裝配圖。試驗(yàn)介質(zhì)（水）由液流系統(tǒng)向試驗(yàn)器供應(yīng)，試驗(yàn)要求的轉(zhuǎn)速由電機(jī)及變速器提供。試驗(yàn)裝置上布置有轉(zhuǎn)速傳感器和壓力傳感器，以測量轉(zhuǎn)速和壓力參數(shù)。圖10中，A處為試驗(yàn)器入口，試驗(yàn)時，水從該處充入；B處為泄漏孔，試驗(yàn)過程中，如果該處出現(xiàn)明顯泄漏，則表明密封圈已脫開。

圖9 試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.9 Photo of test setup

圖10 試驗(yàn)器裝配圖Fig.10 Assembly drawing of tester

在試驗(yàn)系統(tǒng)加載過程中（轉(zhuǎn)速持續(xù)增加的過程），裝置于密封圈前部的液封輪的密封能力隨轉(zhuǎn)速增加而不斷提升，當(dāng)入口壓力基本不變，在液封輪的密封作用下，液封輪前容腔的水無法通過液封輪而到達(dá)密封圈前的容腔，因此，即使密封圈已脫開，B處也不會出現(xiàn)明顯泄漏；當(dāng)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，如果密封圈已脫開，人為提高入口壓力直至超出液封輪的密封能力水才會通過液封輪而充入密封圈前容腔，使得B處會出現(xiàn)明顯泄漏。這只能表明此轉(zhuǎn)速大于或等于密封圈的脫開轉(zhuǎn)速，而脫開轉(zhuǎn)速具體值依然無法確定。

為了獲得密封圈的脫開轉(zhuǎn)速，采用逆向測量方式，利用密封圈“脫開-閉合”過程的互逆性，在確定密封圈已脫開的情況下，逐漸緩慢降低轉(zhuǎn)速（卸載過程），并觀察B處。當(dāng)該處突然停止泄漏，則表明密封圈已閉合，這個時刻對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即為密封圈的脫開轉(zhuǎn)速。這種逆向測量的流程如圖11所示。

圖11 脫開轉(zhuǎn)速的逆向測量法Fig.11 Reverse measurement of separation rotating speed

測量結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)速提升至10 800 r/min，同時調(diào)節(jié)入口壓力至1.23 MPa，B處出現(xiàn)泄漏，說明密封圈已經(jīng)脫開；當(dāng)轉(zhuǎn)速降至約8 900 r/min時，B處突然停止泄漏，同時入口壓力瞬間升高至1.5 MPa，表明此時唇形密封圈閉合起到密封作用，從而得到脫開轉(zhuǎn)速為8 900 r/min。圖12為試驗(yàn)曲線。對比計(jì)算結(jié)果可知，所測脫開轉(zhuǎn)速在計(jì)算結(jié)果預(yù)測的范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性和計(jì)算準(zhǔn)確性。

圖12 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和壓力曲線Fig.12 Curves of rotating speed and pressure used in test

通過試驗(yàn)，同時獲得液封輪密封揚(yáng)程曲線，見圖13。從曲線中可以看到，在8 000～10 000 r/min之間，液封輪密封揚(yáng)程不超過1 MPa，不會實(shí)現(xiàn)完全密封，即可以泄漏部分介質(zhì)用于冷卻和潤滑端面密封?？勺C實(shí)此密封可行。

圖13 液封輪密封揚(yáng)程曲線Fig.13 Head curve of liquid sealing wheel

4 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ABAQUS，對火箭發(fā)動機(jī)端面密封所用的唇形密封圈的大變形接觸問題進(jìn)行了計(jì)算，獲得了脫開轉(zhuǎn)速區(qū)間。在唇形密封圈的水運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，采用逆向測量方法測得脫開轉(zhuǎn)速與計(jì)算結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了文中建模方法、計(jì)算結(jié)果及唇形密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為火箭發(fā)動機(jī)泵端面密封用唇形密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。后續(xù)可進(jìn)一步對此類密封圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開研究并探索更合理的脫開轉(zhuǎn)速試驗(yàn)測量方法。

［1］吳莊俊.徑向唇形密封的密封性能研究［D］.重慶：重慶大學(xué)動力工程學(xué)院，2012.

［2］張建斌，酈華興，姜敏.提高旋轉(zhuǎn)軸油封性能的方法［J］.橡膠工業(yè)，2001，48：548-551.

［3］李建國，丁玉梅，楊衛(wèi)民，等.油封動密封機(jī)制的有限元分析［J］.潤滑與密封，2007，32（1）：96-98.

［4］李樹虎，龐明磊，賈華敏，等.橡膠密封圈徑向力分析方法［J］.橡膠工業(yè)，2012，59：232-236.

［5］黃樂，郭飛，賈曉紅，等.基于Ansys的油封徑向力分析［J］.潤滑與密封，2013，38（4）：87-89.

［6］陳杰，李建克，王少鵬.低溫非接觸式端面密封參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.火箭推進(jìn)，2013，39（4）：56-61. CHEN J，LI J K，WANG S P.Parameter optimization and experimental verification of non-contacting end-face seals in cryogenic condition［J］.Journal of rocket propulsion，2013，39（4）：56-61.

［7］白東安，段增斌，張翠儒.渦輪泵端面密封性能與漏氣量影響研究［J］.火箭推進(jìn)，2010，36（1）：38-42. BAI D A，DUAN Z B，ZHANG C R.Effects of leaking rate on turbopump end-face sealingperformance［J］.Journal of rocket propulsion，2010，36（1）：38-42.

［8］張貴田.高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

（編輯：陳紅霞）

Calculation for separating rotating speed of rotary lip seal in liquid rocket engine

ZHANG Xiangmeng，LI Zhengda，LI Hongchun，YANG Yalong
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

In order to predict the separation characteristics of the rotary lip seal in end-face seal structure of the turbopump in rocket engine，based on the uniaxial tension test data of the nitrile rubber，an"analytical rigid-hyperelastic"combined finite element model is constructed for the lip seal by utilizing the nonlinear finite element analysis software ABAQUS.The Von-Mises stress distribution and deformation ofthe lip seal were computed under the combination role of the pre-tightening force of interference assembly，radial force of spring，fuel pressure and centrifugal force.The interzone of the separation rotating speed of the lip seal was obtained according to the contact status transform of the lip seal.A rotating test of the lip seal with water was performed.The reverse measurement method is proposed to measure the separation rotating speed of the lip seal.The test result consists well with the calculated result.Thus the correctness ofcalculation method was verified.

liquid rocket engine；rotary lip seal；finite element model；separation rotating speed；rotating test

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0046-06

2016-01-17；

2016-05-22

張相盟（1984—），男，博士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析