深度變推發(fā)動(dòng)機(jī)浮動(dòng)環(huán)工作適應(yīng)性研究

沈文金，葉小強(qiáng)

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

深度變推發(fā)動(dòng)機(jī)浮動(dòng)環(huán)工作適應(yīng)性研究

沈文金，葉小強(qiáng)

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

按照我國(guó)載人航天登月需求，正在開(kāi)展多次起動(dòng)、10%～100%深度變推力80 kN液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究。氧渦輪泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組件，采用的浮動(dòng)環(huán)密封變工況工作適應(yīng)性將直接影響到渦輪泵工作的安全性和可靠性。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)變推力要求，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)浮動(dòng)環(huán)密封進(jìn)行不同推力工況、不同偏心率條件下的浮起力計(jì)算，并與一維方法計(jì)算的浮起阻力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定全工況范圍內(nèi)一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)工作時(shí)偏心率介于0.4～0.6之間，浮動(dòng)環(huán)泄漏量約為2.58～39.4 g/s。浮動(dòng)環(huán)在此偏心率范圍內(nèi)工作可靠性高，可以有效地避免浮動(dòng)環(huán)碰磨、崩邊，具備大范圍變工況工作能力，滿足渦輪泵安全性工作和發(fā)動(dòng)機(jī)深度變推力工作要求，可以為渦輪泵方案論證及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

深度變推；氧渦輪泵；浮動(dòng)環(huán)密封；變工況適應(yīng)性

0 引言

按照我國(guó)載人航天登月需求，目前正在開(kāi)展80 kN液氧/甲烷下降級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究。為保證宇航員的安全性，實(shí)現(xiàn)著陸器的月面軟著陸要求，發(fā)動(dòng)機(jī)需具備10%～100%深度變推力調(diào)節(jié)能力。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)通過(guò)改變渦輪工質(zhì)流量，調(diào)節(jié)渦輪泵轉(zhuǎn)速、流量和壓力，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)變推力要求。變推力過(guò)程中，氧渦輪泵采用的浮動(dòng)環(huán)密封，受轉(zhuǎn)速、密封壓力的影響較大，能否可靠工作直接影響到渦輪泵的安全性與可靠性。本文依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的變推力要求，對(duì)氧渦輪泵浮動(dòng)環(huán)密封進(jìn)行變工況仿真研究，為渦輪泵方案論證及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 浮動(dòng)環(huán)密封結(jié)構(gòu)

氧渦輪泵為全周進(jìn)氣的單級(jí)亞音速?zèng)_擊式渦輪驅(qū)動(dòng)單級(jí)離心氧泵，渦輪工質(zhì)為氣態(tài)甲烷。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)深度連續(xù)變推力要求，氧渦輪泵渦輪端軸承采用甲烷冷卻，以減小渦輪端懸臂尺寸，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸系在亞臨界轉(zhuǎn)速下工作，避免變轉(zhuǎn)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速共振問(wèn)題。

渦輪端軸承和渦輪盤(pán)之間需設(shè)置動(dòng)密封，以降低渦輪工質(zhì)泄漏損失，并阻止渦輪工質(zhì)進(jìn)入軸承腔，避免軸承腔內(nèi)氣態(tài)和液態(tài)甲烷共存，導(dǎo)致軸承工作條件惡化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)軸承的有效冷卻，嚴(yán)重影響氧渦輪泵工作的安全性和可靠性。根據(jù)渦輪泵初步方案論證確定動(dòng)密封工作參數(shù)如表1所示。由于渦輪端軸承腔壓力較低，約為1 MPa，PV值約為56.5 MPa·m/s，可在軸承側(cè)設(shè)置一道膜盒端面密封，而渦輪側(cè)動(dòng)密封PV值約為266 MPa·m/s，極大的超出了端面密封許用PV值。因此，此處動(dòng)密封無(wú)法采用接觸式密封，初步選取為兩道浮動(dòng)環(huán)密封，且在兩道浮動(dòng)環(huán)之間無(wú)介質(zhì)泄出通道，以盡可能減小渦輪工質(zhì)泄漏量。在端面密封和第二道浮動(dòng)環(huán)之間設(shè)置甲烷泄出通道，排出箭體。浮動(dòng)環(huán)密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 動(dòng)密封工作參數(shù)

根據(jù)應(yīng)用情況，浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)形式有雷利槽式、直孔式、階梯式和錐孔式，如圖2所示。其中，錐孔式浮動(dòng)環(huán)可以應(yīng)用于較高密封壓差條件，工作時(shí)浮動(dòng)環(huán)處于偏心狀態(tài)，內(nèi)孔表面壓力分布不同產(chǎn)生較大的橫向流體靜壓力即浮起力，錐形結(jié)構(gòu)使得浮動(dòng)環(huán)具有良好的對(duì)中性能，可以避免浮動(dòng)環(huán)磨損，提高工作壽命。該形式的浮動(dòng)環(huán)在國(guó)外大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧渦輪泵中得到了成功應(yīng)用，如SSME和LE-7等[1-4]。因此，氧渦輪泵兩級(jí)浮動(dòng)環(huán)均采用錐孔式浮動(dòng)環(huán)。

2 浮動(dòng)環(huán)工作原理及參數(shù)

浮動(dòng)環(huán)密封依靠軸(或軸套)與浮動(dòng)環(huán)之間的密封間隙內(nèi)的流體阻力效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)密封作用。工作時(shí)，密封間隙內(nèi)的流體在壓差流動(dòng)和剪切流動(dòng)下產(chǎn)生作用于浮動(dòng)環(huán)的不平衡流體動(dòng)壓力和靜壓力F浮，克服由密封介質(zhì)壓力F1，F(xiàn)2和軸向預(yù)緊力Fs作用產(chǎn)生的端面摩擦力F阻，促使浮動(dòng)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)軸移動(dòng)，可避免與轉(zhuǎn)軸接觸而磨損。浮動(dòng)環(huán)受力情況如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

參數(shù)數(shù)值浮動(dòng)環(huán)外徑d1/mm48副密封面外徑d2/mm38副密封面內(nèi)徑d3/mm35浮動(dòng)環(huán)內(nèi)徑d4/mm33

浮動(dòng)環(huán)工作過(guò)程中，需滿足自動(dòng)定心、自動(dòng)浮起條件和密封端面不脫開(kāi)條件。浮動(dòng)環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)采用預(yù)載碟簧對(duì)浮動(dòng)環(huán)施加穩(wěn)定的軸向預(yù)載，完全可以保證浮動(dòng)環(huán)密封端面與殼體不脫開(kāi)。文獻(xiàn)[5-6]中指出，浮動(dòng)環(huán)工作過(guò)程中需考慮以下兩個(gè)約束：

1)在低轉(zhuǎn)速、高密封壓力時(shí)，浮動(dòng)環(huán)浮起力偏小，不足以克服摩擦力，導(dǎo)致浮動(dòng)環(huán)無(wú)法正常浮起，致使浮動(dòng)環(huán)磨損；

2)在高轉(zhuǎn)速、低密封壓力時(shí)，浮動(dòng)環(huán)端面摩擦力過(guò)小，浮動(dòng)環(huán)在浮起時(shí)由于慣性力過(guò)大亦會(huì)導(dǎo)致與轉(zhuǎn)軸碰撞磨損。因此，應(yīng)盡量避免浮動(dòng)環(huán)在低轉(zhuǎn)速、高密封壓力和高轉(zhuǎn)速、低密封壓力條件下工作，以保證浮動(dòng)環(huán)的工作可靠性。

80 kN液氧/甲烷下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用10%～100%深度變推力調(diào)節(jié)，不同工況下渦輪泵轉(zhuǎn)速和渦輪腔介質(zhì)密封壓力差異較大，給發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)浮動(dòng)環(huán)可靠性工作帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。浮動(dòng)環(huán)密封按發(fā)動(dòng)機(jī)額定推力工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需對(duì)非設(shè)計(jì)工況下的浮起力和浮起阻力進(jìn)行計(jì)算，確定浮動(dòng)環(huán)浮起情況，進(jìn)行變工況適應(yīng)性分析。

3 變工況適應(yīng)性分析

3.1 浮起阻力計(jì)算

氧渦輪泵兩道浮動(dòng)環(huán)為串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，假定浮動(dòng)環(huán)流阻損失一致，從而兩道浮動(dòng)環(huán)壓降相同，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于月球表面環(huán)境，不同發(fā)動(dòng)機(jī)推力工況下二級(jí)浮動(dòng)環(huán)出口壓力均為0 MPa，此時(shí)，一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)入口壓力如表3所示。

根據(jù)圖3浮動(dòng)環(huán)受力情況，浮動(dòng)環(huán)自身重量為0.025 kg，遠(yuǎn)小于浮起阻力，可忽略，參考文獻(xiàn)[4-5]采用一維公式(1)～(3)計(jì)算不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下浮動(dòng)環(huán)浮起阻力。一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)浮起阻力一致，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 浮動(dòng)環(huán)入口壓力

(1)

(2)

F阻=f(F1+Fs-F2)

(3)

式中：pin為密封入口壓力；pout為密封出口壓力；f為副密封面摩擦系數(shù)0.05～0.2，取0.2；Fs為軸向預(yù)緊力，取20 N。

表4 浮起阻力計(jì)算結(jié)果

3.2 浮起力數(shù)值仿真計(jì)算

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下浮動(dòng)環(huán)密封工作參數(shù)，以氣態(tài)甲烷為流體介質(zhì)，對(duì)浮動(dòng)環(huán)密封間隙流場(chǎng)進(jìn)行全流場(chǎng)定常數(shù)值仿真計(jì)算[7-9]。一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)偏心率e=0.2時(shí)內(nèi)表面動(dòng)、靜壓分布如圖4和圖5所示?？梢钥闯觯芊忾g隙內(nèi)的流體在壓差流動(dòng)和剪切流動(dòng)的共同作用下，浮動(dòng)環(huán)內(nèi)表面動(dòng)、靜壓力沿軸向近似按螺旋線分布，在不同工況下，一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)內(nèi)表面動(dòng)壓分布及壓力值基本一致，而一級(jí)浮動(dòng)環(huán)表面靜壓值約為二級(jí)浮動(dòng)環(huán)的兩倍。

浮動(dòng)環(huán)內(nèi)表面壓力沿圓周方向分布不同，產(chǎn)生徑向作用力即浮起力。通過(guò)流場(chǎng)仿真計(jì)算，對(duì)浮動(dòng)環(huán)內(nèi)孔表面壓力積分計(jì)算得到一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)浮起力，計(jì)算結(jié)果如表5和表6所示?？梢钥闯觯S著發(fā)動(dòng)機(jī)推力工況的提高以及浮動(dòng)環(huán)偏心率的增加，一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)的浮起力不斷增大，且二級(jí)浮動(dòng)環(huán)浮起力略大于一級(jí)浮動(dòng)環(huán)，全工況范圍內(nèi)兩級(jí)浮動(dòng)環(huán)浮起力差值約為0.12～17.96 N。

3.3 變工況適應(yīng)性分析

浮動(dòng)環(huán)浮起力與浮起阻力對(duì)比曲線如圖6所示。可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)，一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)浮起阻力F阻均介于浮動(dòng)環(huán)偏心率e=0.4和e=0.6的浮起力F浮范圍之間，可以判定兩道浮動(dòng)環(huán)工作時(shí)偏心率e為0.4～ 0.6，滿足浮動(dòng)環(huán)工作偏心率e<0.7要求。在此偏心率范圍內(nèi)工作時(shí)，一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)可以有效地避免與轉(zhuǎn)軸發(fā)生碰磨、崩邊，工作可靠性高、壽命長(zhǎng)。因此，氧渦輪泵錐孔式浮動(dòng)環(huán)密封具有良好的變工況適應(yīng)性，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)深度變推力調(diào)節(jié)要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)工況10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%e=0.12.214.767.049.5312.0714.6917.4420.1923.025.89e=0.24.419.4014.0419.0724.4229.6435.2340.9146.7052.43e=0.36.5814.1321.5229.1036.8444.9753.2361.7370.4679.29e=0.48.017.9528.4838.6249.3160.6871.4282.6594.28106.47e=0.511.022.8635.9248.6361.8776.7789.835103.67118.16133.97e=0.612.5026.8642.8458.1374.4991.24108.46124.79142.10161.79e=0.714.4330.9548.2468.1287.19108.09127.3146.01166.10189.93e=0.816.9035.1356.1278.699.95122.32144.34167.33190.16218.08e=0.918.4040.4064.4889.57112.79137.93160.6188.75214.28247.17

表6 二級(jí)浮動(dòng)環(huán)浮起力計(jì)算結(jié)果

3.4 浮動(dòng)環(huán)泄漏量計(jì)算

浮動(dòng)環(huán)密封屬于流阻型非接觸式動(dòng)密封，工作過(guò)程中存在一定的介質(zhì)泄漏。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，需盡可能減小浮動(dòng)環(huán)密封的泄漏損失。根據(jù)流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果，在發(fā)動(dòng)機(jī)10%～100%推力工況范圍內(nèi)，浮動(dòng)環(huán)泄漏量約為2.58～39.4 g/s，占渦輪工質(zhì)流量的百分?jǐn)?shù)為0.81%～1.05%。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加，氧渦輪泵渦輪工質(zhì)密封壓力不斷提高，浮動(dòng)環(huán)泄漏量不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)額定推力工況時(shí)浮動(dòng)環(huán)泄漏量最大，后續(xù)可通過(guò)浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步降低泄漏量。

4 結(jié)論

本文根據(jù)載人航天登月80 kN液氧/甲烷下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)深度變推力要求，對(duì)氧渦輪泵浮動(dòng)環(huán)密封行了變工況適應(yīng)性分析。分析結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)，氧渦輪泵一、二級(jí)浮動(dòng)環(huán)工作時(shí)偏心率介于0.4～0.6之間，浮動(dòng)環(huán)工作可靠性高，具備深度連續(xù)變工況適應(yīng)能力，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)10%～100%變推力要求；浮動(dòng)環(huán)泄漏量約為2.58～39.4 g/s，后續(xù)可通過(guò)浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步降低泄漏量。

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Investigation for working adaptability of floating ring seals in deep throttling engines

SHEN Wenjin，YE Xiaoqiang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China)

According to the demands of the manned space program，the project of the LOX/CH4engine key techniques needs to be studied for the multi-startup and 10%～100% deep throttling capability，whose thrust is 80 kN.The variable thrust adaptability of the floating ring seals in the engine would affect safety and reliability of the oxygen turbopump assembly as one of the core components in rocket engines.In this paper，according to variable thrust requirements of the engine system，the floating force of the floating ring seals under the conditions of different thrust and eccentricity ratio is calculated with the numerical method，which is compared with drag force calculated with one-dimensional formula.Based on the above measures，the eccentricity ratio (0.4～0.6) of the first and second floating ring seals working at full work conditions，and the leakage rate of 2.58～39.4 g/s are determined.Working within the range of this eccentricity ratio，the floating ring seals has high reliability and capability of working in changing conditions with a wide range，the rubbing or breaking of its edge can be avoided，which can satisfy safety requirements of the turbopump and deep throttling requirements of the engine.The results could provide a theoretical foundation for turbopump project approach and design.

deep throttling; oxygen turbopump; floating ring seal; variable thrust adaptability

V434.2-34

A

1672-9374(2017)05-0028-06

2017-03-27；

2017-06-28

沈文金(1984—)，男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵設(shè)計(jì)

(編輯：馬杰)