液体火箭发动机涡轮泵密封组件静力学特性.pdf

第 43卷 第 3期 Vol. 43, № . 3
火 箭 推 进
2017年 6月 JOURNAL OF ROCKET PROPULSION Jun. 2017
液 体火箭发动机涡轮泵密封组件静力学特性
徐云飞 , 刘 丽 , 徐学军 , 李 锋 , 黄道琼 , 段 捷
1.西安航天动力研究所, 陕西西安 710100;
2.液体火箭发动机技术国防科技重点实验室, 陕西西安 71010;0
3.航天推进技术研究院, 陕西西安 71010 0
摘 要: 为了提高液体火箭发动机涡轮泵端面密封的气检合格率, 开展了密封组件的静
力学特性分析。 采用有限元法建立了密封端面接触分析模型, 针对石墨环装配过盈量、 弹簧
刚度偏差与气检压力 3个方面进行了仿真计算, 获得了端面变形量和密封压力分布的变化规
律。 计算结果表明: 在 0.13 mm 过盈量下, 石墨环上端面高度差为 7.2μ m ; 弹簧刚度偏差量
变化引起的动静环端面压力分布最大差值约 0.1 MPa ; 在气检过程中密封端面呈环形的压力分
布。
关键词: 液体火箭发动机; 密封组件; 静力学特性; 密封压力分布; 有限元法
中图分类号: V434.21-34 文献标识码: A 文章编号: 1672-9374 2017 03-0017-05
收稿日期: 2016-10-14 ; 修回日期: 2017-01-20
基金项目: 金国家自然科学基 11502186, 51506157
作者简介: 徐云飞 1984,男, 硕士, 工程师, 研究领域为液体火箭发动机技术
essu sealin character mechan static assembly enin ck iqid第 43卷 第 3期 Vol. 43, № . 3
火 箭 推 进
2017年 6月 JOURNAL OF ROCKET PROPULSION Jun. 2017
火 箭 推 进 2017年 6月
现摩擦副动密封 。 然而在产品加工完成后的气
0 引言
密检查时发现, 由于石墨环与静环座之间过盈装
配引起石墨环变形等原因, 导致密封副端面压力
在液体火箭发动机工作过程中, 端面密封结
液 体火箭发动机涡轮泵密封组件静力学特性
分布不均, 造成气检泄漏率超出容许值, 影响产
构起着至关重要的作用。 旦端面密封失效, 将
品交付合格率, 因此有必要通过静力学仿真分析
会引起介质泄露, 严重时将使氧化剂与燃料串腔
徐云飞 , 刘 丽 , 徐学军 , 李 锋 , 黄道琼 , 段 捷
对密封面压力分布的影响因素进行分析。
爆炸, 造成火箭发射失败。 导致端面密封结构失 1.西安航天动力研究所, 陕西西安 710100;
效的主要原因是密封组件变形, 国内外对液体火 2.液体火箭发动机技术国防科技重点实验室, 陕西西安 71010;0
2 模型建立
箭发动机涡轮泵的研究, 主要包括涡轮泵转子及 3.航天推进技术研究院, 陕西西安 71010 0
其支撑结构的动静态特性 、 端面密封热变形和 针对图 1所示的密封结构, 采用商业有限元
压力变形 摘 要:等方面, 但为了提高具液体火体针箭发动机涡轮泵端面密封的气检合格率,对压开展了密封组件的静力变形的影响 软件 ANSYS 建立的有限元模型如图 2所示, 模
力学特性分析。 采用有限元法建立了密封端面接触分析模型, 针对石墨环装配过盈量、 弹簧
因素分析研究却很少。 型采用结构化网格进行划分, 选择 20节点的
刚度偏差与气检压力 3个方面进行了仿真计算, 获得了端面变形量和密封压力分布的变化规
本文针对某发动机氧化剂泵端面密封结构气 Solid186 网格单元可以保证足够 的 计算精度 。
律。 计算结果表明: 在 0.13 mm 过盈量下, 石墨环上端面高度差为 7.2μ m ; 弹簧刚度偏差量
检泄漏率超差问题, 建立了端面密封结构的有限
变化引起的动静环端面压力分布最大差值约 0.1 MPa ; 在气检过程中密封端面呈环形的压力分
元分析模型, 对涡轮泵装配与检漏过程中影响密
布。
封特性的因素进行了研究, 为发动机涡轮泵端面
关键词: 液体火箭发动机; 密封组件; 静力学特性; 密封压力分布; 有限元法
密封故障诊断机理分析提供支持。
中图分类号: V434.21-34 文献标识码: A 文章编号: 1672-9374 2017 03-0017-05
1 涡轮泵端面密封结构简介
发动机涡轮泵端面密封结构如图 1所示 。
主要由动环组件与静环组件组成, 动环组件主要
包括动环、 动环轴套和压环; 静环组件包括石墨
环、 静环座、 静环衬套以及支撑弹簧等, 其中石 图 2 涡轮泵密封组件有限元模型
墨环通过热套方式过盈装配在静环座上。
由于石墨环刚度较低 , 而其 余 密封组件结
构均为 刚度较高 的不 锈钢材 质, 因此在 接触 分
析时, 石墨环与静环座以 及 动环之间的 接触 面
设置 为刚 体 -柔 体 接触 、 其 余接触 面均为
柔 体 -柔 体 接触 。 值 得注意 的是, 刚 体 -柔
体 接触 设置 中, 刚 性面 设置 为目标 面, 柔 性
面 设置 为接触 面; 而对于 柔 体 -柔 体 接触 ,
目标 面与 接触 面可以 任意设置 。 在 计算前 , 将
接触刚度 的 比例 因子 给定 0.1, 接触算法 选择增
图 1 发动机涡轮泵密封端面示意图
强 的 拉 格朗日法 。
in engine turbopump 导致密封组件气检泄漏率超差的原因主要包
括 : 装配盈 过 量 、弹 撑支 簧 偏度刚 差和气检压力。
涡轮泵不工作时, 在支撑弹簧的预紧力作用
通过建立静力学仿真 计算 模型, 结合 相应 的 边界
下, 动环和石墨环组成的摩擦副保持贴合; 涡轮
条 件, 对 整个 密封组件的静态特性进行 计算 和分
收稿日期: 2016-10-14 ; 修回日期: 2017-01-20
泵工作时, 带压力推进剂充填至环形的密封组件 析,有利 于定确 影响副 密封 的特性封密 参数颈瓶 ,
基金项目: 金国家自然科学基 11502186, 51506157
作者简介:外侧后, 通过对静环徐云飞座施加附 1984加,男,的液压硕士, 工程师,轴 研究领域为液体火箭发动机技术 向力实 为构结封密 改 方进 案 的 定确 提供据数 持支 。
essu sealin character mechan static assembly enin ck iqid第 43卷 第 3期 Vol. 43, № . 3
火 箭 推 进
2017年 6月 JOURNAL OF ROCKET PROPULSION Jun. 2017
火 箭 推 进 2017年 6月
18第 43卷第 3期 徐云飞, 等: 液体火箭发动机涡轮泵密封组件静力学特性 19
现 静力学分析摩, 其擦中副过盈量分别动密封 设置为 。 然而在产品加工完成后的气0.085 mm ,
3 计算结果与讨论
0 引言
密0.107 检查5时发现,mm由于及 石0.13 墨环mm与静环座, 计算之得间到过盈的部装分结果如
3.1 装配过盈量分析
配 图引起石 3和墨图环变形等 4所原因, 导致密封副示端面压。 力
在液体火箭发动机工作过程中