液体火箭发动机端面密封脱开压力理论计算及试验研究

魏芳胜 解 庆 戚鹏举 董 飞 王 力

液体火箭发动机端面密封脱开压力理论计算及试验研究

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（1.西安航天发动机有限公司，西安 710100；2. 西安航天动力研究所，西安 710100）

为了提高某型号液体火箭发动机涡轮泵端面密封脱开压力值的准确可靠性，提出一种基于弹力测试值理论计算脱开压力的方法，并研究出集充放气、气压检测、数据采集全过程一体化的脱开试验控制技术，采用自动化脱开试验系统对理论计算结果进行了试验验证，计算及试验结果表明，该理论计算方法及自动化脱开试验技术精确可行，提高了端面密封试验数据的稳定性和可靠性，能够有效保证液体火箭发动机的工作性能与寿命。

端面密封；脱开压力；自动化脱开试验

1 引言

端面密封是液体火箭发动机涡轮泵的重要部件之一，高可靠密封是保证发动机稳定燃烧的重要特性，其工作性能与发动机的可靠性和寿命密切相关[1]。某型号液体火箭发动机端面密封结构如图1所示，该密封不同于传统密封结构，为脱开式密封，位于氧泵高压壳体出口与主涡轮之间，在发动机起动前密封处于闭合状态，阻止氧泵预冷充填过程中的液氧进入涡轮腔；发动机起动时，随着氧泵转速的升高，密封前后压差达到一定程度后，密封迅速脱开，额定流量的液氧通过密封腔进入涡轮腔，阻止高温燃气进入氧泵内；发动机关机时，随着氧泵转速的降低，密封前后压差降低到一定程度后，密封关闭。脱开式端面密封动环材料为高强度不锈钢，静环材料为铜石墨，起动过程中，在高密封比压条件下摩擦运转，易导致静环表面温度急剧升高，材料软化，出现异常磨损[2]。

图1 端面密封结构示意图

若密封脱开压力过低，则在发动机起动前，密封已脱开，液氧泄漏，导致发动机无法正常起动；若密封脱开压力过高，则在发动机起动过程中，随着氧泵转速的升高，密封无法及时脱开，密封面处于长时间高速摩擦磨损状态，导致密封失效，无法满足发动机再次起动的要求。若关闭压力过高，则在发动机关机过程中，密封在较高转速下提前闭合，密封面处于长时间高速摩擦磨损状态，导致密封失效，无法满足发动机再次起动的要求。

因此，准确而稳定的脱开压力是保证端面密封正常工作的必要条件，在生产过程中必须对脱开压力进行精确控制，建立一套高效、精准的脱开压力试验方法。

2 脱开压力理论计算方法

2.1 脱开式端面密封

某型号液体火箭发动机脱开式端面密封主要包括动环、静环、V形环、U型密封环、蝶形垫及弹簧等，如图2所示，端面密封脱开前受弹簧力和U型密封环的摩擦力作用，动环与静环处于贴合状态；随着充气压力的增加，达到一定的压力（及脱开压力）后，动环与静环迅速分离。

图2 脱开式端面密封原理

2.2 脱开压力计算方法

3 自动化脱开试验技术

为了提高液体火箭发动机端面密封脱开试验的准确性及效率，开发了一套集充放气、气压检测、数据采集显示为一体的全自动化脱开试验系统，操作便捷，可对试验数据进行精准、高效地采集，同时具有实时显示试验数据变化曲线的功能，便于对数据进行分析与处理。

3.1 气路设计系统

端面密封自动化脱开试验系统工作原理如图3所示，试验时首先进入初始操作控制界面，然后输入产品型号，并选取自动试验方式；试验过程中，可随时点开压力曲线，观察试验参数情况；试验结束，可导出试验数据。

试验原理是先给蓄压器充压，然后关闭蓄压器入口的电磁气控阀，打开蓄压器出口的电磁阀，用蓄压器中氮气向端面密封给压，充分脱开和缓慢关闭，并通过数显压力表读取脱开压力值，同时可通过历史数据查询试验数据。整个试验过程通过控制程序全自动完成，一键式操作，提升了自动化水平，缩短了试验周期，简化了试验操作过程[3，4]。

图3 自动化脱开试验系统原理图

3.2 硬件系统

硬件主要由上位机计算机和下位机PLC组成，上位机用于人员操作、试验数据显示、试验参数管理、试验数据查询及曲线和报表的生成、管理下位机硬件的工作参数，由操作台上的显示器、打印机和工业计算机组成；下位机用于进行实时的试验数据采集和处理；上、下位机之间通过网线连接[5]。

3.3 软件系统

软件由下位机软件和上位机软件组成，如图4所示。下位机软件主要负责完成压力数据采集、处理和上传。下位机上电启动后，先加载网络参数，然后循环等待上位机的网络连接。网络连接后，首先接收到的是下位机硬件的设置参数，接收完毕后进行设置使设备正常运行。在保证所有设备正常运行后，开始循环数据采集、处理和上传。下位机的所有试验参数和所有设备参数均由上位机通过网络发送而来。

图4 软件系统

4 试验验证

为了验证该自动化脱开试验装置的准确性，针对一台端面密封产品进行了理论计算和试验验证。

4.1 脱开压力计算结果

在弹力试验机上，以密封装配后的高度为压缩量起始点进行弹力测试（密封装配允许压缩量为3mm），试验速度为1mm/min，分别测量密封压缩0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm时的弹力值为1122.0N、1247.1N、1385.0N、1510.0N、1640.0N，当压缩量达到2.5mm时，弹力试验机继续下压0.1mm后返回，测量返回过程中密封压量为2.5mm、2.0mm、1.5mm、1.0mm、0.5mm时的弹力值为1100.0N、972.0N、835.0N、707.1N、586.0N。

计算脱开压力：

其中，F=778N，=450.033mm2，2=59.8mm，1=54.8mm，d=62mm。

计算得到，Δ=2.39MPa。

4.2 自动化脱开试验验证

将上述计算符合要求的端面密封产品装入涡轮泵中，在自动化脱开试验系统上进行脱开试验，工作介质使用高纯氮气，采用自动试验模式，采样频率为0.2s/次，设定好蓄压器中充入压力后，点击开始按钮，试验系统首先缓慢向蓄压器中充压（充压速率为0.02MPa/s），到达设定压力值后试验系统自动关闭蓄压器入口的电磁气控阀，同时迅速打开蓄压器出口的电磁阀，氮气充入泵腔，端面密封被脱开，氮气持续排出，蓄压器中压力降低至一定值后涡轮端密封关闭。共进行了三次试验，通过试验系统自动采集数据，得出试验数据变化曲线如图5所示。

图5 三次脱开试验数据变化曲线

从脱开试验数据图来看，三次脱开试验脱开压力分别为2.416MPa、2.453MPa、2.462MPa，压力升降曲线呈规律性变化，一致性较好，并且与理论计算值的相对误差仅为1%～3%，表明该自动化脱开试验装置精度良好。

通过弹力测试的实测值计算U型密封环摩擦力，进而根据摩擦力计算脱开压力，所获得的脱开压力值准确可靠。采用自动化脱开试验技术可实现气压在管道中稳定传递、充放气速度均匀可控、试验压力值精准化采集与显示，端面密封试验脱开压力值与理论计算值基本一致，可有效避免由于脱开压力不符合要求而导致涡轮泵分解，V形环、碟形垫、U型环及轴承等产品报废形成的经济损失。

5 结束语

本文所述脱开压力计算方法及自动化脱开试验技术已在数次液体火箭发动机涡轮泵端面密封正式装配时投入使用，试验结果均在要求值范围内，并且已通过数次试车考核，得到了有效的试车验证。本文采用的先进理论方法与自动化技术手段提高了端面密封的一次装配成功率与效率，同时大大提升了发动机的可靠性，对于其它型号发动机端面密封装配质量及自动化水平的应用与提升具有较好的借鉴作用。

1 杨霞辉，王少鹏，侯宁涛．液体推进系统高温高压动密封发展趋势分析[J]. 火箭推进，2010，36(4)：31～35

2 孙玉霞，李双喜，李继和，等．机械密封技术[M]. 北京：化学工业出版社，2014

3 蔡茂林．固定容腔的充放气[J]. 液压气动与密封，2007(3)：43～47

4 龙飞，邢武，盛曾慰．气密性检测方法分析[J]. 液压气动与密封，2000(10)：35～37

5 王永华．现代电气控制及 PLC应用技术（第 2 版）[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008

Computation and Experimental Research of Face Seal off Pressure for Liquid Rocket Engine

Wei Fangsheng1Xie Qing2Qi Pengju1Dong Fei1Wang Li2

(1. Xi’an Space Engine Co., Ltd., Xi’an 710100; 2. Xi’an Aerospace Propulsion Institute, Xi’an 710100)

A method for calculating release pressure based on elastic test value theory is proposed, in order to improve the accuracy and reliability of pressure value for the turbopump face seal of a liquid rocket engine. The control technology of detachment test which integrates the whole process of gas collection, gas pressure detection and data acquisition has been developed. The experimental verification of theoretical calculation results is carried out by using automatic detachment test system. The calculation and test results show that the theoretical calculation method and the automatic detachment test technology are accurate and feasible, which can improve the stability and reliability of the test data of the end seal and effectively guarantee the working performance and life of the liquid rocket engine.

end-face seal；off pressure；automated detachment test

魏芳胜（1987），工程师，机械制造及其自动化专业；研究方向：液体火箭发动机涡轮泵制造及装配技术。

2019-05-15