2010 年 12 月 强 度 与 环 境 Dec.2010 第 37 卷 第 6 期 STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING Vol.37, No.6 低 温 液 体 火 箭 发 动 机 高 压 静 密 封 有 限 元 分 析 刘 博 乔 桂 玉 许 健 周 炜 向 猛 ( 北 京 航 天 动 力 研 究 所, 北 京 100076) 摘 要 : 以 某 型 号 液 体 火 箭 发 动 机 的 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 静 密 封 结 构 为 研 究 对 象, 针 对 法 兰 连 接 结 构 特 点, 运 用 有 限 元 方 法 建 立 了 管 路 - 阀 门 - 推 力 室 模 型, 通 过 热 - 结 构 耦 合 计 算 分 析 表 明 : 在 温 度 和 压 力 的 共 同 作 用 下, 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 变 形 导 致 密 封 面 微 小 分 离, 造 成 垫 片 局 部 压 紧 应 力 大 幅 减 小, 可 能 引 起 推 进 剂 泄 漏 并 起 火 在 通 过 上 述 分 析 定 位 泄 漏 原 因 并 预 测 泄 漏 率 之 后, 又 建 立 了 参 数 化 的 螺 栓 - 法 兰 - 垫 片 密 封 性 分 析 局 部 模 型, 基 于 柔 性 石 墨 垫 片 的 基 本 性 能 试 验 数 据, 计 算 分 析 了 垫 片 厚 度 螺 栓 预 紧 力 等 结 构 因 素 对 静 密 封 性 能 的 影 响, 理 论 上 验 证 了 增 加 预 紧 力, 增 厚 密 封 垫 片 等 密 封 改 进 措 施 的 有 效 性 关 键 词 : 液 体 火 箭 发 动 机 ; 高 压 ; 超 低 温 ; 静 密 封 ; 有 限 元 计 算 中 图 分 类 号 :V434 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1006-3919(2010)06-0039-07 FEM analysis on high-pressure static sealing of low-temperature liquid rocket engine Liu Bo Qiao Guiyu u Jian Zhou Wei iang Meng (Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China) Abstract: The hydrogen valve outlet flange static sealing in -type LO/LH rocket engine is mainly focused in this paper. An integrated pipe-valve-chamber 3D model is built based on finite element method. According to the result of thermal-structural coupling analysis, the deformation of the valve flange brings on a small separation between the sealing couple, which causes abrupt decrease of the gasket stress and eventually results in the leakage and fire. A parametric partial flange-bolt-gasket FEM model is generated to analyze the sealability. Different values of structural parameters are separately issued on models to reveal the influence of each single parameter to the flange sealability, which verifies the measures including increasing bolt-pretension and thickening the gasket are theoretically effective. Key words: liquid rocket engine; high pressure; super-low temperature; static sealing; FEM analysis 1 引 言 液 体 火 箭 发 动 机 的 推 进 剂 输 送 系 统 结 构 复 杂, 许 多 结 构 处 于 高 压 低 温 的 工 况 下, 同 时 伴 有 收 稿 日 期 :2010-07-01; 修 回 日 期 :2010-11-12 作 者 简 介 : 刘 博 (1984 ), 男, 助 理 工 程 师, 硕 士, 研 究 方 向 : 液 体 火 箭 发 动 机 阀 门 ;(100076) 北 京 9200 信 箱 11 分 箱.
40 强 度 与 环 境 2010 年 强 烈 的 振 动 和 冲 击 载 荷, 这 就 对 阀 门 管 路 等 部 件 连 接 的 静 密 封 结 构 提 出 了 很 高 的 要 求 某 液 体 火 箭 发 动 机 静 密 封 涉 及 高 压 超 低 温 大 尺 寸 三 个 严 酷 条 件, 具 有 很 大 的 技 术 难 度 该 发 动 机 推 力 室 燃 料 阀 出 口 与 推 力 室 燃 料 集 合 器 入 口 直 接 对 接, 采 用 法 兰 连 接 压 紧 柔 性 石 墨 垫 片 的 密 封 结 构 此 处 密 封 结 构 所 受 工 作 载 荷 复 杂, 密 封 工 况 恶 劣 虽 然 在 试 车 前 经 过 严 格 的 氦 检 漏 检 查, 但 试 车 过 程 中 仍 然 出 现 漏 火 故 障 本 文 针 对 液 体 火 箭 发 动 机 的 特 点, 运 用 ANSS 软 件 和 三 维 有 限 元 分 析 方 法, 计 算 热 试 车 工 况 下 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 处 结 构 变 形 及 在 该 变 形 下 的 预 测 漏 率, 同 时 提 出 密 封 改 进 措 施 并 验 证 措 施 的 有 效 性 2 结 构 变 形 分 析 2.1 管 路 - 阀 门 - 推 力 室 有 限 元 模 型 分 析 造 成 推 力 室 燃 料 阀 出 口 密 封 处 燃 料 泄 漏 的 原 因 不 能 局 限 于 对 法 兰 局 部 结 构 的 分 析, 应 该 对 推 力 室 燃 料 阀 上 游 的 燃 料 主 管 路 以 及 推 力 室 等 相 关 部 件 进 行 整 体 变 形 分 析, 这 样 才 能 准 确 模 拟 温 度 和 压 力 载 荷 对 法 兰 结 构 变 形 的 影 响, 得 到 较 为 准 确 的 结 果 法 兰 变 形 三 维 有 限 元 分 析 模 型 采 用 由 燃 料 主 导 管 推 力 室 燃 料 阀 及 1/2 推 力 室 组 成 的 管 路 - 阀 门 - 推 力 室 整 体 模 型, 其 中 简 化 推 力 室 为 1/2 模 型, 阀 门 和 管 路 间 简 化 螺 栓 连 接 为 整 体 结 构 计 算 采 用 顺 序 方 法 进 行 热 - 结 构 耦 合 分 析, 即 先 进 行 温 度 场 分 析, 再 将 热 分 析 的 计 算 结 果 作 为 节 点 温 度 载 荷 引 入 到 结 构 分 析 当 中 模 型 运 用 三 维 温 度 场 单 元 进 行 网 格 划 分, 并 进 行 稳 态 传 热 计 算, 得 出 整 体 模 型 的 稳 态 温 度 分 布 结 构 变 形 分 析 将 温 度 场 单 元 转 化 为 对 应 的 三 维 结 构 单 元 ; 将 螺 母 和 法 兰 间 密 封 榫 槽 面 法 兰 贴 合 面 等 接 触 位 置 添 加 接 触 单 元 CONTA174 和 TARGE170 模 拟 接 触 模 型 网 格 采 用 六 面 体 扫 掠 分 网 和 四 面 体 自 由 分 网 结 合 的 方 式 分 网, 经 多 次 试 算 表 明, 网 格 密 度 设 定 能 够 满 足 计 算 Z 图 1 管 路 - 阀 门 - 推 力 室 图 2 管 路 - 阀 门 - 推 力 室 有 限 元 模 型 模 型 局 部 放 大 图 要 求, 且 耗 时 最 少 模 型 见 图 1 图 2 2.2 温 度 场 计 算 在 温 度 场 分 析 中, 推 力 室 内 壁 气 壁 温 和 冷 却 通 道 侧 液 壁 温 通 过 推 力 室 换 热 数 值 计 算 给 出, 以 数 值 表 (TABLE) 的 方 式 施 加 到 气 壁 和 液 壁 的 对 应 节 点 上, 壁 面 上 未 给 出 的 节 点 温 度 自 动 插 值 生 成 ; 燃 料 集 合 器 和 头 部 氧 化 剂 腔 内 壁 温 度 为 低 温 推 进 剂 的 温 度, 外 表 面 温 度 通 过 对 流 换 热 算 出, 其 它 部 分 温 度 通 过 有 限 元 传 热 计 算 得 到 ; 阀 门 管 路 由 于 外 部 包 有 发 泡 层, 其 外 壁 当 作 绝 热 处 理, 内 壁 设 为 推 进 剂 温 度 温 度 场 计 算 结 果 如 图 3 所 示 2.3 结 构 变 形 计 算 在 结 构 分 析 中, 将 推 力 室 头 部 端 和 燃 料 导 管 入 口 端 固 定 约 束, 推 力 室 截 断 面 施 加 对 称 位 移
第 37 卷 第 6 期 刘 博 等 低 温 液 体 火 箭 发 动 机 高 压 静 密 封 有 限 元 分 析 41 约 束 ; 管 路 阀 门 燃 料 冷 却 通 道 和 头 腔 内 壁 施 加 推 进 剂 造 成 的 内 压, 推 力 室 内 壁 施 加 燃 气 压 力 ; 预 紧 力 矩 通 过 预 紧 力 单 元 PRET179 施 加, 该 单 元 在 已 分 网 格 的 螺 栓 上 建 立 预 紧 截 面, 仅 在 预 紧 方 向 上 有 一 个 自 由 度 ; 温 度 载 荷 利 用 温 度 场 计 算 结 果 以 节 点 载 荷 形 式 施 加 管 路 - 阀 门 - 推 力 室 整 体 变 形 结 果 见 图 4 图 5 和 图 6 分 别 表 示 了 燃 料 集 合 器 入 口 法 兰 密 封 面 和 阀 门 出 口 法 兰 密 封 面 轴 向 位 移 云 图 燃 1 DEC 31 2009 STEP=1 17:55:23 SUB =1 TIME=1 TEMP (AVG) 39.91 S =39.91 SM =9.6 125.431 210.952 Z Z 296.473 381.994 467.515 553.037 M 638.558 724.079 9.6 File: E:\ANSS WORKDIRCTOR\12.20WHOLE_ADD_HEAD\THERMAL\12.20 for whole gt.x_t 图 3 管 路 - 阀 门 - 推 力 室 模 型 温 度 分 布 云 图 图 4 管 路 阀 门 推 力 室 整 体 变 形 图 料 集 合 器 入 口 法 兰 密 封 面 轴 向 位 移 (UZ) 从 2.717mm 到 2.850mm, 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 密 封 面 轴 向 位 移 从 2.733mm 到 2.842mm, 两 密 封 面 整 体 呈 现 分 离 趋 势 阀 门 出 口 法 兰 和 燃 料 集 合 器 入 口 法 兰 密 封 面 的 分 离 量 可 通 过 两 密 封 面 对 应 节 点 轴 向 位 移 差 来 计 算 得 到, 在 两 密 封 面 内 径 和 外 径 处 各 取 对 应 周 向 和 径 向 坐 标 相 同 个 节 点, 从 图 5 对 应 燃 料 集 合 器 入 口 法 兰 的 顶 端 位 置 ( 最 大 值 处 ) 开 始 顺 时 针 编 号 SUB =5 UZ (AVG) DM =.003023 S =.002717 SM =.00285 M Z ANSS 11.0.002717.002732.002747.002762.002777.002791.0026.002821.002836.00285 SUB =5 UZ (AVG) DM =.003015 S =.002733 SM =.002842 Z ANSS 11.0.002733.002745.002757.002769.002781.002793 M.0026.002818.00283.002842 图 5 燃 料 集 合 器 入 口 法 兰 密 封 面 轴 向 位 移 云 图 图 6 阀 门 出 口 法 兰 密 封 面 轴 向 位 移 云 图 图 7 和 图 8 分 别 为 两 密 封 面 内 圆 和 外 圆 对 应 节 点 轴 向 位 移 曲 线, 节 点 轴 向 位 移 曲 线 图 显 示 : 管 路 和 推 力 室 变 形 造 成 的 附 加 弯 矩 导 致 法 兰 密 封 面 处 一 侧 受 压 另 一 侧 受 拉, 但 由 于 内 压 和 附 加 轴 向 力 的 存 在, 造 成 两 密 封 面 整 体 还 是 呈 现 分 离 的 趋 势 其 中, 受 拉 侧 两 密 封 面 内 圈 最 大 分 离 量 有 0.035mm, 外 圈 最 大 分 离 量 也 有 0.029mm 当 密 封 面 分 离 时, 垫 片 回 弹 补 偿 部 分 分 离 量, 但 当 分 离 量 过 大 时 可 能 存 在 补 偿 量 不 足 而 导 致 泄 漏 ; 即 使 可 以 完 全 回 弹 补 偿 了 分 离 量, 垫 片 的 残 余 压 紧 应 力 也 会 大 幅 减 小, 从 而 导 致 泄 漏 3 结 构 密 封 性 分 析 法 兰 螺 栓 连 接 密 封 的 本 质 上 是 通 过 垫 片 变 形 而 增 加 流 体 流 动 阻 力 来 实 现 的 垫 片 的 压 缩 特 性 部 分 地 反 映 了 其 表 面 与 法 兰 面 的 嵌 合 并 形 成 初 始 密 封 的 能 力 在 工 作 条 件 下, 由 于 螺 栓 的 伸 长 和 法 兰 的 变 形, 使 法 兰 密 封 面 和 垫 片 产 生 相 对 分 离 的 倾 向, 这 时 连 接 的 紧 密 与 否 很 大 程 度 上
42 强 度 与 环 境 2010 年 取 决 于 垫 片 的 回 弹 能 力 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 处 密 封 垫 片 采 用 的 柔 性 石 墨 密 封 圈 是 一 种 耐 高 低 温 的 高 性 能 密 封 垫 片, 其 使 用 温 度 最 低 -253ºC, 非 氧 化 气 氛 中 最 高 可 达 1600ºC; 压 缩 率 可 达 20%~30%, 回 弹 率 25%, 被 广 泛 应 用 于 液 体 火 箭 2.84 0.035 UZV UZF INTER 0.030 2.82 发 动 机 的 超 低 温 部 位 0.025 2. 3.1 法 兰 - 垫 片 - 螺 栓 密 封 性 分 析 模 型 的 建 立 0.020 2.78 0.015 密 封 性 分 析 采 用 法 兰 垫 片 螺 栓 的 局 部 模 2.76 0.010 型 模 型 采 用 法 兰 密 封 结 构 的 十 二 分 之 一, 包 含 柔 2.74 0.005 性 石 墨 垫 片 阀 门 出 口 法 兰 推 力 室 燃 料 集 合 器 入 2.72 0.000 0 20 40 60node 口 法 兰 螺 栓 螺 母 等 结 构 简 化 阀 门 出 口 法 兰 为 图 7 两 密 封 面 内 圆 对 应 节 点 轴 向 位 移 曲 线 一 筒 体, 对 其 进 行 截 断, 仅 取 出 口 端 一 段 阀 体 垫 2.86 UZV 0.030 片 采 用 垫 片 单 元 INTER195 自 动 生 成 网 格, 除 垫 片 2.84 UZF INTER 0.025 2.82 外 其 他 结 构 六 面 体 单 元 扫 掠 分 网 ; 螺 栓 的 预 紧 力 采 0.020 2. 用 预 紧 力 单 元 PRET179 施 加 ; 螺 母 和 法 兰 的 接 触 0.015 2.78 0.010 两 法 兰 面 接 触 密 封 榫 槽 结 构 接 触 通 过 接 触 单 元 模 2.76 2.74 0.005 拟 模 型 见 图 9 所 示 整 个 模 型 采 用 参 数 化 建 模, 2.72 0.000 建 模 和 计 算 所 采 用 结 构 尺 寸 材 料 属 性 和 载 荷 都 通 0 20 40 60node 过 参 数 设 定 图 8 两 密 封 面 外 圆 对 应 节 点 轴 向 位 移 曲 线 计 算 所 采 用 的 垫 片 材 料 具 有 非 线 性 性 质 和 应 力 应 变 时 滞 效 应, 垫 片 压 缩 和 回 弹 过 程 的 应 力 应 变 曲 线 都 具 有 非 线 性 性 质, 并 且 这 两 个 过 程 的 应 力 应 变 曲 线 不 重 合 模 型 所 采 用 的 INTER195 垫 片 单 元 表 面 分 别 通 过 公 共 节 点 与 上 下 法 兰 表 面 连 接, 该 单 元 不 考 虑 垫 片 表 面 的 剪 应 力 和 接 触 面 摩 擦, 只 考 虑 垫 片 厚 度 方 向 的 应 力 和 变 形 同 时 能 够 模 拟 垫 片 材 料 的 非 线 性 特 性 和 应 力 应 变 时 滞 现 象 4mm 垫 片 所 采 用 的 压 缩 回 弹 试 验 数 据 曲 线 如 图 10 所 示 3.2 垫 片 密 封 性 分 析 有 限 元 计 算 过 程 中, 将 阀 门 底 端 截 断 面 固 定 约 束, 周 向 截 断 面 施 加 对 称 位 移 约 束 载 荷 通 过 两 个 载 荷 步 施 加 : 载 荷 步 1 为 预 紧 工 况, 在 预 紧 力 截 面 上 施 加 预 紧 力, 模 拟 垫 片 压 缩 过 程 ; 载 荷 步 2 为 回 弹 工 况, 由 于 模 型 的 限 制, 无 法 通 过 内 压 和 温 度 等 直 接 作 用 载 荷 得 到 的 准 确 的 法 兰 密 封 面 分 离 模 拟, 所 以 通 过 变 形 中 计 算 得 到 的 密 封 面 节 点 分 离 量 作 为 节 点 位 移 施 加 到 法 兰 面 对 应 节 点 上 来 模 拟 工 作 工 况 法 兰 面 的 分 离, 其 中 周 向 位 移 选 择 结 构 变 形 分 析 的 最 大 分 离 量, 径 向 位 移 按 照 结 构 变 形 分 析 的 位 移 比 例 进 行 线 性 插 值 nodal displacement/mm nodal displacement/mm intervol/mm intervol/mm 残 余 压 紧 应 力 /MPa 90 70 60 4mm 4mm-20% 4mm-25% 50 40 30 20 10 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 变 形 量 /mm 图 9 法 兰 垫 片 螺 栓 密 封 性 分 析 模 型 图 10 4mm 垫 片 变 形 量 和 压 紧 应 力 关 系
第 37 卷 第 6 期 刘 博 等 低 温 液 体 火 箭 发 动 机 高 压 静 密 封 有 限 元 分 析 43 图 11 和 图 12 分 别 为 垫 片 预 紧 工 况 和 回 弹 工 况 下 的 压 缩 变 形 量 和 压 紧 应 力 的 云 图 可 以 看 出, 在 螺 栓 预 紧 情 况 下, 垫 片 压 缩 量 由 内 向 外 增 大, 从 1.176mm 到 1.187mm, 压 缩 率 最 大 达 到 29.68%; 垫 片 压 紧 应 力 在 周 向 和 径 向 不 均 匀 分 布, 由 内 向 外 从 84.1MPa 增 大 到 86.0MPa, 由 于 螺 栓 的 离 散 分 布, 压 紧 应 力 的 周 向 分 布 呈 现 出 中 间 高 两 端 低 的 趋 势 STEP=1 SUB =10 TIME=10 GKD (AVG) DM =.001194 S =-.001187 SM =-.001176 M -.001187 -.001186 -.001185 -.001183 -.001182 -.001181 -.001179 -.001178 STEP=1 SUB =10 TIME=10 GKS (AVG) DM =.001194 S =-.860E+08 SM =-.841E+08 M -.860E+08 -.857E+08 -.855E+08 -.853E+08 -.851E+08 -.849E+08 -.847E+08 -.845E+08 SUB =6 GKD (AVG) DM =.001156 S =-.001156 SM =-.001141 -.001156 -.001154 -.001152 -.001151 -.001149 -.001147 -.001146 SUB =6 GKS (AVG) DM =.001156 S =-.503E+08 SM =-.424E+08 -.503E+08 -.494E+08 -.485E+08 -.477E+08 -.468E+08 -.459E+08 -.450E+08 -.001177 -.843E+08 -.001144 -.442E+08 -.001176 -.841E+08 -.001143 -.433E+08 -.001141 -.424E+08 图 11 垫 片 预 紧 工 况 下 变 形 和 压 紧 应 力 云 图 图 12 垫 片 回 弹 工 况 下 变 形 和 压 紧 应 力 云 图 在 法 兰 面 分 离 导 致 垫 片 回 弹 后, 垫 片 压 缩 量 减 为 1.156~1.141mm, 回 弹 了 原 压 缩 量 的 2.33~2.61%; 而 垫 片 的 残 余 压 紧 应 力 则 减 为 42.4~50.3MPa, 仅 为 预 紧 状 态 压 紧 应 力 的 50.18~ 58.49% 可 见, 在 压 缩 量 减 小 不 到 3% 时, 残 余 压 紧 应 力 减 小 了 近 50% 3.3 漏 率 预 测 螺 栓 法 兰 连 接 结 构 的 紧 密 性 分 析 就 是 依 据 有 限 元 分 析 得 到 的 垫 片 残 余 压 紧 应 力, 运 用 试 验 得 到 的 垫 片 泄 漏 特 性 方 程, 对 螺 栓 法 兰 连 接 结 构 的 泄 漏 率 进 行 预 测 影 响 法 兰 垫 片 系 统 密 封 性 能 的 因 素 很 多, 从 密 封 机 理 的 角 度, 泄 漏 率 是 介 质 压 力 和 垫 片 残 余 压 紧 应 力 的 函 数, 三 者 的 关 [1] 系 可 由 以 下 公 式 表 示 Q q N q d = A PP (1) 其 中,Q 泄 漏 率, 单 位 Pa m 3 /s; P 介 质 压 力, 单 位 Pa; P d 垫 片 残 余 压 紧 应 力, 单 位 MPa; A q,n q, 试 验 得 到 的 曲 线 拟 合 系 数,4mm 厚 垫 片 系 数 分 别 为 5.38 10-5,-3.938 [1] 根 据 发 动 机 漏 率 指 标 分 配 要 求, 推 力 室 燃 料 集 合 器 入 口 法 兰 接 头 在 1MPa 检 漏 压 力 下 总 漏 率 不 大 于 2 10-6 Pa m 3 /s 有 限 元 计 算 得 到 工 作 工 况 下 垫 片 中 径 处 压 紧 应 力 最 小 值 45.7MPa, 对 应 1MPa 下 检 漏 压 力 下 漏 率 为 15.64 10-6 Pa m 3 /s, 超 过 漏 率 要 求 的 7.82 倍 显 然, 由 公 式 (1) 计 算 的 泄 漏 率 Q 与 垫 片 种 类 试 验 介 质 和 试 验 条 件 有 关 实 际 螺 栓 法 兰 连 接 的 泄 漏 率 Q R 随 垫 片 宽 度 和 介 质 粘 度 的 增 加 而 减 小, 随 垫 片 直 径 的 增 大 而 增 加 为 了 应 用 实 验 室 条 件 下 得 到 的 垫 片 泄 漏 方 程 式, 必 须 对 Q 作 相 应 修 正 在 层 流 状 态 下,Q R 可 按 如 下 [2] 修 正 公 式 计 算 p 2b1η 1D 2 = Q (2) p b η D Q R 1 2 2 1 其 中,p 1 p 2 分 别 为 试 验 和 实 际 的 介 质 压 力 ;b 1 b 2 分 别 为 试 验 垫 片 和 实 际 垫 片 的 有 效 宽 度 ;η 1
44 强 度 与 环 境 2010 年 分 别 为 试 验 介 质 在 试 验 温 度 的 动 力 黏 度,η 2 为 实 际 介 质 在 操 作 温 度 下 的 动 力 黏 度 ;Q 为 试 验 条 件 下 垫 片 试 样 的 泄 漏 率 ;D 1 D 2 分 别 为 试 验 垫 片 和 实 际 垫 片 的 垫 片 中 径 1MPa 氦 气 常 温 的 动 力 黏 度 为 199.6 10-7 Pa s, 实 际 推 进 剂 的 动 力 黏 度 为 99.7 10-7 Pa s, 计 算 推 进 剂 的 实 际 泄 漏 率 为 7 16.5 199.6 10 6 4 3 QR = 15.64 10 = 5.166 10 Pa m / s 7 99.7 10 发 动 机 工 作 时, 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 和 燃 料 集 合 器 入 口 法 兰 在 压 力 和 温 度 共 同 作 用 下 产 生 变 形, 两 密 封 面 产 生 微 小 分 离 虽 然 分 离 最 大 处 仅 有 0.035mm, 数 值 上 只 占 垫 片 原 始 厚 度 的 0.875%, 压 缩 量 的 2.94%, 但 石 墨 垫 片 补 偿 回 弹 后 压 紧 应 力 大 幅 减 小 至 45.7MPa, 仅 有 预 紧 状 态 压 紧 应 力 的 53.6% 造 成 1MPa 氦 气 计 算 漏 率 是 要 求 漏 率 的 7.28 倍, 推 进 剂 的 计 算 漏 率 达 到 5.166 10-4 Pa m 3 /s 在 发 动 机 工 作 时, 管 路 内 的 推 进 剂 将 渗 入 密 封 面 分 离 较 大 而 造 成 压 紧 应 力 小 于 垫 片 所 需 密 封 比 压 的 区 域, 随 着 推 进 剂 渗 透 区 域 的 增 大, 泄 漏 通 道 就 会 愈 发 增 大, 直 到 垫 片 密 封 失 效 就 会 发 生 泄 漏 起 火 3.4 垫 片 厚 度 对 密 封 的 影 响 为 计 算 不 同 垫 片 厚 度 对 密 封 的 影 响, 分 别 采 用 垫 片 厚 度 为 4mm 5mm 5.5mm 的 法 兰 垫 片 螺 栓 参 数 化 模 型 计 算 垫 片 应 力 和 预 测 漏 率 表 1 给 出 了 有 限 元 计 算 得 到 的 垫 片 中 径 处 垫 片 压 紧 应 力 和 预 测 漏 率 表 1 不 同 厚 度 垫 片 计 算 漏 率 表 垫 片 厚 度 垫 片 应 力 1MPa 氦 气 检 漏 计 算 漏 率 与 漏 率 要 求 比 例 关 系 是 否 满 足 漏 率 要 求 MPa Pa m 3 /s 4mm 45.7 1.56 10-5 7.82 否 5mm 82.4 1.93 10-7 0.097 是 5.5mm 65.4 5. 10-8 0.029 是 从 表 1 可 以 看 出,4mm 垫 片 不 满 足 漏 率 要 求, 而 5mm 和 5.5mm 垫 片 能 够 保 证 达 到 密 封 性 要 求,5mm 垫 片 的 预 测 泄 漏 率 仅 为 4mm 垫 片 的 1.2% 所 以, 适 当 增 加 垫 片 厚 度 能 够 提 高 法 兰 密 封 结 构 的 密 封 性 能 3.5 螺 栓 预 紧 力 对 密 封 的 影 响 为 计 算 预 紧 力 对 密 封 的 影 响, 采 用 M10 螺 栓 和 4mm 厚 垫 片 的 法 兰 垫 片 螺 栓 模 型, 计 算 垫 片 应 力 和 预 测 漏 率 预 紧 工 况 对 模 型 分 别 施 加 30N m 35N m 40N m 45N m 50N m 55N m 等 一 系 列 预 紧 力 矩, 工 作 工 况 仅 考 虑 压 力 载 荷, 在 模 型 内 表 面 施 加 推 进 剂 压 力 图 13 为 有 限 元 计 算 得 到 的 不 同 预 紧 力 矩 下, 垫 片 在 预 紧 和 工 作 工 况 的 压 紧 应 力 曲 线, 由 上 至 下 四 条 曲 线 分 别 为 工 作 工 况 的 最 大 最 小 应 力 及 预 紧 工 况 的 最 大 最 小 应 力, 可 以 看 出 垫 片 压 紧 应 力 随 预 紧 力 矩 的 增 大 而 增 大 在 预 紧 阶 段, 预 紧 力 矩 增 大 到 一 定 程 度 后 垫 片 压 紧 应 力 曲 线 趋 于 水 平, 说 明 在 预 紧 力 矩 超 过 50 N m 后, 垫 片 压 缩 量 已 经 相 当 接 近 设 计 值, 即 便 再 增 大 力 矩 也 对 预 紧 也 无 甚 帮 助 在 工 作 工 况 下, 压 紧 应 力 随 预 紧 力 矩 增 大 基 本 成 直 线 递 增, 表 明 增 大 预 紧 力 矩 能 够 抑 制 内 压 造 成 的 法 兰 面 分 离, 有 利 于 密 封 图 14 是 通 过 密 封 试 验 拟 合 公 式 计 算 得 到 的 1MPa 氦 气 预 测 漏 率 和 预 紧 力 矩 的 关 系 曲 线 在
第 37 卷 第 6 期 刘 博 等 低 温 液 体 火 箭 发 动 机 高 压 静 密 封 有 限 元 分 析 45 1MPa 氦 气 检 漏 压 力 下, 泄 漏 率 随 预 紧 力 矩 的 增 大 而 减 小 预 紧 力 矩 从 35N m 增 大 到 55N m 时, 4mm 垫 片 漏 率 从 4.35 10-6 Pa m 3 /s 降 到 2.55 10-6 Pa m 3 /s, 减 小 了 41.4%, 表 明 增 大 预 紧 力 矩 能 够 减 小 法 兰 密 封 结 构 漏 率 压 紧 应 力 /Mpa 90 85 漏 率 Pa.m3/s 4.5E-06 4.3E-06 4.1E-06 3.9E-06 75 70 3.7E-06 3.5E-06 3.3E-06 65 60 55 pret_max pret_min work_max work_min 30 35 40 45 50 55 力 矩 /N.m 3.1E-06 2.9E-06 2.7E-06 2.5E-06 30 35 40 45 50 55 力 矩 N.m 图 13 4mm 垫 片 压 紧 应 力 与 预 紧 力 矩 关 系 曲 线 图 14 1MPa 氦 气 下 预 测 漏 率 与 预 紧 力 矩 关 系 曲 线 3.6 密 封 性 改 进 措 施 及 热 试 车 验 证 根 据 有 限 元 分 析 结 果, 考 虑 发 动 机 实 际 情 况, 针 对 推 力 室 燃 料 阀 出 口 密 封 失 效 故 障 从 两 方 面 采 取 了 改 进 措 施 : 一 方 面 是 增 加 柔 性 石 墨 密 封 圈 的 补 偿 量, 将 柔 性 石 墨 密 封 圈 加 厚, 厚 度 由 4mm 增 加 至 5mm; 另 一 方 面 提 高 法 兰 连 接 的 抗 变 形 能 力, 将 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 上 的 螺 柱 加 粗, 由 原 规 格 M10 更 改 为 M12, 并 相 应 增 大 预 紧 力 各 项 密 封 改 进 措 施 实 施 后, 在 后 续 试 车 十 几 次 热 试 车 中 均 没 有 出 现 漏 火 故 障, 验 证 了 改 进 措 施 有 效, 彻 底 消 除 了 故 障 隐 患 4 结 论 通 过 三 维 有 限 元 分 析, 认 为 推 力 室 燃 料 阀 出 口 法 兰 漏 火 的 原 因 在 于 柔 性 石 墨 密 封 垫 片 补 偿 能 力 不 足 在 法 兰 结 构 由 于 温 度 和 内 压 作 用 发 生 较 大 分 离 变 形 时, 垫 片 压 紧 应 力 下 降 过 大, 造 成 推 进 剂 泄 漏 并 起 火 经 有 限 元 理 论 计 算 和 热 试 车 验 证, 通 过 加 厚 垫 片 来 增 加 回 弹 补 偿 能 力, 通 过 增 粗 螺 柱 加 大 预 紧 力 矩 以 提 高 结 构 抗 变 形 能 力 等 密 封 改 进 措 施 可 行 有 效 由 于 加 大 螺 栓 预 紧 力 受 连 接 系 统 强 度 的 限 制, 故 必 须 合 理 选 取 螺 栓 载 荷 以 防 过 载 既 然 垫 片 压 紧 应 力 的 增 大 受 螺 栓 和 法 兰 强 度 的 限 制, 那 么 提 高 法 兰 连 接 系 统 的 密 封 性 应 主 要 从 改 善 垫 片 性 能 着 手 参 考 文 献 [1] 吴 洋 洲. 柔 性 石 墨 密 封 圈 性 能 试 验 [J]. 航 天 推 进 与 动 力, 2009 (3). [2] 顾 伯 勤, 陈 晔. 高 温 螺 栓 法 兰 连 接 的 紧 密 性 评 价 方 法 [J]. 润 滑 与 密 封, 2006(6). [3] 陈 鑫, 吴 福 迪, 王 立 峰, 等. 大 缝 隙 密 封 的 几 种 异 型 截 面 橡 胶 密 封 结 构 的 有 限 元 分 析 [J]. 强 度 与 环 境, 2009, 36 (4). [4] 智 友 海, 史 向 平, 刘 永 寿, 等. SMA 管 接 头 系 统 的 蠕 变 及 热 应 力 分 析 [J]. 强 度 与 环 境, 2009, 36 (3). ( 编 辑 庞 勤 )