渦輪泵高壓低溫靜密封結構及密封材料
根據液體火箭發動機渦輪泵的設計要求,進行了高壓低溫靜密封檢漏試驗。試驗結果對該型號渦輪泵密封結構和密封材料的選用至關重要,對提高液體火箭發動機結構的可靠性起到了重要作用。渦輪泵高壓低溫靜密封檢漏試驗的試驗臺為專門試驗臺,主要由控制柜、真空測量系統、加熱系統、真空室、液氮槽、真空機組和卡具等組成。真空室浸泡在液氮槽內,以獲得- 96 ℃超低溫,加熱系統安裝在真空室內,用于烘烤真空設備,渦輪泵由卡具固定后置于真空室內,真空機組在真空測量和控制系統的作用下將真空室抽至1×10-4Pa超高真空,向卡具內渦輪泵沖高壓氦氣,進行檢漏試驗。本真空室為該型號渦輪泵靜密封結構方案試驗提供DN800 大直徑, -196℃超低溫,1×10-4Pa超高真空和漏率小于1×10-7Pa·m3/s的試驗環境。
目前國內超低溫、超高真空的真空室直徑一般不大于DN400 ,DN800大直徑真空室的研制在國內尚屬首創。在超低溫、超高真空、大直徑真空室研制中,密封結構和密封材料是兩個最關鍵的問題。
本文采用有限元分析軟件COSMOS,對該真空室的V 型槽鉛絲密封進行了數值模擬,并進行了相應的抽真空密封試驗。
密封結構及密封材料
密封結構
直徑小于DN200的真空室密封,一般采用平面密封、斜楔密封、圓錐面密封、刀口密封、臺階密封和惠勒(Wheeler)密封等標準密封形式,但具有形狀復雜、加工精度要求高等缺點,直徑大于DN800的真空室密封難以達到。為克服上述缺點,在該真空室設計中,采用了60°V型槽密封結構,見圖1。
圖1 60°V 型槽鉛絲密封結構
可見,超低溫、超高真空、大直徑真空密封中,60°V型槽鉛絲密封的結構要素有4個,即錐角θ、密封面的表面粗糙度、密封件材料和密封件絲徑。其中錐角θ和密封面的表面粗糙度屬于密封結構要素,密封件材料和密封件絲徑屬于材料要素。
先來研究密封結構的密封面的表面粗糙度問題。直徑DN200以下的密封面,標準和相關資料中,建議表面粗糙度取1.6～0.2,但直徑DN800的法蘭密封槽60°V 型槽處較難達到,由于鉛絲密封比壓小(у= 2.5 MPa),本設計中表面粗糙度取為3.2,加工較容易達到,試驗表明密封效果良好。
密封件材料
密封件材料的選取是設計的另一關鍵,超高真空的靜密封由于受高溫烘烤和出氣率(見表1)的限制,橡膠密封不能滿足密封要求。真空室內在平衡壓強1×10-4Pa下(真空室設計指標)的允許放氣量為
Q= pS=1×10-4×0.0075 = 7.5×10-7
式中Q為放氣量,Pa·m3/s;p為真空室內平衡壓強(真空室設計指標),Pa;S為抽空機組抽速(真空機組設計指標),m3/s。1.5h狀態下,以Viton橡膠的出氣量為最小。
直徑φ5 mm 的Viton 橡膠的平均出氣量為
Q = VA = 5.72×10-5
式中 V為橡膠出氣速率,Pa ·L/(s·cm2);A為密封圈放氣面積,m2 。
表1 橡膠的出氣速率
在不考慮真空室鋼結構的放氣的情況下,Viton橡膠的平均出氣量仍遠遠大于真空室內在平衡壓強1×10-4Pa下的允許出氣量,顯然橡膠密封不適用。氟塑料的工作溫度范圍為-200～+200℃,但它因相對柔性(溫度高柔軟性增加)和冷流現象,彈性小,且具有較大的殘余變形,也不適用超低溫、超高真空、大直徑密封。
在超低溫、超高真空密封中,軟金屬密封材料能很好地克服上述缺點。金、銀、無氧銅、鋁、銦等軟金屬是常用的軟金屬材料,但真空標準中金屬密封材料只推薦使用在直徑不大于DN200的真空室及真空管道密封中,在大直徑超低溫超高真空密封上的應用,國內未見報道。
超低溫、超高真空、大直徑真空密封的設計,在密封材料選擇上必須綜合考慮材料的耐高溫、耐低溫、彈性、塑性、密封比壓以及加工成型等問題。綜合比較上述材料性能,用Pb1鉛絲作為密封材料,且絲徑取φ3 mm。
