液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究.pdf

第4 2 卷第2 期 2 0 1 6 年4 月 火箭推进 J O U R N A LO FR O C K E TP R O P U L S I O N V 0 1 4 2 2 A p r 2 0 1 6 液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究 张树强，王良，陈杰 ( 西安航天动力研究所，陕西西安7 1 0 1 0 0 ) 摘要：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。 关键词：金属波纹管；液氧泵；机械密封；设计研究 中图分类号：V 4 1 4 3 4文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 5 3 0 6 D e s i g nr e s e a r c ho f m e t a lb e l l o w sf o r m e c h a n i c a ls e a li nl i q u i do x y g e np u m p Z H A N GS h u q i a n g ，W A N GL i a n g ，C H E NJ i e ( X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nI n s t i t u t e ，X i a n71010 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h er e l a t i o nb e t w e e na x i a lt e n s i l ed e f o r m a t i o no fm e t a lb e l l o w si nl i q u i do x y g e np u m p i nn o r m a lt e m p e r a t u r ea n du n s u p p o r t e dh e i g h to f m e t a lb e l l o w sa sw e l la sf r i c t i o np o w e rd i s s i p a t i o no f m e c h a n i c a ls e a la r ea n a l y z e d O nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i s ，t h ed e s i g nr e g u l a t i o n so fm e t a lb e l l o w s f o rm e c h a n i c a ls e a li nl i q u i do x y g e np u m pa r es t u d i e da n ds u m m e du p T h em e t a lb e l l o w sh a sb e e n a p p l i e ds u c c e s s f u l l yt ot h el i q u i do x y g e n k e r o s e n ep r o p e l l a n tr o c k e te n g i n e ，a n dp a s s e dt h ee n g i n eh o t t e s t K e y w o r d s ：m e t a lb e l l o w s ；l i q u i do x y g e np u m p ；m e c h a n i c a ls e a l ；d e s i g nr e s e a r c h 0引言 波纹管式机械密封由于性能优异，可靠性高， 可用于高转速、高压力、高温及低温等工况，因 而被广泛应用于液体火箭发动机涡轮泵密封装置 之中。液氧泵机械密封工作温度为一1 8 3 ，工作 压力为1 2M P a ，端面平均线速度为6 0 7 5m s 。 该密封要经受涡轮泵轴向和径向较大振动载荷。 设计液氧泵机械密封用金属波纹管时，不仅要遵 守一般弹性元件的设计准则，还要遵守火箭发动 机对密封特殊要求所产生的设计准则。 液氧泵机械密封用金属波纹管在生产、装 收稿日期：2 0 1 4 0 9 0 7 ；修回日期：2 0 1 5 0 6 1 2 作者简介：张树强( 1 9 8 6 一) ，男，硕士，研究领域为机械密封设计 万方数据 火箭推进2 0 1 6 年4 月 配、试验过程中，轴向如果产生拉伸塑性变形， 导致金属波纹管自由高度偏离设计值，密封装配 后波纹管将会受压，增大密封摩擦功耗，从而降 低了密封工作可靠性。所以设计密封时，不仅要 遵守一般弹性元件的设计准则，还要考虑波纹管 轴向拉伸塑性变形对密封设计准则的影响。 1 密封设计要求与结构 液氧泵机械密封设计的一般要求为：密封结 构简单可靠，且不需要辅助密封系统；发动机预 冷充填时，密封泄漏量为零；发动机工作时，密 封后端只允许泄漏少量气氧；要求密封具有多次 启动工作能力。机械密封对金属波纹管的基本设 计要求见表1 。 表1 金属波纹管设计要求 T a b 1 D e s i g nr e q u i r e m e n t so fm e t a lb e l l o w s 设计内容设计要求 轴向压缩刚度( N m m “) 轴向压缩残余变形 3 0 4 5 3 波纹管焊后气密性 不允许有泄漏 波纹管承压能力M P a 疲劳特性万次 3 4 3 0 金属波纹管依据制造工艺分为2 种基本结 构，即焊接波纹管和液压成形波纹管，如图1 所 示。图1 ( a ) 为焊接波纹管，膜片波形形状一般为 对称式和层叠式，膜片由模具冲压而成，焊接波 纹管是由具有不同波形的膜片通过焊接工艺方法 使其内外缘交互连接而制成的轴向端面呈波纹 状，且具有轴向伸缩能力的管件。图1 ( b ) 为液压 成形波纹管，它由无缝管坯或焊接管坯在内壁承 受液体压力的条件下，当管件内壁承受的应力超 过其屈服强度后，在专用模具内成形的管件，液 压成形波纹管按波形几何形状分为u 型、C 型、 S 型和Q 型等。焊接波纹管和液压成形波纹管在 火箭发动机液氧泵中均有应用，本文仅研究U 形 波纹管设计准则： nnnn l l f 1 1 川歹飞 二弋 f f t 州i 刖f 川tj 1 一I I 潸1 滞l ；p1 i 1j j r ss 洲0 、| 0 、I 审 恸恸恸，7吣j f川J1 J心 u、蟛7 。 UUU 。 ( a ) 焊接波纹管( b J 液压成形波纹爸 图1 波纹管结构 F i g 1 S t r u c t u r eo fm e t a lb e l l o w s 图2 为在液氧泵机械密封中应用的u 形波纹 管( 以下简称波纹管) 。由图2 可见，波纹管通 过焊接方法连接在静环和法兰盘之间，在静环和 法兰盘之间还安装有压缩弹簧。机械密封装配后 波纹管处于自由高度状态( 不受拉，也不受压) ， 因而只代替密封圈起辅助密封的作用，不提供弹 性比压。密封弹性比压仅由压缩弹簧提供波。波 纹管管壁为2 层，内层有加强环，密封外侧为被 密封介质( 液氧或气氧) 。 图2 机械密封 F i g 2M e c h a n i c a ls e a l 2 波纹管拉伸变形对密封的影响与 分析 在液氧泵中，波纹管式机械密封完成装配 后，波纹管处于自由高度状态，端面比压仅由压 缩弹簧提供。如果波纹管受拉使得自由高度增 万方数据 第4 2 卷第2 期张树强，等：液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究 5 5 加，密封完成装配后，波纹管则会处于压缩状 态，因而增加了波纹管应力和密封端面比压，对 密封产生不良影响。以下分别采用数值和理论计 算方法分析计算由于波纹管受拉使得自由高度增 加而对密封产生的影响。波纹管材料为O C r l 8 N i 9 不锈钢，计算过程中所用参数见表2 。 表2 计算参数 T a b 2C a l c u l a t i o np a r a m e t e r s 参数数值 密封环带面积, J m m 2 密封端面比压M P a 端面平均线速度( m s _ 1 1 波纹管内径r a m 波纹管外径r a m 波纹管壁厚m m 波纹管波数 波纹管刚度( N i n t o 。) 2 1 数值计算模型 波纹管轴向拉伸变形轴对称数值计算模型见 图3 。在该模型中，一端固支，另一端可沿轴向 加载位移，以模拟波纹管拉伸变形。波纹管内层 有加强环，在加强环处约束了径向位移。用 A N S Y S 软件数值计算了波纹管轴向拉伸变形与自 由高度增量之间的关系，结果见图4 ( a ) 。 图3 波纹管数值计算模型 F i g 3 N u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo fm e t a lb e l l o w s 2 2 拉伸变形对波纹管自由高度的影响 波纹管轴向受拉，拉伸变形在其弹性变形范 围之内时，拉力撤消后，波纹管将恢复到初始自 由高度状态；如果拉伸变形使波纹管发生塑性变 形后，拉力撤消后，波纹管不会恢复到初始自由 高度状态，波纹管自由高度将会增加。图4 ( a ) 为不同拉伸变形量与波纹管自由高度增量之间的 关系曲线。由图4 ( a ) 可见，当波纹管轴向拉伸量 小于3 1m m 时，波纹管自由高度增加值为0 ，表 明其拉伸变形处于弹性变形范围之内；当波纹管 拉伸变形量大于3 1 m m 时，随着拉伸变形量的增 加，波纹管自由高度增加值将会增大，此时波纹 管将会发生永久塑性变形。波纹管自由高度增加 值随其拉伸变形量的变化呈线性状态。 睡 亡 。 鍪 斛 置 肇 魁 ( b ) 压缩量与摩擦功耗增加量关系 图4 波纹管变形量对密封的影响 F i g 4 I n f l u e n c eo fm e t a lb e l l o w st e n s i l e d e f o r m a t i o no nm e c h a n i c a ls e a f f n g 2 3 拉伸变形对机械密封的影响与分析 波纹管拉伸变形导致自由高度增加，密封完 成装配后，将会产生额外的闭合力，增加密封端 面比压，使密封摩擦功率增大，对密封产生不良 影响。 在密封设计比压为0 2 0M P a ，摩擦系数为 卿 他 贷 舳 蚴 。 万方数据 5 6火箭推进2 0 1 6 年4 月 0 1 ，以及忽略自由高度增加引起波纹管刚度变化 的情况下，波纹管不同压缩量与密封摩擦功耗增 量之间的变化关系见图4 ( b ) 。由图4 ( b ) 可见， 随着波纹管装配压缩量的增大，密封摩擦功耗呈 线性增大变化趋势。密封摩擦功耗增大是波纹管 线性压缩量变大所致。 3 波纹管设计一般准则 波纹管拉伸变形对机械密封会产生不良影 响。在设计波纹管时，不仅要遵守一般弹性元件 的设计准则，还要遵守火箭发动机对密封特殊要 求所产生的设计准则。U 形金属波纹管结构示意 图见5 。 图5U 形波纹管结构示意图 F i g 5 S t r u c t u r ed i a g r a mo fU - s h a p e db e l l o w s 3 1 波纹管设计一般准则 液氧泵机械密封用金属波纹管按敏感类波纹 管进行设计计算。 3 1 1 轴向刚度 采用能量法计算单层波纹管轴向刚度，单波 轴向压缩刚度 华封。刊一2 厶饯南1 叫【lfJ 式中：E 为材料弹性模量；p 为泊松比；h 。为波纹 管单层壁厚；吐为波纹管内直径；a 为波形角；A 。， 4 。，4 ：及玩为相关系数，详见参考文献【9 。 波纹管总刚度K 和单波刚度的关系为： K i = n K ( 2 ) 式中：n 为波纹管有效波数；K 为波纹管总刚度。 3 1 2 波纹管有效直径破 波纹管有效直径d 。与其波形有关，它决定了 机械密封载荷系数的大小。u 形波纹管有效直径 由下式进行计算： 妊语面丽 ( 3 ) 式中以为波纹管外外径。 3 1 3 波纹管允许内压力 当波纹管总长1 5 凶时，波纹管允许内压 力p 。按下式计算： = K 。K ：K 3 挚 ( 4 ) o 式中：盯。为材料屈服极限；K 为实验修正系数， 和材料牌号相关，其中不锈钢为7 7 ；K ：为壁厚 减薄系数，K ：= d 彤。；K ，为波厚影响系数，K ，= ( 俨矗。) 胞i ，其中口为波厚。 一般情况下，波纹管工作时的允许最大压力 为p 。的4 0 一5 0 。 3 1 4 波纹管残余变形量( 试验测量) 试验测量时，波纹管轴向压缩和轴向拉伸残 余变形量A 由下式计算： A ：孥1 0 0 ( 5 ) 3 式中：i S 为波纹管残余变形量；S 波纹管轴向压 缩或拉伸量。 3 1 5 波纹管抗疲劳能力 波纹管要具有足够的抗疲劳工作能力，以承 受发动机较大振动载荷，其可靠工作寿命范围为 3 00 0 0 3 0 00 0 0 次。 3 1 6 其余设计要求 波纹管设计的其余要求为：波纹管表面不允 许有对强度和疲劳寿命有影响的压痕、划伤、裂 纹和尖锐压坑等缺陷；波纹管内外表面应无视觉 可见的锈斑、氧化皮等缺陷；波纹管为多层时， 波纹管两端各层应齐平，层间无视觉可见错开和 分层。 万方数据 第4 2 卷第2 期张树强，等：液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究 5 7 3 2 波纹管设计特殊准则 除以上一般设计准则外，液氧泵机械密封用 金属波纹管有以下几点特殊要求。 3 2 1 装配要求 机械密封安装到涡轮泵后，波纹管要求处于 自由状态，既不受压力，也不受拉力作用。这有 助于控制密封端面比压，优化波纹管装配受力。 3 2 2 轴向拉伸变形要求 在机械密封生产、装配、试验过程的各环节 ( 例如波纹管焊接、装配弹簧等) ，不得使波纹管 轴向拉伸量超过其弹性范围，避免波纹管产生塑 性变形，导致自由高度增加，即要求： 缸6 一 ( 6 ) 式中：缸为波纹管轴向拉伸量；6 一为波纹管弹 性变形拉伸极限值。 4 波纹管制造工艺 液压成形波纹制造工艺流程见图6 。首先复 验波纹管管坯原材料质量，其次进行管坯清洗、 固溶处理和材质晶粒度检测。管坯固溶处理后， 材质平均晶粒度要求为7 - 9 级，不均匀度不大于 2 级。最后进行波纹管液压成形、高度整形、切 口、热处理、性能检测和包装人库。 坯材质复验H 管坯清洗 H 固溶处理 H晶粒度检测H 液压成形 l L 1 高度整形 H 切口 H 稳定热处理H 性能测试 H 入库 图6 液压成形波纹管制造工艺流程简图 F i g 6F l o wc h a r tf o rp r o d u c t i o np r o c e s so fm e t a lb e H o w s 5 波纹管试验验证 采用上述设计准则和制造工艺生产的金属波 纹管已用于液氧泵机械密封，装配该密封的发动 机已通过地面热试车考核。用于该密封的金属波 纹管进行了轴向刚度、残余变形、气密性、耐压 和疲劳试验，各项试验结果均满足设计要求。试 验结果见表3 。 表3 波纹管试验结果 T a b 3 E x p e r i m e n tr e s u l t so fm e t a lb e H o w s 金属波纹管试验结果满足表l 中设计要求。 6 结论 通过对液氧泵机械密封用金属波纹管轴向拉 伸变形与其自由高度增量和密封摩擦功耗之间关 系的研究，归纳出了金属波纹管设计准则。采用 该准则设计生产的波纹管已用于发动机液氧泵之 中，装配该涡轮泵的发动机已通过地面热试车考 核，由此表明波纹管设计准则是正确和适用的。 试验内容试验结果 参考文献： 轴向压缩刚度( 5 m m 1 ) 轴向压缩残余变形 波纹管焊后气密性 4 0 5 1 9 无泄漏 波纹管承压试验 喜笔主试后无泄漏 疲劳特性 轴向振动位移为lm m ，振 动频率2 0H z ，3 0 万次后未 见疲劳破坏。 【1 张贵田高压补燃液氧煤油发动机 M 】北京：国防工业 出版社，2 0 0 5 【2 】杜天恩轴承、端面密封在液氧中的运转试验 J 】火箭推 进，2 0 0 1 ，2 7 ( 3 ) ：1 0 1 3 D UT i a n e n R u n n i n gt e s to fb e a r i n ga n df a c es e a li nl i q u i d o x y g e n J J o u r n a lo fr o c k e tp r o p u l s i o n ，2 0 0 1 ，2 7 ( 3 ) ：1 0 - 1 3 【3 】顾永泉机械密封实用技术 M 】北京：机械工业出版社， 2 0 0 7 【4 】李建克，陈杰，王少鹏膜盒式机械密封阻尼设计研究 万方数据 5 8火箭推进2 0 1 6 年4 月 J 火箭推进，2 0 1 2 ，3 8 ( 6 ) ：4 1 4 5 L IJ i a n k e ，C H E NJ i e ，W A N GS h a o p e n g R e s e a r c ho n d a m p e rd e s i g no fw e l d e dm e t a lb e l l o w sf o rm e c h a n i c a l s e a l J J o u r n a lo f r o c k e tp r o p u l s i o n ，2 0 1 2 ，3 8 ( 6 ) ：4 1 4 5 【5 】韩燕，王淮维温度对机械密封金属波纹管力学性能的 影响 J 】润滑与密封，2 0 1 2 ，3 7 ( 3 ) ：8 5 - 8 8 【6 】操松林，郭宏彬，卢小东，等金属波纹管机械密封在特 殊工况下的应用实例 J 】流体机械，2 0 1 2 ，4 0 ( 1 2 ) ：5 5 5 7 7 】李香，杨博峰，郑国运，等高温重油泵用金属波纹管机 械密封失效分析 J 】化工机械，2 011 ，3 8 ( 3 ) ：3 6 7 3 6 9 8 】蔡仁良，顾伯勤，宋鹏云过程装备密封技术 M 北京： 化学出版社，2 0 1 0 9 徐开先波纹管类组件的制造及其应用 M 】北京：机械 工业出版社，1 9 9 8 ( 编辑：马杰) 乇石N 譬 e 石茅 ! 分e 石多 写世； 2 ；世石八! e 石飞多 # ；过多 # 写q 多 2 写多孔S 君峪e 石飞多 写乒 g 君亡石多乱2 石乒 2 写世五八! 写世“! 写哇五N 譬；、蛳2 写! 多乱蠕吧分豁 ( 上接第3 4 页) 参考文献： 【1 F L A N D R OGA ，S I M SJD N o n l i n e a rl o n g i t u d i n a lm o d e i n s t a b i l i t y i nl i q u i dp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o rp r e b u r n e r ： A I A A - 2 0 0 4 - 4 1 6 2 R C i n c i n a t t i ，U S A ：A M ，2 0 0 4 【2 F L A N D R OGA ，S I M SJD O nn o n l i n e a rc o m b u s t i o n i n s t a b i l i t y i n l i q u i dp r o p e l l a n tr o c k e te n g i n e s ：A I A A 一 2 0 0 4 3 516 R C i n c i n a t t i ，U S A ：A I A A ，2 0 0 4 【3 K I R C H H O F FG V o r l e s u n g e nu b e rm a t h e m a t i s c h ep h y s i k ： m e c h a n i k M G e r m a n y ：L e i b z i g ，18 7 7 4 C A N T R E L LRH ，H A R TR W I n t e r a c t i o nb e t w e e ns o u n d a n df l o wi na c o u s t i cc a v i t i e s ：m a s s ，m o m e n t u m ，a n de n e r g y c o n s i d e r a t i o n s J 】J o u r n a lo ft h e a c o u s t i c a ls o c i e t yo f A m e r i c a ，19 6 4 ，3 6 ( 4 ) ：6 9 7 - 7 0 6 【5 】H A R TRW ，M C C L U R EFT ，C o m b u s t i o ni n s t a b i l i t y ： a c o u s t i ci n t e r a c t i o nw i t hab u r n i n gp r o p e l l a n ts u r f a c e J 】 T h e j o u r n a lo f c h e m i c a lp h y s i c s ，1 9 5 9 ，1 0 ( 6 ) ：1 5 0 1 - 1 5 1 4 6 H A R TRW ，M C C L U R EFT ，T h e o r yo fa c o u s t i c i n s t a b i l i t y i ns o l i d p r o p e l l a n t r o c k e tc o m b u s t i o n c T e n t hS y m p o s i u m ( I n t e r n a t i o n a l ) o nC o m b u s t i o n L a s V e g a s ，U S A ：A I A A ，19 6 4 ：10 4 7 - 10 6 6 【7 S A N D H A MND ，M O R F E YCL ，H UZW N o n l i n e a r m e c h a n i s m so fs o u n dg e n e r a t i o ni nap e r t u r b e dp a r a l l e lj e t f l o w J J o u r n a lo f f l u i dm a c h ，2 0 0 6 ，5 6 5 ( 2 ) ：1 - 2 3 8 M O R F E YCL A c o u s t i ce n e r g yi nn o n - u n i f o r mf l o w s J 】 J o u r n a lo f s o u n da n dv i b r a t i o n s ，19 71 ，l4 ( 4 ) ：15 9 16 9 【9 】M Y E R SMK T r a n s p o r to fe n e r g yb yd i s t u r b a n c e si n a r b i t r a r ys t e a d yf l o w s J J o u r n a lo f f l u i dm e c h a n i c s ，1 9 9 1 ， 2 2 6 ( 3 ) ：3 8 3 4 0 0 【1 0 】M Y E R SM K A ne x a c te n e r g yc o r o l l a r yf o rh o m e n t r o p i c f l o w J J o u r n a lo fs o u n da n dv i b r a t i o n s ，1 9 8 6 ，1 0 9 ( 3 ) ： 2 7 7 2 8 4 【11 】M Y E R SMK G e n e r a l i z a t i o na n de x t e n s i o no f t h el a wo f a c o u s t i ce n e r g yc o n s e r v a t i o ni nan o n u n i f o r mf l o w c A I A A2 4 t hA e r o s p a c eS c i e n c e sM e e t i n g S a c r a m e n t o C a l i f o m i a ：A I A A 1 9 8 6 ：8 6 - 0 4 7 1 1 2 F L A N D R OGA ，P E R R YEH ，F R E N C HJC N o n l i n e a r r o c k e tm o t o rs t a b i l i t yc o m p u t a t i o n s ：u n d e r s t a n d i n gt h e b r o w n l e e - m a