張 峰，寧建華，趙偉剛，王 良

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

膜盒式機械密封設計研究

張 峰，寧建華，趙偉剛，王 良

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

基于膜盒式機械密封理論與經驗，研究了膜盒式機械密封密封材料、密封結構、密封性能、密封比壓、泄漏量等之間的關系?；贏NSYS有限元軟件平臺面－面接觸分析模塊Contact Pressure，仿真分析和計算了膜盒式靜環(huán)組件在過盈配合壓裝條件下端面塊應力、應變場分布與變形量之間的關系，得出了膜盒式機械密封密封材料選擇、結構、靜環(huán)組件、密封性能參數(shù)設計準則。在該準則中端面塊過盈量選取范圍為0.16-0.18 mm之間。采用該設計準則設計的膜盒式機械密封已經用于某戰(zhàn)略彈道導彈武器系統(tǒng)用液體火箭發(fā)動機之中，該發(fā)動機已經通過了地面熱試車考核。

機械密封；膜盒；過盈量設計;仿真分析

0 引言

機械密封廣泛應用于石油、化工、航海、航空、航天以及核電工業(yè)等領域[1-2]。高性能機械密封可提高設備工作與運行效率、可靠性、安全性、環(huán)保性，并可延長設備工作和使用壽命，降低能耗[3]。機械密封是一種軸向端面動密封裝置，該密封由動環(huán)、靜環(huán)、膜盒、彈簧、液封輪、阻尼帶、密封殼體以及輔助密封等組成。動環(huán)和靜環(huán)摩擦副預緊力由膜盒彈性元件提供，以確保密封靜態(tài)時處于有效密封狀態(tài)。在機械密封處于工作狀態(tài)時，依靠動環(huán)、靜環(huán)、膜盒、彈簧、液封輪、阻尼帶、密封殼體以及輔助密封等之間的相互作用來實現(xiàn)并完成動密封功能。液體火箭發(fā)動機一般采用膜盒式機械密封，密封工作壓力為1.5～3.5 MPa，工作溫度為-253～+600℃，密封線速度V＜60 m/s，該密封補償性能好，抗振動能力強，密封性能優(yōu)良，其靜環(huán)結構-石墨與不銹鋼端面塊座采用過盈配合壓裝聯(lián)接，有效地提高了石墨靜環(huán)的整體強度，減小了力變形和熱變形對密封的影響[4-7]。本文基于膜盒式機械密封理論和ANSYS仿真軟件平臺，研究、分析、仿真和計算了膜盒式機械密封密封材料、密封結構、密封性能、密封比壓、泄漏量等之間的關系以及不同過盈量下，端面塊接觸應力與變形量之間的關系，得到膜盒式機械密封設計準則。

1 發(fā)動機對密封的設計要求

發(fā)動機對膜盒式機械密封的設計要求見表1。

2 密封結構與工作原理

機械密封主要由端面摩擦副、彈性元件、輔助密封、傳動件等組成，各基本單元的工作原理和作用為[8]：

1)密封端面摩擦副動、靜環(huán)依靠密封裝置中的彈性元件在密封處于靜態(tài)和工作過程中可使密封端面緊密貼合，以防止介質泄漏。為此，要求動、靜環(huán)應具有良好的耐磨性；靜環(huán)沿軸向要求可靈活移動，以自動補償密封端面的摩擦與磨損，使之與動環(huán)始終保持良好的貼合狀態(tài)；動環(huán)浮動性要好，以實現(xiàn)并完成緩沖功能。

2)密封彈性元件有彈簧、波紋管、膜盒等，主要為密封提供軸向預緊、補償和緩沖作用，彈性元件在密封處于靜態(tài)和工作過程中必須始終能夠提供足夠的彈性和彈力以克服輔助密封和傳動件的摩擦、動環(huán)的慣性作用，保證密封端面摩擦副能夠處于良好的貼合狀態(tài)、動環(huán)能夠處于良好的動態(tài)追隨狀態(tài)。

3)輔助密封有橡膠O形密封圈、V形密封環(huán)、U形密封環(huán)和異形薄壁金屬密封環(huán)等，主要完成機械密封與泵、旋轉軸接口處的密封以及靜密封。

4)傳動件有傳動銷、傳動環(huán)等，其作用主要是將旋轉軸的轉矩傳遞給動環(huán)，隨之帶動動環(huán)作旋轉機械運動，機械密封則處于工作狀態(tài)。

機械密封動、靜環(huán)密封件表面具有一定的平面度和表面粗糙度，在機械密封處于工作狀態(tài)時，密封摩擦副端面之間通常是以微凸體的形貌處于接觸狀態(tài)，此時，密封摩擦副端面之間存在一定的間隙，該間隙用公式 (1)進行計算。正是由于該微觀間隙的存在，機械密封處于工作狀態(tài)時，在介質壓力的作用下，密封介質可充滿該間隙并形成具有一定剛度的流體膜，該流體膜在密封摩擦副之間起到了流體潤滑作用，并有效地完成了密封功能。

式中：h為密封摩擦副端面間隙；hst為密封靜間隙；hdyn為動壓間隙；Ry1，Ry2分別為動、靜環(huán)的輪廓最大高度；Ra1、Ra2分別為動、靜環(huán)的表面粗糙度輪廓算術平均偏差；k為無因次系數(shù)；Rz為密封面微觀平面度十點平均高度；μ為密封介質動力粘度；V為密封端面平均周速；Pg為密封面比載荷；n為指數(shù)。

膜盒式機械密封，主要由膜盒式靜環(huán)組件、動環(huán)等組成，膜盒式靜環(huán)組件主要由膜盒、端面塊和后環(huán)等組成，其中端面塊由端面塊座(9Cr18)和石墨環(huán)過盈壓裝而成，圖1為膜盒式機械密封結構示意圖。膜盒式機械密封工作時，密封在介質壓力 (即端面比壓)作用下，使密封面緊密貼合，并自動補償石墨的摩擦與磨損，從而實現(xiàn)有效密封。

3 仿真模擬

采用ANSYS軟件平臺仿真模擬計算膜盒式靜環(huán)組件在不同過盈量下端面塊接觸應力與變形量之間的關系。ANSYS軟件平臺是通用有限元模擬分析軟件，可用于模擬復雜工況下的動態(tài)沖擊、金屬成型、螺栓聯(lián)接、工件裝配、過盈配合等。運用ANSYS面－面接觸分析模塊Contact-Pressure可模擬過盈裝配問題。

端面塊座和石墨環(huán)在常溫下的物性參數(shù)見表2。

3.1 基本假設

采用ANSYS軟件平臺仿真模擬計算膜盒式靜環(huán)組件端面塊過盈連接的應力和應變場分析時，為了簡化處理，進行以下基本假設：

1)金屬材料為各向同性，石墨材料為各向異性，不考慮機械加工導致的材料表面硬化、粗糙、殘余應力等因素；

2)端面塊座為目標面 (剛性)，石墨環(huán)為接觸面 (柔性)；

3)過盈壓裝時，石墨環(huán)和端面塊座配合均勻，石墨無剝落；

4)作用在接觸面上的摩擦力滿足庫倫定律；

5)接觸表面是連續(xù)平滑的。

3.2 接觸面條件基本方程

對于接觸問題，其界面接觸狀態(tài)可分為分離、黏結接觸和滑動接觸，不同接觸情況下，接觸面的位移和力的條件各不相同[9]。本文所涉及的接觸面條件基本方程如下：

1)局部位移、應變和應力矢量：

2)力和位移邊界條件：

分離狀態(tài)

黏結接觸狀態(tài)

3)接觸狀態(tài)判定條件：

表3列出了接觸狀態(tài)的判定條件。

3.3 仿真模型與網格劃分

膜盒式靜環(huán)組件端面塊為軸對稱結構，建立軸對稱模型，采用PLANE182單元進行網格劃分，模型中石墨環(huán)與金屬環(huán)存在三種接觸狀態(tài)：邊界a～b為過盈接觸、邊界b～c為線線接觸、邊界c～d為間隙接觸，如下圖2(a)所示。目標單元和接觸單元分別采用target169和contact172單元模擬，采用設置不同的限定接觸類型，建立三種不同接觸結構模型進行仿真分析計算。仿真分析流程框圖見圖2(b)。

圖2是仿真分析計算模型邊界示意圖和仿真分析計算流程框圖。研究密封環(huán)與端面塊座在不同過盈量下，石墨環(huán)的變形趨勢和不同位置處過盈配合接觸壓強。仿真計算公式為：接觸點微分方程公式 (2)～公式 (3)、邊界條件控制方程公式(4)～公式 (5)。仿真計算時，首先，在材料參數(shù)中輸入密封環(huán)和端面塊座材料的熱物性參數(shù) (見表2)；其次，給模型施加位移載荷，上法蘭向下移動，使密封環(huán)處于預緊狀態(tài)，其余方向不加載荷，保持固定；最后，進行仿真計算，表3用于評判過盈配合狀態(tài)，評判密封環(huán)與端面塊座是否發(fā)生接觸，同時對密封環(huán)變形量和接觸應力進行計算。

3.4 仿真結果

通過計算，可以得出不同過盈量下，石墨環(huán)的變形趨勢和不同位置處過盈配合接觸壓強，見圖3。

分析過盈量為0.16 mm，0.18 mm和0.2 mm，石墨環(huán)的變形情況和與端面塊座的接觸壓強可知，過盈量在0.16～0.18 mm之間時，路徑b-a，石墨環(huán)整體變形較小，其變形量約為8×10-7mm，接觸壓強約為0.38～0.41 MPa，石墨未出現(xiàn)崩裂等現(xiàn)象；過盈量0.2 mm，石墨環(huán)整體變形上升至1.15×10-6mm，沿路徑b-a，石墨環(huán)變形依次減小，在b處，石墨內部出現(xiàn)崩裂，接觸壓強約為0.51 MPa。

4 膜盒式機械密封設計規(guī)范

4.1 材料介質相容性等級

液體火箭發(fā)動機用膜盒式機械密封工作在強腐蝕介質環(huán)境中，為此要求機械密封用金屬材料和非金屬材料都能夠具有良好的介質相容性，具體要求見表4。

4.2 材料選擇原則

密封摩擦副的摩擦磨損性能，直接影響著機械密封的工作情況，碳石墨是機械密封摩擦副軟面材料中用量最大、使用范圍最廣的基本材料，碳石墨材料具有獨特的自潤滑性和良好的導熱性，耐腐蝕性好、摩擦系數(shù)小、線膨脹系數(shù)低等特點，機械密封用碳石墨材料見表5。

基于碳石墨材料作為軟面摩擦副，常用的配對摩擦副有石墨-馬氏體不銹鋼、石墨-鍍鉻不銹鋼、填充玻璃纖維氟塑料-表面化學氣相沉積氧化鋁陶瓷不銹鋼、石墨-表面噴涂碳化鎢硬質合金等。

機械密封選用摩擦副時，材料參數(shù)超過材料極限值后，會造成密封面熱裂、介質泄漏等問題。根據液體火箭發(fā)動機膜盒式機械密封工作介質和工作工況，選擇浸漬金屬碳石墨與9Cr18動環(huán)配對為密封摩擦副。在文獻 [10]中，俄羅斯學者格魯別也夫教授認為密封環(huán)熱裂的主要原因是由于環(huán)內切向應力過大導致密封面出現(xiàn)細微徑向裂紋所致，由此推導出計算摩擦副最大許用PV值的公式

式中：λ為導熱系數(shù)，W/(m·K)；σβ為抗拉強度，Pa；a為線膨脹系數(shù)，1/K；E為彈性模量，Pa；f為摩擦系數(shù)；t為環(huán)厚，m；Th.SP為熱沖擊系數(shù)，kW/m，Th.SP=λσβ/(aE)。

浸漬金屬碳石墨的熱物性參數(shù)為：λ=45 W/ (m·K)；；f=0.3；t=0.01 m；a=6×10-6(1/K)；E=22 GPa。將它們帶入公式 (6)計算，可得：。

浸漬金屬碳石墨-9Cr18動環(huán)摩擦副的機械密封：在密封實際工作過程中，經過測量可知，密封端面比壓p=0.55 MPa，線速度V=44.5 m/s，由此可計算出，PV=24.5 MPa·m/s。該PV值小于摩擦副最大許用PV值［(PV)max=40.9 MPa·m/s］，說明浸漬金屬碳石墨-9Cr18動環(huán)摩擦副的機械密封工作是可靠的，摩擦副材料選擇是正確的。浸漬金屬碳石墨的物理性能參數(shù)見表5。

4.3 膜盒式機械密封結構設計準則

1)端面塊過盈量

常溫狀態(tài)下端面塊過盈量△c與溫度t狀態(tài)下端面塊過盈量Δt，滿足關系式 (7)：

式中：d1t和d1c分別為溫度t和常溫下石墨環(huán)外徑；d2t和d2c分別為溫度t和常溫下端面塊座內徑。

2)其它結構尺寸

密封凸臺高度h選?。嚎紤]了石墨磨損量和石墨受介質壓力引起彎曲變形等因素后，密封凸臺高度h的選取范圍為1 mm≤h≤2 mm；

密封環(huán)帶直徑選取遵循關系式

動環(huán)厚度選取范圍為5～10 mm。

4.4 膜盒式機械密封性能參數(shù)設計準則

1)載荷系數(shù)Ki與K0根據公式 (9)計算：

式中：Ki為受內壓時的載荷系數(shù)；K0為受外壓時的載荷系數(shù)；de為膜盒受力處于平衡狀態(tài)下的直徑；D1為石墨環(huán)內徑；D2為石墨環(huán)外徑。

2)膜盒剛度ΚB根據公式 (10)進行計算：

式中：t為膜片厚度；w為膜片寬度；E為膜片材料的彈性膜量；n為膜片波數(shù)；d1′為膜片內徑；d2′為膜片外徑。

3)端面比壓Pc根據公式 (11)進行計算：

式中：Ps為膜盒彈力；pF為封液介質壓力；p為介質壓力；λF為封液介質所引起的液膜反壓系數(shù)；λ為密封介質所引起的液膜反壓系數(shù)。

4)回流流量Qf根據公式 (12)進行計算：

式中：f為摩擦系數(shù)；Pg為比載荷；V為端面平均滑移速度；Af為端面工作面積；C為密封介質比熱；ρ為密封介質密度；Δt為密封工作前后的平均溫差。

5 膜盒式機械密封試驗與驗證

5.1 膜盒式靜環(huán)組件仿真結果理論驗證

膜盒式機械密封靜環(huán)組件石墨與不銹鋼靜環(huán)座在過盈配合下壓裝成一體，構成端面塊。端面塊與膜盒、后環(huán)等部件通過焊接形成一個靜環(huán)組件。該組件在密封工作過程中，必須完整，不能發(fā)生失穩(wěn)、出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象；另外，要確保所傳遞的扭矩足以克服密封轉運過程中的摩擦力矩。膜盒式靜環(huán)組件端面塊受力分析結果見圖4。

利用ANSYS有限元軟件平臺面-面接觸分析模塊ContactPressure仿真分析、計算結果和公式(13)可計算出不同過盈量下端面塊石墨環(huán)的預緊力F1，計算結果見表6。

式中：T為端面塊扭矩；pM為包容件與被包容件配合面上接觸壓強；df為配合直徑；lf為配合長度；μ為連接處材料摩擦副摩擦因數(shù)；F1為石墨環(huán)預緊力；dav為石墨環(huán)等效直徑。

液體火箭發(fā)動機渦輪泵用膜盒式靜環(huán)組件在正常工作過程中，作用在石墨環(huán)密封面上的正壓力為0.5～0.6 MPa，有效作用面積為160 mm2，根據公式 (14)，可計算出石墨環(huán)密封面的摩擦力F2：

式中：F2為石墨環(huán)密封面的摩擦力，N；μ為摩擦系數(shù)，取μ=0.1；pc為端面比壓，取pc=0.55 MPa；A為環(huán)帶面積，A=160 mm2。將該組數(shù)據帶入公式 (14)，計算可得： F2=8.8 N。由此可見，F(xiàn)1＞＞F2，即端面塊在過盈量為0.16 mm和0.18 mm時，端面塊石墨與不銹鋼靜環(huán)座過盈連接所產生的扭矩在密封工作過程中足以消除石墨環(huán)發(fā)生轉動或者脫落的可能性，膜盒式機械密封將會平穩(wěn)、可靠地工作。從而說明：利用ANSYS有限元軟件平臺面-面接觸分析模塊Contact-Pressure仿真分析、計算膜盒式靜環(huán)組件端面塊在過盈連接狀態(tài)下的應力、應變場分布與變形量之間的關系是合理和正確的，仿真分析計算結果是正確的。

5.2 膜盒式機械密封試驗

根據膜盒式機械密封設計規(guī)范進行密封設計，選取浸漬金屬碳石墨-9Cr18不銹鋼動環(huán)為摩擦副，浸漬金屬碳石墨與9Cr18不銹鋼靜環(huán)座采用過盈配合壓裝成為一體，構成端面塊，端面塊與膜盒、后環(huán)等部件進行焊接構成膜盒式靜環(huán)組件。浸漬金屬碳石墨與9Cr18不銹鋼靜環(huán)座壓裝過盈量為0.16～0.18 mm，該過盈量滿足關系式(7)；端面塊和膜盒式靜環(huán)組件完成了常溫靜態(tài)氣密試驗，試驗結果見表7。端面塊、膜盒式靜環(huán)組件通過氣密試驗并達到設計要求后，將靜環(huán)組件、動環(huán)、密封彈性元件、輔助密封、傳動件等部件裝配成膜盒式機械密封。將膜盒式機械密封裝入圖5所示的膜盒式機械密封介質運轉試驗系統(tǒng)密封試驗器中，進行膜盒式機械密封密封性能試驗。對膜盒式機械密封通過介質試驗進行考核和抽檢驗收，試驗結果見表7。滿足設計要求的膜盒式機械密封安裝于液體火箭發(fā)動機渦輪泵之中。發(fā)動機進行了地面熱試車，對發(fā)動機和膜盒式機械密封進行地面熱試車考核。發(fā)動機在1 100 s試車過程中，膜盒式機械密封工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)漏氣、漏液等現(xiàn)象。發(fā)動機試車結束后，對膜盒式機械密封進行分解。分解后發(fā)現(xiàn)：膜盒式機械密封結構完整，摩擦副對摩區(qū)域光滑，石墨磨損量較小。

由表7可知，采用上述設計準則設計的端面塊、膜盒式靜環(huán)組件和膜盒式機械密封，常溫靜態(tài)氣密試驗和運轉試驗結果滿足設計要求。發(fā)動機熱試車結果表明：膜盒式機械密封設計和運轉指標達到了表1液體火箭發(fā)動機對膜盒式機械密封的設計要求。表明采用膜盒式機械密封理論與經驗，通過研究膜盒式機械密封密封材料、密封結構、密封性能、密封比壓、泄漏量等之間的關系，采用ANSYS有限元軟件平臺面－面接觸分析模塊Contact-Pressure仿真分析與計算膜盒式靜環(huán)組件在過盈配合壓裝條件下的應力、應變場分布與變形量之間的關系，所得出的膜盒式機械密封設計準則是正確的。采用該設計準則設計的膜盒式機械密封已經用于某戰(zhàn)略彈道導彈武器系統(tǒng)用液體火箭發(fā)動機之中，該發(fā)動機已經通過了地面熱試車考核。

6 結論

根據膜盒式機械密封理論與經驗，研究分析了膜盒式機械密封密封材料、密封結構、密封性能、密封比壓、泄漏量等之間的關系。采用ANSYS有限元軟件平臺面-面接觸分析模塊Contact-Pressure仿真分析與計算了膜盒式靜環(huán)組件在過盈配合壓裝條件下的應力、應變場分布與變形量之間的關系，得出了的膜盒式機械密封密封材料選擇、結構、靜環(huán)組件、密封性能參數(shù)設計準則。采用該準則，選取浸漬金屬碳石墨-9Cr18不銹鋼動環(huán)為摩擦副，浸漬金屬碳石墨與9Cr18不銹鋼靜環(huán)座壓裝過盈量為：0.16～0.18 mm之間，此時，浸漬金屬碳石墨變形量小、接觸應力均勻，端面塊石墨與不銹鋼靜環(huán)座過盈連接所產生的扭矩在密封工作過程中足以消除石墨環(huán)發(fā)生轉動或者脫落的可能性，膜盒式機械密封工作平穩(wěn)、可靠。端面塊、膜盒式靜環(huán)組件、膜盒式機械密封常溫靜態(tài)氣密、介質運轉試驗以及安裝有該膜盒式機械密封的液體火箭發(fā)動機地面熱試車結果表明：膜盒式機械密封理論研究與分析、ANSYS有限元軟件平臺面-面接觸分析模塊Contact-Pressure仿真分析與計算方法是合理和正確的，膜盒式機械密封密封材料選擇、結構、靜環(huán)組件、密封性能參數(shù)設計準則是合理和正確的。采用該設計準則設計的膜盒式機械密封已經用于某戰(zhàn)略彈道導彈武器系統(tǒng)用液體火箭發(fā)動機之中，該發(fā)動機已經通過了地面熱試車考核。

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（編輯：王建喜）

Design of bellows-type mechanical seal

ZHANG Feng,NING Jianhua,ZHAO Weigang,WANG Liang
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Based on the design theory and experience of bellows-type mechanical seal,the relationship among sealing material,sealing structure,sealing performance,sealing pressure and leakage of the bellows-type mechanical seal is researched in this paper.The simulation analysis and calculation of the relationship of deformation with stress and strain field distribution of end face block of the bellows-type stationary seal ring under the condition of interference fit are conducted based on surface-surface contact analysis module Contact Pressure on ANSYS finite element software platform. The design criteria for parameters of structure and sealing performance,and selection of seal material and static ring components of the bellows-type mechanical seal were obtained,in which the interference quantity of end block is 0.16～0.18 mm.The bellows-type mechanical seal designed with the design criterion has been used in the liquid rocket engine of a certain strategic ballistic missile weapon system.The engine has passed the assessment ofthe ground hot firingtest.

mechanical seal;bellows;magnitude design of interference;simulation analysis

V434-34

A

1672-9374(2016)06-0048-09

2016-01-11；

2016-03-17

張峰（1986—），男，碩士，研究領域為液體火箭發(fā)動機密封設計