膜盒式机械密封设计研究

张 峰，宁建华，赵伟刚，王 良

（西安航天动力研究所,陕西西安710100）

膜盒式机械密封设计研究

张 峰，宁建华，赵伟刚，王 良

（西安航天动力研究所,陕西西安710100）

基于膜盒式机械密封理论与经验，研究了膜盒式机械密封密封材料、密封结构、密封性能、密封比压、泄漏量等之间的关系。基于ANSYS有限元软件平台面－面接触分析模块Contact Pressure，仿真分析和计算了膜盒式静环组件在过盈配合压装条件下端面块应力、应变场分布与变形量之间的关系，得出了膜盒式机械密封密封材料选择、结构、静环组件、密封性能参数设计准则。在该准则中端面块过盈量选取范围为0.16-0.18 mm之间。采用该设计准则设计的膜盒式机械密封已经用于某战略弹道导弹武器系统用液体火箭发动机之中，该发动机已经通过了地面热试车考核。

机械密封；膜盒；过盈量设计;仿真分析

0 引言

机械密封广泛应用于石油、化工、航海、航空、航天以及核电工业等领域[1-2]。高性能机械密封可提高设备工作与运行效率、可靠性、安全性、环保性，并可延长设备工作和使用寿命，降低能耗[3]。机械密封是一种轴向端面动密封装置，该密封由动环、静环、膜盒、弹簧、液封轮、阻尼带、密封壳体以及辅助密封等组成。动环和静环摩擦副预紧力由膜盒弹性元件提供，以确保密封静态时处于有效密封状态。在机械密封处于工作状态时，依靠动环、静环、膜盒、弹簧、液封轮、阻尼带、密封壳体以及辅助密封等之间的相互作用来实现并完成动密封功能。液体火箭发动机一般采用膜盒式机械密封，密封工作压力为1.5～3.5 MPa，工作温度为-253～+600℃，密封线速度V＜60 m/s，该密封补偿性能好，抗振动能力强，密封性能优良，其静环结构-石墨与不锈钢端面块座采用过盈配合压装联接，有效地提高了石墨静环的整体强度，减小了力变形和热变形对密封的影响[4-7]。本文基于膜盒式机械密封理论和ANSYS仿真软件平台，研究、分析、仿真和计算了膜盒式机械密封密封材料、密封结构、密封性能、密封比压、泄漏量等之间的关系以及不同过盈量下，端面块接触应力与变形量之间的关系，得到膜盒式机械密封设计准则。

1 发动机对密封的设计要求

发动机对膜盒式机械密封的设计要求见表1。

2 密封结构与工作原理

机械密封主要由端面摩擦副、弹性元件、辅助密封、传动件等组成，各基本单元的工作原理和作用为[8]：

1)密封端面摩擦副动、静环依靠密封装置中的弹性元件在密封处于静态和工作过程中可使密封端面紧密贴合，以防止介质泄漏。为此，要求动、静环应具有良好的耐磨性；静环沿轴向要求可灵活移动，以自动补偿密封端面的摩擦与磨损，使之与动环始终保持良好的贴合状态；动环浮动性要好，以实现并完成缓冲功能。

2)密封弹性元件有弹簧、波纹管、膜盒等，主要为密封提供轴向预紧、补偿和缓冲作用，弹性元件在密封处于静态和工作过程中必须始终能够提供足够的弹性和弹力以克服辅助密封和传动件的摩擦、动环的惯性作用，保证密封端面摩擦副能够处于良好的贴合状态、动环能够处于良好的动态追随状态。

3)辅助密封有橡胶O形密封圈、V形密封环、U形密封环和异形薄壁金属密封环等，主要完成机械密封与泵、旋转轴接口处的密封以及静密封。

4)传动件有传动销、传动环等，其作用主要是将旋转轴的转矩传递给动环，随之带动动环作旋转机械运动，机械密封则处于工作状态。

机械密封动、静环密封件表面具有一定的平面度和表面粗糙度，在机械密封处于工作状态时，密封摩擦副端面之间通常是以微凸体的形貌处于接触状态，此时，密封摩擦副端面之间存在一定的间隙，该间隙用公式 (1)进行计算。正是由于该微观间隙的存在，机械密封处于工作状态时，在介质压力的作用下，密封介质可充满该间隙并形成具有一定刚度的流体膜，该流体膜在密封摩擦副之间起到了流体润滑作用，并有效地完成了密封功能。

式中：h为密封摩擦副端面间隙；hst为密封静间隙；hdyn为动压间隙；Ry1，Ry2分别为动、静环的轮廓最大高度；Ra1、Ra2分别为动、静环的表面粗糙度轮廓算术平均偏差；k为无因次系数；Rz为密封面微观平面度十点平均高度；μ为密封介质动力粘度；V为密封端面平均周速；Pg为密封面比载荷；n为指数。

膜盒式机械密封，主要由膜盒式静环组件、动环等组成，膜盒式静环组件主要由膜盒、端面块和后环等组成，其中端面块由端面块座(9Cr18)和石墨环过盈压装而成，图1为膜盒式机械密封结构示意图。膜盒式机械密封工作时，密封在介质压力 (即端面比压)作用下，使密封面紧密贴合，并自动补偿石墨的摩擦与磨损，从而实现有效密封。

3 仿真模拟

采用ANSYS软件平台仿真模拟计算膜盒式静环组件在不同过盈量下端面块接触应力与变形量之间的关系。ANSYS软件平台是通用有限元模拟分析软件，可用于模拟复杂工况下的动态冲击、金属成型、螺栓联接、工件装配、过盈配合等。运用ANSYS面－面接触分析模块Contact-Pressure可模拟过盈装配问题。

端面块座和石墨环在常温下的物性参数见表2。

3.1 基本假设

采用ANSYS软件平台仿真模拟计算膜盒式静环组件端面块过盈连接的应力和应变场分析时，为了简化处理，进行以下基本假设：

1)金属材料为各向同性，石墨材料为各向异性，不考虑机械加工导致的材料表面硬化、粗糙、残余应力等因素；

2)端面块座为目标面 (刚性)，石墨环为接触面 (柔性)；

3)过盈压装时，石墨环和端面块座配合均匀，石墨无剥落；

4)作用在接触面上的摩擦力满足库伦定律；

5)接触表面是连续平滑的。

3.2 接触面条件基本方程

对于接触问题，其界面接触状态可分为分离、黏结接触和滑动接触，不同接触情况下，接触面的位移和力的条件各不相同[9]。本文所涉及的接触面条件基本方程如下：

1)局部位移、应变和应力矢量：

2)力和位移边界条件：

分离状态

黏结接触状态

3)接触状态判定条件：

表3列出了接触状态的判定条件。

3.3 仿真模型与网格划分

膜盒式静环组件端面块为轴对称结构，建立轴对称模型，采用PLANE182单元进行网格划分，模型中石墨环与金属环存在三种接触状态：边界a～b为过盈接触、边界b～c为线线接触、边界c～d为间隙接触，如下图2(a)所示。目标单元和接触单元分别采用target169和contact172单元模拟，采用设置不同的限定接触类型，建立三种不同接触结构模型进行仿真分析计算。仿真分析流程框图见图2(b)。

图2是仿真分析计算模型边界示意图和仿真分析计算流程框图。研究密封环与端面块座在不同过盈量下，石墨环的变形趋势和不同位置处过盈配合接触压强。仿真计算公式为：接触点微分方程公式 (2)～公式 (3)、边界条件控制方程公式(4)～公式 (5)。仿真计算时，首先，在材料参数中输入密封环和端面块座材料的热物性参数 (见表2)；其次，给模型施加位移载荷，上法兰向下移动，使密封环处于预紧状态，其余方向不加载荷，保持固定；最后，进行仿真计算，表3用于评判过盈配合状态，评判密封环与端面块座是否发生接触，同时对密封环变形量和接触应力进行计算。

3.4 仿真结果

通过计算，可以得出不同过盈量下，石墨环的变形趋势和不同位置处过盈配合接触压强，见图3。

分析过盈量为0.16 mm，0.18 mm和0.2 mm，石墨环的变形情况和与端面块座的接触压强可知，过盈量在0.16～0.18 mm之间时，路径b-a，石墨环整体变形较小，其变形量约为8×10-7mm，接触压强约为0.38～0.41 MPa，石墨未出现崩裂等现象；过盈量0.2 mm，石墨环整体变形上升至1.15×10-6mm，沿路径b-a，石墨环变形依次减小，在b处，石墨内部出现崩裂，接触压强约为0.51 MPa。

4 膜盒式机械密封设计规范

4.1 材料介质相容性等级

液体火箭发动机用膜盒式机械密封工作在强腐蚀介质环境中，为此要求机械密封用金属材料和非金属材料都能够具有良好的介质相容性，具体要求见表4。

4.2 材料选择原则

密封摩擦副的摩擦磨损性能，直接影响着机械密封的工作情况，碳石墨是机械密封摩擦副软面材料中用量最大、使用范围最广的基本材料，碳石墨材料具有独特的自润滑性和良好的导热性，耐腐蚀性好、摩擦系数小、线膨胀系数低等特点，机械密封用碳石墨材料见表5。

基于碳石墨材料作为软面摩擦副，常用的配对摩擦副有石墨-马氏体不锈钢、石墨-镀铬不锈钢、填充玻璃纤维氟塑料-表面化学气相沉积氧化铝陶瓷不锈钢、石墨-表面喷涂碳化钨硬质合金等。

机械密封选用摩擦副时，材料参数超过材料极限值后，会造成密封面热裂、介质泄漏等问题。根据液体火箭发动机膜盒式机械密封工作介质和工作工况，选择浸渍金属碳石墨与9Cr18动环配对为密封摩擦副。在文献 [10]中，俄罗斯学者格鲁别也夫教授认为密封环热裂的主要原因是由于环内切向应力过大导致密封面出现细微径向裂纹所致，由此推导出计算摩擦副最大许用PV值的公式

式中：λ为导热系数，W/(m·K)；σβ为抗拉强度，Pa；a为线膨胀系数，1/K；E为弹性模量，Pa；f为摩擦系数；t为环厚，m；Th.SP为热冲击系数，kW/m，Th.SP=λσβ/(aE)。

浸渍金属碳石墨的热物性参数为：λ=45 W/ (m·K)；；f=0.3；t=0.01 m；a=6×10-6(1/K)；E=22 GPa。将它们带入公式 (6)计算，可得：。

浸渍金属碳石墨-9Cr18动环摩擦副的机械密封：在密封实际工作过程中，经过测量可知，密封端面比压p=0.55 MPa，线速度V=44.5 m/s，由此可计算出，PV=24.5 MPa·m/s。该PV值小于摩擦副最大许用PV值［(PV)max=40.9 MPa·m/s］，说明浸渍金属碳石墨-9Cr18动环摩擦副的机械密封工作是可靠的，摩擦副材料选择是正确的。浸渍金属碳石墨的物理性能参数见表5。

4.3 膜盒式机械密封结构设计准则

1)端面块过盈量

常温状态下端面块过盈量△c与温度t状态下端面块过盈量Δt，满足关系式 (7)：

式中：d1t和d1c分别为温度t和常温下石墨环外径；d2t和d2c分别为温度t和常温下端面块座内径。

2)其它结构尺寸

密封凸台高度h选取：考虑了石墨磨损量和石墨受介质压力引起弯曲变形等因素后，密封凸台高度h的选取范围为1 mm≤h≤2 mm；

密封环带直径选取遵循关系式

动环厚度选取范围为5～10 mm。

4.4 膜盒式机械密封性能参数设计准则

1)载荷系数Ki与K0根据公式 (9)计算：

式中：Ki为受内压时的载荷系数；K0为受外压时的载荷系数；de为膜盒受力处于平衡状态下的直径；D1为石墨环内径；D2为石墨环外径。

2)膜盒刚度ΚB根据公式 (10)进行计算：

式中：t为膜片厚度；w为膜片宽度；E为膜片材料的弹性膜量；n为膜片波数；d1′为膜片内径；d2′为膜片外径。

3)端面比压Pc根据公式 (11)进行计算：

式中：Ps为膜盒弹力；pF为封液介质压力；p为介质压力；λF为封液介质所引起的液膜反压系数；λ为密封介质所引起的液膜反压系数。

4)回流流量Qf根据公式 (12)进行计算：

式中：f为摩擦系数；Pg为比载荷；V为端面平均滑移速度；Af为端面工作面积；C为密封介质比热；ρ为密封介质密度；Δt为密封工作前后的平均温差。

5 膜盒式机械密封试验与验证

5.1 膜盒式静环组件仿真结果理论验证

膜盒式机械密封静环组件石墨与不锈钢静环座在过盈配合下压装成一体，构成端面块。端面块与膜盒、后环等部件通过焊接形成一个静环组件。该组件在密封工作过程中，必须完整，不能发生失稳、出现裂纹等现象；另外，要确保所传递的扭矩足以克服密封转运过程中的摩擦力矩。膜盒式静环组件端面块受力分析结果见图4。

利用ANSYS有限元软件平台面-面接触分析模块ContactPressure仿真分析、计算结果和公式(13)可计算出不同过盈量下端面块石墨环的预紧力F1，计算结果见表6。

式中：T为端面块扭矩；pM为包容件与被包容件配合面上接触压强；df为配合直径；lf为配合长度；μ为连接处材料摩擦副摩擦因数；F1为石墨环预紧力；dav为石墨环等效直径。

液体火箭发动机涡轮泵用膜盒式静环组件在正常工作过程中，作用在石墨环密封面上的正压力为0.5～0.6 MPa，有效作用面积为160 mm2，根据公式 (14)，可计算出石墨环密封面的摩擦力F2：

式中：F2为石墨环密封面的摩擦力，N；μ为摩擦系数，取μ=0.1；pc为端面比压，取pc=0.55 MPa；A为环带面积，A=160 mm2。将该组数据带入公式 (14)，计算可得： F2=8.8 N。由此可见，F1＞＞F2，即端面块在过盈量为0.16 mm和0.18 mm时，端面块石墨与不锈钢静环座过盈连接所产生的扭矩在密封工作过程中足以消除石墨环发生转动或者脱落的可能性，膜盒式机械密封将会平稳、可靠地工作。从而说明：利用ANSYS有限元软件平台面-面接触分析模块Contact-Pressure仿真分析、计算膜盒式静环组件端面块在过盈连接状态下的应力、应变场分布与变形量之间的关系是合理和正确的，仿真分析计算结果是正确的。

5.2 膜盒式机械密封试验

根据膜盒式机械密封设计规范进行密封设计，选取浸渍金属碳石墨-9Cr18不锈钢动环为摩擦副，浸渍金属碳石墨与9Cr18不锈钢静环座采用过盈配合压装成为一体，构成端面块，端面块与膜盒、后环等部件进行焊接构成膜盒式静环组件。浸渍金属碳石墨与9Cr18不锈钢静环座压装过盈量为0.16～0.18 mm，该过盈量满足关系式(7)；端面块和膜盒式静环组件完成了常温静态气密试验，试验结果见表7。端面块、膜盒式静环组件通过气密试验并达到设计要求后，将静环组件、动环、密封弹性元件、辅助密封、传动件等部件装配成膜盒式机械密封。将膜盒式机械密封装入图5所示的膜盒式机械密封介质运转试验系统密封试验器中，进行膜盒式机械密封密封性能试验。对膜盒式机械密封通过介质试验进行考核和抽检验收，试验结果见表7。满足设计要求的膜盒式机械密封安装于液体火箭发动机涡轮泵之中。发动机进行了地面热试车，对发动机和膜盒式机械密封进行地面热试车考核。发动机在1 100 s试车过程中，膜盒式机械密封工作稳定，未出现漏气、漏液等现象。发动机试车结束后，对膜盒式机械密封进行分解。分解后发现：膜盒式机械密封结构完整，摩擦副对摩区域光滑，石墨磨损量较小。

由表7可知，采用上述设计准则设计的端面块、膜盒式静环组件和膜盒式机械密封，常温静态气密试验和运转试验结果满足设计要求。发动机热试车结果表明：膜盒式机械密封设计和运转指标达到了表1液体火箭发动机对膜盒式机械密封的设计要求。表明采用膜盒式机械密封理论与经验，通过研究膜盒式机械密封密封材料、密封结构、密封性能、密封比压、泄漏量等之间的关系，采用ANSYS有限元软件平台面－面接触分析模块Contact-Pressure仿真分析与计算膜盒式静环组件在过盈配合压装条件下的应力、应变场分布与变形量之间的关系，所得出的膜盒式机械密封设计准则是正确的。采用该设计准则设计的膜盒式机械密封已经用于某战略弹道导弹武器系统用液体火箭发动机之中，该发动机已经通过了地面热试车考核。

6 结论

根据膜盒式机械密封理论与经验，研究分析了膜盒式机械密封密封材料、密封结构、密封性能、密封比压、泄漏量等之间的关系。采用ANSYS有限元软件平台面-面接触分析模块Contact-Pressure仿真分析与计算了膜盒式静环组件在过盈配合压装条件下的应力、应变场分布与变形量之间的关系，得出了的膜盒式机械密封密封材料选择、结构、静环组件、密封性能参数设计准则。采用该准则，选取浸渍金属碳石墨-9Cr18不锈钢动环为摩擦副，浸渍金属碳石墨与9Cr18不锈钢静环座压装过盈量为：0.16～0.18 mm之间，此时，浸渍金属碳石墨变形量小、接触应力均匀，端面块石墨与不锈钢静环座过盈连接所产生的扭矩在密封工作过程中足以消除石墨环发生转动或者脱落的可能性，膜盒式机械密封工作平稳、可靠。端面块、膜盒式静环组件、膜盒式机械密封常温静态气密、介质运转试验以及安装有该膜盒式机械密封的液体火箭发动机地面热试车结果表明：膜盒式机械密封理论研究与分析、ANSYS有限元软件平台面-面接触分析模块Contact-Pressure仿真分析与计算方法是合理和正确的，膜盒式机械密封密封材料选择、结构、静环组件、密封性能参数设计准则是合理和正确的。采用该设计准则设计的膜盒式机械密封已经用于某战略弹道导弹武器系统用液体火箭发动机之中，该发动机已经通过了地面热试车考核。

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（编辑：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

张峰（1986—），男，硕士，研究领域为液体火箭发动机密封设计