涂 霆，李 铭，吴 霖，须 村，叶小强

（北京航天动力研究所，北京，100076）

0 引 言

膜盒式端面密封因其利用金属波纹管代替了弹簧和辅助密封圈，解决了高、低温下辅助密封问题，且具有轴向浮动性好、比压均匀、摩擦损失小、工作稳定性好和结构紧凑等优点，被广泛应用[1～3]。

目前，机械密封金属焊接波纹管的研究主要集中在波形参数对刚度[4]、耐压强度[5,6]及稳定性[7,8]等的影响，但对不同波形、不同压力对密封比压、载荷系数、平衡直径及疲劳寿命的影响研究较少。本文以某火箭发动机涡轮泵氦气端面密封为对象，对直边和斜边两种波形进行了研究，采用有限元的方法计算两种波形的应力水平、平衡直径及密封比压等参数随工作压力变化的关系，并通过疲劳寿命试验、台架运转试验和热试车进行验证。

1 有限元计算与分析

1.1 几何结构和工作条件

所研究的端面密封为接触式，主要由动环和静环组件构成，静环组件包括静环和金属焊接波纹管，摩擦副静环为石墨材料，动环为钢材，其结构如图 1所示。该端面密封所用的波纹管波形为三圆弧S形，工作条件和波纹管结构尺寸如表1所示。

该端面密封原状态波形内、外径为直边（与直边的倾斜度为 3°），使用中多次发生波纹管破裂，暴露出疲劳寿命不足的问题，无法适应生产质量波动。原波片内外圆焊接后，形成6°的张角，工作时外充压、外圆焊缝张角被压缩，内焊缝张角被扩张，形成的弯矩作用于焊缝根部，导致该处应力急剧增大。因此，将波片外圆直线段角度调整为0°，内圆直线段调整为 45°，使两波片端部保持贴合，贴合后既减小了力臂、弯矩和曲率半径，又将受力支点转移至贴合的端部，应力水平得到降低，最大应力位置转移出焊缝区域，从而达到提高强度和疲劳寿命的目的。其它波片参数，即波片厚度、内外径大小、波片组数保持不变，中间 3段圆弧的直径进行适应性调整，如图2所示。

图1 端面密封结构示意Fig.1 Face Seal Structure

表1 密封结构尺寸和工作条件Tab.1 Structure Sizes and Working Conditions

图2 波形结构示意Fig.2 Waveform Structure

1.2 三维建模和边界条件

采用 ANSYS Workbench有限元软件建立两种状态的二维轴对称有限元模型（见图3），对称轴为y轴，波纹管安装环施加固定约束，静环密封面上施加y方向的位移约束，在波纹管、静环、静环座和安装环外侧施加外压载荷，波纹管及安装环、静环座之间施加无摩擦接触，采用弹塑性模型进行分析。波纹管材料为Inconel-718，弹性模量为205 GPa，泊松比0.3，屈服强度为1034 MPa。

图3 有限元模型示意Fig.3 Finite Element Model

1.3 计算结果

1.3.1 刚度计算与分析

波纹管的刚度为

式中F为波纹管弹力；X为波纹管压缩量。

在不充压状态下，对密封面施加不同压缩量X，提取相应的支反力，即波纹管弹力F，并以X为横坐标，F为纵坐标，做曲线并求其斜率，得出K值，即为波纹管刚度，结果如图4所示。

图4 波纹管弹力与压缩量关系特性曲线Fig.4 Relation between Elasticity and Compression of Bellows

从图4可以看出，两种状态的波纹管弹力随压缩量变化的线性度较好，改进型的刚度比原状态大 3 N/mm左右，刚度有限元计算值与产品实测值对比如表2所示。

表2 刚度对比Tab.2 Stiffness Contrast

由表2可知，有限元计算刚度与产品实测值吻合较好，验证了该有限元模型及计算方法的有效性。

1.3.2 应力计算与分析

取波纹管预压量为实际使用的1.2 mm，分别对两种波形外侧充压0～1.3 MPa进行计算，提取不同压力下的应力云图，如图5所示。

图5 两种波形的应力云图Fig.5 Stress Contours of Two Waveforms

从图 5可以看出，两种波形的应力随工作压力的升高而增大，但改进型的斜边波形应力明显小于原状态的直边波形，工作压力在0.3～0.6 MPa范围内，改进型应力约为原状态的三分之一，强度安全系数由接近1提高到3以上。直边波片在0.3 MPa压力时，局部波片发生贴合，应力水平接近于材料极限，超过0.5 MPa后发生局部屈服，应力水平有所降低。改进状态的斜波片在0.8 MPa以后才发生接触，应力上升较慢，未超过材料的极限。原状态直边波形的最大应力点位于焊缝附近，而焊接高温形成的热影响区会降低材料的强度，导致强度裕度进一步降低，容易发生开裂。改进后的斜边波形最大应力点远离强度低的焊缝熔合区，转移到强度高的波片母材上，波纹管的强度安全裕度得到显著提高，从理论上来说，其疲劳寿命也会提高。

1.3.3 端面压紧力计算

端面压紧力F1由波纹管的弹力F和流体压力作用力Fp两部分组成，即：

式中K1为载荷系数；P为充压压力；A为密封面积。

密封比压Pb为端面压紧力与密封面积的比值，即：

波纹管的有效直径即密封平衡直径da可按下式计算：

式中d1为膜片内径；d2为膜片外径。

提取各充压状态下的支反力，即端面压紧力F1，通过式（2）～（4）计算出不同压力下的密封比压Pb、载荷系数K1和平衡直径da，如图6～8所示。

图6 密封端面比压与充压压力关系Fig.6 Relation between Seal Specific Pressure and Working Pressure

图7 平衡直径与充压压力关系Fig.7 Relation between Balance Diameter and Working Pressure

图8 载荷系数与充压压力关系Fig.8 Relation between Loading Factor and Working Pressure

从图6～8可以看出，0～1.3 MPa时，两种状态的密封端面比压均随压力增加而增大，原状态在0.3 MPa处存在斜率增大的拐点，而改进型的点在0.8 MPa，且斜率要小于原状态。同样的，平衡直径与载荷系数也存在相同压力下的突变拐点。结合图5可知，当某压力下，相邻波片发生接触，则该充压压力下的密封比压、平衡系数与载荷系数会出现拐点，波纹管的性质发生变化。

在工作压力附近，原状态密封比压存在突增的拐点，当运转的摩擦发热使密封腔压力升高后，端面比压大幅增大，进而导致摩擦剧烈，形成正反馈，密封腔压力进一步升高，使工作比压显著偏离设计点，不利于密封的长时间安全稳定工作。改进型比压突变拐点不在工作压力区间，且比压随压力变化较小，性能更稳定。

2 试验验证

2.1 疲劳寿命试验

为对比两种波形状态的疲劳寿命水平，设计了循环打压试验装置，如图9所示。

图9 循环打压试验装置示意Fig.9 Cyclic Charging Test Device

从图 9可以看出，该试验装置主要通过入口、出口的电磁阀开启与关闭，实现给端面密封产品充压与泄压，一次充放压记为一个循环次数，波纹管开裂（无法保持压力）的循环次数多少即反映其疲劳寿命的高低，如图10所示。为减少波纹管达到疲劳破裂的试验时间，将充压压力提高到 1 MPa，提高了整体平均应力和应力幅。

从图10可以看出，原状态波纹管疲劳开裂次数在7000～9000次，改进型的疲劳开裂次数超过18000次，是原状态的两倍以上，疲劳寿命得到显著提升，大幅提高了产品强度安全裕度，验证了1.3节中有限元的计算结果。

图10 循环打压试验结果特性曲线Fig.10 Cyclic Charging Test Results

2.2 台架运转试验

将两种波形状态的端面密封试件在常温台架上进行30 min运转试验，试验工况压力为0.5 MPa，密封介质为常温氦气。两种状态产品试验均合格，泄漏水平相当，密封面均无磨损。试验装置如图11所示，运转温升如图12所示，改进前后对比如表3所示。

图11 台架运转试验装置示意Fig.11 Running Test Device

图12 运转试验最高温度和温升特性曲线Fig.12 Maximum Temperature and Temperature Rise on Running Test

表3 台架运转最高温度和温升Tab.3 Maximum Temperature and Temperature Rise on Running Test

由图12和表3中数据可知，改进型密封试件运转最高温度、温升均远小于原状态，降幅为 66%以上，工作热环境明显改善，验证了1.3节的计算结果。

2.3 发动机热试车考核

将波片改进斜45°波形的氦气端面密封产品搭载发动机，进行了10次启动，3240 s长程热试车，取得圆满成功，并与原状态直边波形产品的试车情况进行对比，典型的连续两次启动试车中密封腔压力Pg、温度Tg特性如图13所示，改进前后对比如表4所示。

图13 试车密封腔压力和温度关系Fig.13 Pressure and Temperature of Seal Cavity in Engine Test

表4 试车密封腔压力、温度Tab.4 Pressure and Temperature of Seal Cavity in Engine Test

从图13可以看出，启动后密封腔温度、压力迅速上升，到达最高点后逐渐下降。分析原因是启动后转速由零迅速升高到额定转速，摩擦热迅速增大，导致温度压力升高；随后由于密封腔外部存在大量低温介质，大量的摩擦发热量被热传导出去，温度、压力随之降低。因此，密封腔温度增幅越小、降幅越大或密封腔压力越小，说明端面密封摩擦发热越小。

由图13和表4可知，改进型较原状态密封腔温度增幅低25%，温度降幅超过25%，密封腔压力更小，说明改进的斜波波形密封发热更小，也验证了1.3节的有限元计算与2.2节中的台架运转结果。

3 结 论

a）斜45°波形耐压性能优于直边波形，应力水平约为其三分之一，且最大应力点在强度高的波片母材上，远离强度低的焊缝热影响区，强度安全系数提高到3以上；

b）相邻波片接触，密封比压（载荷系数、平衡直径）等性能参数会有突变，斜45°波形的性能参数随压力变化更小，线度好，工作压力附近不存在性能突变的拐点，较直边波形的工作稳定性好、工作热环境更优；

c）试验结果表明，斜45°波形的改进波形较原状态直波形疲劳寿命提高了1倍，密封运转温度和温升降低超过 25%，验证了有限元计算的有效性和斜 45°波形改进的效果。