液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究

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1、第42卷第2期2016年4月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．42．№．2Apr．2016液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究张树强，王良，陈杰(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：分析研究了液氧泵机械密封用金属波纹管在常温条件下轴向拉伸变形与金属波纹管自由高度和密封摩擦功耗之间的关系，在此基础上，研究归纳出了液氧泵机械密封用金属波纹管设计规范，采用该规范设计生产的金属波纹管已用于液氧／煤油发动机，该发动机已通过地面热试车考核。关键词：金属波纹管；液氧泵；机械密封；设计研究中图分类号：V414—34文献标识码：A文章编号

2、：1672—9374(2016)02—0053—06DesignresearchofmetalbellowsformechanicalsealinliquidoxygenpumpZHANGShuqiang，WANGLiang，CHENJie(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abstract：Therelationbetweenaxialtensiledeformationofmetalbellowsinliquidoxygenpumpinnormaltemperatureandunsuppo

3、rtedheightofmetalbellowsaswellasfrictionpowerdissipationofmechanicalsealareanalyzed．Onthebasisofaboveanalysis，thedesignregulationsofmetalbellowsformechanicalsealinliquidoxygenpumparestudiedandsummedup．Themetalbellowshasbeenappliedsuccessfullytotheliquidoxygen／kerosenepropellantrocket

4、engine，andpassedtheenginehottest．Keywords：metalbellows；liquidoxygenpump；mechanicalseal；designresearch0引言波纹管式机械密封由于性能优异，可靠性高，可用于高转速、高压力、高温及低温等工况，因而被广泛应用于液体火箭发动机涡轮泵密封装置之中。液氧泵机械密封工作温度为一183℃，工作压力为1～2MPa，端面平均线速度为60～75m／s。该密封要经受涡轮泵轴向和径向较大振动载荷。设计液氧泵机械密封用金属波纹管时，不仅要遵守一般弹性元件的设计准则，还要遵守火箭发动机对密封特

5、殊要求所产生的设计准则。液氧泵机械密封用金属波纹管在生产、装收稿日期：2014—09—07；修回日期：2015—06—12作者简介：张树强(1986一)，男，硕士，研究领域为机械密封设计火箭推进2016年4月配、试验过程中，轴向如果产生拉伸塑性变形，导致金属波纹管自由高度偏离设计值，密封装配后波纹管将会受压，增大密封摩擦功耗，从而降低了密封工作可靠性。所以设计密封时，不仅要遵守一般弹性元件的设计准则，还要考虑波纹管轴向拉伸塑性变形对密封设计准则的影响。1密封设计要求与结构液氧泵机械密封设计的一般要求为：密封结构简单可靠，且不需要辅助密封系统；发动机预冷充填时，密

6、封泄漏量为零；发动机工作时，密封后端只允许泄漏少量气氧；要求密封具有多次启动工作能力。机械密封对金属波纹管的基本设计要求见表1。表1金属波纹管设计要求Tab．1Designrequirementsofmetalbellows设计内容设计要求轴向压缩刚度／(N·mm“)轴向压缩残余变形／％30～45≤3波纹管焊后气密性不允许有泄漏波纹管承压能力／MPa疲劳特性／万次3～4≥30金属波纹管依据制造工艺分为2种基本结构，即焊接波纹管和液压成形波纹管，如图1所示。图1(a)为焊接波纹管，膜片波形形状一般为对称式和层叠式，膜片由模具冲压而成，焊接波纹管是由具有不同波形的膜

7、片通过焊接工艺方法使其内外缘交互连接而制成的轴向端面呈波纹状，且具有轴向伸缩能力的管件。图1(b)为液压成形波纹管，它由无缝管坯或焊接管坯在内壁承受液体压力的条件下，当管件内壁承受的应力超过其屈服强度后，在专用模具内成形的管件，液压成形波纹管按波形几何形状分为u型、C型、S型和Q型等。焊接波纹管和液压成形波纹管在火箭发动机液氧泵中均有应用，本文仅研究U形波纹管设计准则：n⋯『『ll』f11川㈧歹飞二≠弋／fft州i刖f川t∥j1∥一II潸1滞l；p1{i1jj／／r／／／／／／／／／／／／／／∥ss洲0、

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