面向動環加工工藝的低溫端面密封試驗研究

王洪福，董麗雙，蘇衛民，李 晗，王晨光

面向動環加工工藝的低溫端面密封試驗研究

王洪福，董麗雙，蘇衛民，李 晗，王晨光

（北京航天動力研究所，北京，100076）

某型號發動機作為長征八號運載火箭的二級發動機，其渦輪泵中采用端面密封的結構形式，為了確保端面密封性能，需對其進行低溫端面密封試驗。其中某端面密封中動環的動壓槽加工合格率一直很低，為了適應高密度的發射需求，需對某端面密封的動環加工工藝進行改進。介紹了某動環的結構及其動壓槽的不同加工工藝的特點，并對不同加工工藝的動壓槽的微觀形貌進行測量，采用理論仿真及地面試驗相結合的方式，對改進工藝后的端面密封性能進行評價。經試驗驗證，不同加工工藝的動環對低溫密封性能有較大的影響，這為今后動環的設計及加工改進提供了借鑒意義。

端面密封；動壓槽；密封性能

0 引 言

氫氧火箭發動機渦輪泵動密封系統對火箭發射的成功尤為重要，渦輪泵被譽為液體火箭發動機的心臟，其動密封結構在發動機工作中發揮著重要的作用[1]。渦輪泵中動密封失效將會引起推進劑泄漏、推力不足，甚至會導致氧化劑和燃料混合發生爆炸[2]。在氫氧火箭發動機地面試驗、試車和飛行過程中多次出現過渦輪泵動密封的故障問題。

目前針對端面密封的研究，國內外很多學者均對機械密封的結構設計及其性能分析展開了較為深入的研究。陳銀等[3]提出一種斜線槽上游泵送機械密封，運用正交試驗法設計上游泵送機械密封試驗方案，分析各個試驗參數對密封端面開啟力和泄漏量的影響。張國淵等[4]得出考慮密封副固體、被密封流體、彈性補償支撐單元等在內的熱、流、固、力耦合的密封綜合性能求解模型，對低溫、低黏度潤滑介質的機械密封的運轉性能進行分析并優化關鍵結構參數。時禮平[5]利用試驗機對不同類型織構化機械端面密封性能的理論進行研究。俞樹榮等[6]采用基于LabVIEW的測試平臺對影響端面密封性能的參數（泄漏量、功耗、膜壓）和端面穩定性參數（膜厚及振動位移）進行測試，研究不同工況下壓力和轉速對端面參數的影響。

但是這些對端面密封的研究大多集中在結構優化及失效分析上，忽略了對端面密封微小結構加工工藝的不同進行分析，以及不同加工工藝在低溫端面密封試驗中的性能表現。某型號為了提高動環加工的效率，對其加工工藝進行改進。為了確保密封性能的可靠性，本文基于低溫端面密封試驗系統，針對動環加工工藝的不同進行研究，同時采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析以及低溫端面密封試驗相結合的方式，對不同工藝引起低溫密封性能的影響進行了研究。

1 動環的結構及加工工藝

本文研究的動環為某型號氧渦輪泵的機械密封零件，其作用為防止氧化劑泄漏過大，保持穩定的密封效果。研究的動密封為內流式、流動動壓式機械密封，動環密封面開設有周向雷列槽，雷列槽分為雷列深槽、雷列淺槽。深槽具有引流功能，亦稱為導流槽；淺槽起到動壓效果，稱為動壓槽。動壓槽工作時產生的動壓力使得密封面位置形成穩定的、剛度極好的流體動壓液膜，從而將密封介質作為潤滑劑并保證動環與靜環端面的直接接觸，減小動、靜環端面的摩擦磨損，以適應高壓、高轉速的工況[7]。端面密封結構見圖1。

圖1 端面密封結構示意

動環動壓槽的結構示意如圖2所示，動環的材質為鎳基高溫合金GH4169，動環表面加工有6個圓周分布的雷列槽，其動壓槽主體尺寸為寬約1 mm，深度為0.015～0.029 mm。

圖2 動環動壓槽的結構示意

動環雷列槽的加工工藝原采用電解刻蝕加工。電解刻蝕加工是將電解加工和光刻技術相結合的特種加工工藝[8]，其加工工藝繁瑣，工藝可控性差。由于動環零件加工部位電力線分布及加工區電解液流場分布無法準確控制，且導流槽、動壓槽加工區濃差極化的存在，使動環零件表面不同部位的腐蝕速度不一致，導致電解刻蝕后的動環質量不穩定[8]。

航天發射任務的增加對產品的生產效率和質量提出了更高的要求，為此需解決阻礙動環生產效率的瓶頸問題，采用新的加工工藝對動壓槽進行加工迫在眉睫，飛秒激光加工是一種選擇。

通過CHICHKOV等[9]對納秒、皮秒及飛秒脈沖激光在鋼片上進行打孔試驗證明，飛秒激光加工可獲得邊緣光滑的圓孔，加工質量優越。飛秒激光加工原理為：在極短的時間內將極高的能量傳遞給材料，在極短時間內使材料的電子溫度達到極高值并將能量傳遞給晶格。由于脈沖時間極短，脈沖作用材料的溫度還來不及提高，脈沖作用已經結束，周圍仍處于“冷”狀態，熱影響區較小。飛秒脈沖可以突破光束的衍射極限。因此，飛秒激光加工可以實現真正的亞微米甚至納米級別的超微細加工[10]。

為了對比兩種加工工藝的特點，分別采用電解刻蝕技術和飛秒激光技術對動環進行加工，并對加工后動環的微觀形貌進行分析。

2 微觀形貌測量

本文采用洛陽軸承研究所的XM-200型表面形貌測量儀對動環的動壓槽輪廓進行測量。XM-200型表面形貌測量儀采用觸針式接觸法測量原理[11]，將差動電感傳感器測頭接觸被測量部位，沿單一方向拾取表面輪廓變化信號。電感傳感器由電機-滾珠絲桿系統驅動，采用光柵進行位置測量，光柵靈敏性達0.5 μm以內，差動電感傳感器測量靈敏度高達0.01 μm以內，測試系統將電感傳感器、光柵的位移系統經處理后得到所測量的輪廓。用表面形貌測量儀分別對電解刻蝕及飛秒激光加工動環的動壓槽沿徑向進行測量，動壓槽輪廓測量方向如圖3所示。

圖3 動壓槽輪廓測量方向

分別對電解刻蝕、飛秒激光加工動環的周向6個動壓槽進行測量，每個動環動壓槽槽深的波動情況對比如圖4、圖5所示。

圖4 電解刻蝕動壓槽的槽深

圖5 飛秒激光加工動壓槽的槽深

對采用電解刻蝕及飛秒激光加工方法的動壓槽底部進行放大觀察發現：電解刻蝕加工的動壓槽呈現邊緣部位明顯凹陷的形狀，圖6為某一動壓槽電解刻蝕的輪廓圖，中間凸點深度約為13.85 μm，兩側凹處深度逐漸深至31～36 μm。飛秒激光加工的動壓槽的邊緣整齊，深度較為一致，約為19.4～23.55 μm，見圖7。

通過對電解刻蝕、飛秒激光加工的動環的動壓槽尺寸及形貌進行對比，發現采用飛秒激光加工的動環動壓槽的輪廓更加平整，加工一致性更好，更符合設計圖紙的要求。

圖6 電解刻蝕動壓槽的輪廓

圖7 飛秒激光加工動壓槽的輪廓

3 低溫端面密封試驗

3.1 試驗設計

為了驗證不同加工工藝動環在低溫端面密封試驗中的密封性能，需對不同加工工藝的動環進行低溫端面密封試驗。該試驗基于某型號低溫高速密封試驗系統開展，試驗介質為液氮，低溫密封試驗系統見圖8。該試驗系統通過電機-齒輪箱驅動試驗裝置高速旋轉，采用氣源對液氮進行加壓，使密封腔的壓力達到試驗工況。通過在泄漏腔測量泄漏的液氮以及測量試驗后靜環組件石墨凸臺的磨損量，來評定被試產品的低溫密封性能。其試驗參數與實際工況保持一致，具體試驗參數見表1。

圖8 低溫高速端面密封試驗系統

表1 臺架試驗工況設計及采集系統參數

Tab.1 Parameters of running test and acquistion system

參數數值參數數值 設定密封腔壓力/MPa1.8采集密封腔壓力范圍/MPa0～3.5 設定主軸轉速轉·min-120000采集密封腔溫度范圍/℃-200～50

續表1

參數數值參數數值 設定膜盒壓縮量/mm2.6～3.0采集泄漏量范圍L·min-10～100 允許泄漏量范圍L·min-1<60采集主軸轉速范圍轉·min-10～45000 運轉時間/min5——

為了保證低溫運轉試驗的可比性，本試驗采用同一批次的靜環組件、動環進行試驗。動環為上文所用的微觀形貌測量的動環，假設同一批次動環的動壓槽深度以及同一批次靜環組件的性能無差別。該試驗存在兩個因素[12]：不同加工工藝（A、B）；靜環組件不同的壓縮量（C），壓縮量分為大、中、小3個級別。由于試驗中靜環組件壓縮量的調整墊的規格限制，不同加工工藝同一級別的壓縮量不能完全一致。每次試驗前對動環、靜環組件進行研磨，以保證表面的一致性，并在臺架試驗前對靜環組件石墨凸臺的高度進行測量。參加低溫端面密封試驗的產品組別見表2。

表2 參加臺架試驗的產品組別設置

Tab.2 Groups setting of running test

試驗序號動環狀態動環編號靜環組件編號壓縮量/mm 1#飛秒激光加工A1C12.68 2#A2C22.72 3#A3C32.85 4#電解刻蝕加工B1C32.69 5#B2C22.75 6#B3C12.93

3.2 試驗結果

采用表2設計的兩種狀態的動環進行低溫運轉試驗，經低溫臺架運轉對泄漏量進行測量，并再次測量運轉后的靜環組件石墨凸臺的高度并計算其磨損量，其結果見表3。

表3 運轉試驗結果

Tab.3 Result of running test

試驗序號動環狀態動環編號靜環組件編號壓縮量mm泄漏量均值L·min-1磨損量mm 1#飛秒激光加工A1C12.6844.890 2#A2C22.7232.080.058 3#A3C32.8523.460.134 4#電解刻蝕加工B1C32.691000 5#B2C22.7575.270 6#B3C12.9335.560

經低溫端面密封運轉試驗表明：隨著壓縮量的增大，泄漏量呈逐漸遞減的趨勢；在同級別壓縮量下，飛秒激光動環的泄漏量較電解刻蝕的較小，但靜環組件石墨凸臺的磨損量較大。導致該試驗結果的原因可能是由于電解刻蝕實際加工的動壓槽更淺，動壓效應強、開啟力比飛秒激光大，當密封的閉合力不變時，飛秒激光的動環及靜環組件間的液膜減薄，則泄漏量減小，靜環組件石墨凸臺的磨損可能性增加。

4 密封性能仿真分析

為了探討不同加工工藝、不同動壓槽的槽深對端面密封性能的影響，采用CFD軟件開展仿真分析。

根據微觀形貌測量的結果，對電解刻蝕、飛秒激光加工的動環與靜環組件間的液膜建立三維模型。電解刻蝕加工所產生的液膜在動壓槽區域會產生邊緣凸起，如圖9所示。飛秒激光加工的液膜在動壓槽區域則進行等厚處理，如圖10所示。

圖9 電解刻蝕加工液膜單周期三維模型

圖10 飛秒激光加工液膜單周期三維模型

為了便于評價，只針對動環與靜環組件之間的液膜膜厚為1 μm情況下的液膜開啟力、液氮泄漏量進行研究分析，參與仿真分析的端面密封結構及邊界條件如表4所示。

表4 端面密封仿真邊界條件

Tab.4 Boundary parameters of the face seal

參數數值 動壓槽深度/μm10，15，20，25 流體介質液氮 進介質壓力/MPa1.8 出介質壓力/MPa0.1 旋轉轉速/（轉·min-1）20000

不同加工工藝、不同槽深的雷列槽端面流場壓力分布如圖11、圖12所示。隨著動壓槽槽深減小，壓力逐漸增大，且飛秒激光加工的壓力要高于電解刻蝕的壓力分布，壓力越大產生的動壓效應越強。

圖11 電解刻蝕加工動環在20000轉/min、1.8MPa下端面壓力分布

圖12 飛秒激光加工動環在20000轉/min、1.8MPa下端面壓力分布

續圖12

同一種工藝的動環，隨著槽深的增加，動環開啟力逐漸減小，如圖13所示。槽深相同時，飛秒激光加工的動環開啟力大于電解刻蝕的動環。同一種工藝的動環，隨著槽深的增加，介質泄漏量逐漸減小，如 圖14所示。槽深相同時，飛秒激光動環的泄漏量大于電解刻蝕動環的泄漏量。

圖13 不同加工工藝、不同槽深的開啟力變化規律

圖14 不同加工工藝不同槽深的泄漏量變化規律

綜合以上說明，槽深越淺，流體動壓效應越強，開啟力越大，液膜越厚，泄漏量越大。同時說明電解刻蝕的動環產生了邊緣凹坑，動壓槽不平整，削弱了動壓槽產生的流體動壓效應。

5 結 論

此次研究得出以下結論：

a）經對采用不同工藝的動環進行微觀形貌測量，發現飛秒激光加工較電解刻蝕加工的形貌更整齊、尺寸波動性更小，更加滿足批量生產的要求。

b）經低溫端面密封試驗證明，壓縮量越大，泄漏量越??；在同級別壓縮量下，由于電解刻蝕比激光飛秒加工動壓槽的槽深更淺，采用飛秒激光加工動環的密封性能更好，但由于其開啟力變小，石墨凸臺更容易磨損，因此若采用飛秒激光加工，可適當調整加工工藝參數，減小動壓槽的槽深。

c）經CFD仿真分析得出，隨著動壓槽槽深的增加，動環開啟力逐漸減小，泄漏量逐漸減??；在同種工況下，飛秒激光加工的動環開啟力大于電解刻蝕的，其泄漏量大于電解刻蝕的。

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Experimental Research on the Face Seal in Low Temperature for Machining Process of Rotation Ring

WANG Hongfu, DONG Lishuang, SU Weimin, LI Han, WANG Chenguang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)

A certain type of engine is the second-stage engine of the Long March 8 (LM-8) launch vehicle. The structure of face seal is applied to the turbine pump. The face seal running test is necessary to ensure the face sealing performance. The groove machining qualification rate of the rotation ring is always very low. In order to reach the requirement of high density launch, the machining process of the rotation ring is improved. The structure of the rotation ring and the characteristics of different machining process are introduced, and the difference is showed by measuring the micro morphology of the groove. The sealing performance of the face seal with different machining processes is evaluated by combining theoretical simulation and running test. The study shows that different machining processes of the rotation ring have a great impact on the low-temperature sealing performance, which provides a reference for the design and improvement of the rotation ring in the future.

face seal; groove; sealing performance

2097-1974(2023)02-0036-06

10.7654/j.issn.2097-1974.20230208

V434.21

A

2022-11-29；

2023-03-21

王洪福（1990-），男，工程師，主要研究方向為渦輪泵密封試驗設計。

董麗雙（1972-），女，高級工程師，主要研究方向為發動機冷態試驗設計。

蘇衛民（1971-），男，研究員，主要研究方向為發動機冷態試驗設計。

李 晗（1996-），男，助理工程師，主要研究方向為渦輪泵密封設計。

王晨光（1996-），男，助理工程師，主要研究方向為渦輪泵密封試驗設計。