旋转式唇形密封圈开启特性研究

张树强，陶 正，陈 杰，王 良，赵伟刚

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

旋转式唇形密封圈开启特性研究

张树强，陶 正，陈 杰，王 良，赵伟刚

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

为研究对唇形密封圈可重复使用至关重要的开启性能，建立了唇形密封圈临界开启判据和仿真计算模型，求解了临界开启转速。研究了弹簧紧箍力、唇口过盈量以及泵入口压力对临界开启转速的影响规律，进行了唇形密封圈水运转试验。结果表明：随着弹簧紧箍力的增加，临界开启转速呈线性增加，推荐弹簧紧箍力取值范围为0.1～0.3 N/mm；当唇口过盈量从0.1 mm增加到0.8 mm时，临界开启转速增加量仅为1%，推荐唇口过盈量取值范围为0.3～0.6 mm；泵入口压力对临界开启转速影响较大，当泵入口压力较高时，可以通过减小弹簧紧箍力来降低临界开启转速；泵入口压力从0.4～0.75 MPa变化时，临界开启转速的理论研究结果与试验研究结果偏差范围为2%～7.2%，表明关于唇形密封圈开启转速的数值计算是正确的。

旋转式唇形密封；开启特性；试验研究

0 引言

唇形密封圈由于结构简单、紧凑，摩擦功耗小，因而在低压、低速环境的旋转轴密封中被广泛应用（通常安装在密封壳体中，工作时不与转轴一起旋转）。在液氧/煤油火箭发动机燃料泵入口密封组件中，唇形密封圈与液封轮组合使用（被用作停车密封），并与机械密封形成组合式密封。燃料泵静止时要求唇形密封圈能够完全阻止泵腔燃料泄漏，燃料泵运转时唇形密封圈与液封轮一起旋转，液封轮起密封作用，唇形密封圈唇口开启，实现非接触运转，此时会有少量煤油泄漏对机械密封摩擦副进行润滑，防止干摩擦。此类密封的设计重点与难点为唇形密封圈开启转速的选取：密封开启转速如若过低，燃料泵在到达额定转速之前，会有较多的介质通过密封唇口泄漏；密封开启转速如若过高甚至无法开启，唇形密封圈就会因为唇口严重磨损而失效，进而影响密封可重复使用。

开启转速是唇形密封圈重要性能参数，影响密封启动时的介质泄漏量或可重复使用性。鉴于目前没有可循的设计方法进行唇形密封圈开启转速的计算，只能采用试验研究方法或者设计者经验进行产品设计。因此，开展液体火箭发动机燃料泵用唇形密封圈开启特性的研究，对提高密封产品可靠性以及节约设计成本至关重要。本文在建立唇形密封圈临界开启判据和数值计算模型的基础上，研究了其开启性能，即求解了临界开启转速。分析了设计参数和操作参数对唇形密封圈临界开启转速的影响规律，并且进行了唇形密封圈水运转试验，对数值计算结果进行了验证。研究结果对唇形密封圈实际设计具有一定指导意义。

1 基本结构及受力分析

1.1 基本结构

唇形密封圈基本结构如图1所示，由橡胶体、骨架和紧箍弹簧3部分组成，其中橡胶体是关键部分，密封唇口与密封壳体过盈配合，发动机静止时起密封作用，阻止泵腔燃料泄漏。橡胶体腰部可维持必要的弹性，以保证适应转轴的偏心与浮动。骨架的功能在于增大唇形密封圈的刚度，防止装配时橡胶体变形过大，并便于安装。紧箍弹簧的作用在于箍紧唇口，使其具有适当的径向力，保证唇口有良好的密封性能，同时唇口磨损后能自动补偿。

图1 唇形密封圈基本结构及受力分析Fig.1 Fundamental structure and mechanics analysis of lip seals

1.2 受力分析

为研究唇形密封圈开启性能，对其开启时的受力进行了分析，如图1所示。阻止唇形密封圈开启的力包括弹簧紧箍力Fs、唇形密封圈自身回复弹力Ft以及流体作用力Fp，促使唇形密封圈开启的力为离心力Fω。紧箍弹簧的拉伸量和刚度越大，弹簧紧箍力Fs也越大；在唇形密封圈橡胶体材质一定的情况下，橡胶体腰部越短，截面尺寸越宽，回复弹力Ft越大；流体作用力Fp和唇形密封圈唇部上方的流体压力p大小有关。

2 开启特性数值计算

2.1 临界开启判据

发动机启动后，唇形密封圈在离心力的作用下，密封唇口与密封壳体的过盈量逐渐减小，当过盈量变为零时，唇形密封圈临界开启，此时对应的转速为临界开启转速no（如图2所示）。临界开启转速表征了唇形密封圈的开启性能，为求解临界开启转速，需建立临界开启判据：发动机运转后，当密封唇口的径向位移δy等于初始过盈量σ时，唇口与密封壳体处于临界非接触状态，唇形密封圈临界开启。临界开启条件为

图2 唇形密封圈临界开启示意图Fig.2 Schematic of lip seals critical opening

2.2 数值计算模型

根据唇形密封圈安装结构，采用ANSYS软件建立了其临界开启转速二维数值计算模型，如图3所示。其中在边界A1-A8加载流体压力p（Pressure），A5点加载弹簧紧箍力Fs（Force），此外，整个唇形密封圈加载绕转轴旋转的角速度ω（Rotational Velocity）。

图3 唇形密封圈脱开转速数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model of lip seal separation rotary speed

2.3 边界条件的确定

回复弹力Ft与橡胶体材质的物理性能以及唇形密封圈结构有关，数值计算时可根据所建立的模型自动确定，不用人为加载，其余边界条件确定如下：

1）流体压力p

唇形密封圈边界A1～A8加载的流体压力边界，其值等于泵入口压力pin减去液封轮密封能力Δp：

液封轮密封能力由下式计算：

式中：ρ为燃料密度；ω为转轴角速度；k为增压系数，一般为0.8～0.9；ri和ro分别为液封轮叶片内外经。

2）弹簧紧箍力Fs

弹簧紧箍力Fs可以通过如图4所示的受力分析进行计算。

图4 紧箍弹簧受力分析示意图Fig.4 Mechanics analysis of hoop fastening spring

图中T为弹簧张力，F为唇形密封圈作用在弹簧上的反力。选取角度为θ的一部分弹簧进行受力分析，竖直方向受力平衡，有如下关系式：

当θ很小时，sin（θ/2）≈θ/2，所以式（4）可以变为：

所以唇形密封圈作用在弹簧单位长度上的力f为

根据作用力与反作用力，可求得唇形密封圈单位长度上的弹簧紧箍力Fs：

3）转轴旋转角速度ω

转轴角度速度可由转速n计算，如下式：

2.4 计算流程

唇形密封圈临界开启转速计算流程如图5所示。首先给定转轴速度n，加载全部的边界条件，数值计算唇口径向位移δy，当唇口径向位移满足临界开启判据时，给定的转速n即为唇形密封圈的临界开启转速。若不满足临界开启判据，对给定的转速进行修正，重新计算直到结束。

图5 唇形密封圈开启转速数值计算流程Fig.5 Numerical calculation process for critical opening rotary speed of lip seal

3 计算结果及分析

3.1 临界开启转速计算

橡胶是一种超弹材料，不同种类的橡胶具有不同应力应变本构模型。本文计算时选定ANSYS材料库中与唇形密封圈橡胶材料相近的材料本构模型，其余主要计算参数如表1所示。

表1 计算参数Tab.1 Calculated parameters of lip seal

在表1所示的计算参数下，数值求解了唇形密封圈临界开启转速，其值为8 998 r/min，此时唇形密封圈唇口径向变形量为0.601 mm，等于其装配过盈量0.6 mm，唇形密封圈临界开启，唇口与密封壳体处于非接触状态。随着转轴速度继续上升，唇口径向变形量越大，开启间隙越大。

3.2 弹簧紧箍力对临界开启转速的影响

选取燃料泵入口压力0.4 MPa，唇口过盈量0.6 mm，研究了弹簧紧箍力对唇形密封圈临界开启转速的影响规律，如图6所示。

图6 弹簧紧箍力对临界开启转速的影响Fig.6 Influence of spring hoop fastening force on critical opening rotary speed

由图可知，随着弹簧紧箍力的增加，唇形密封圈临界开启转速呈线性增加。弹簧紧箍力的选取应该适当：紧箍力过小，唇形密封圈静态密封性不好，发动机停机时也不利于唇口的闭合；紧箍力过大，虽然有利于提高唇形密封圈静态气密性，但是会导致临界开启转速过高，不利于脱开。泵入口压力较高时，弹簧紧箍力的选取不能过高，一般情况下弹簧紧箍力的选取范围为0.1～0.3 N/mm。

3.3 唇口过盈量对临界开启转速的影响

选取燃料泵入口压力0.4 MPa，弹簧紧箍力0.1 N/mm，研究了唇口过盈量对唇形密封圈临界开启转速的影响规律，如图7所示。

图7 唇口过盈量对临界开启转速的影响Fig.7 Influence of lip-opening interference magnitude on critical opening rotary speed

由图可知，当唇形密封圈唇口过盈量从0.1 mm增加到0.8 mm时，临界脱开转速从8 925 r/min增加到9 018 r/min，增加量仅为1%，可知唇口过盈量对临界开启转速影响较小。唇口过盈量也应适当选取：过盈量过小，唇形密封圈静态密封性不好；过盈量过大，唇形密封圈开启前摩擦功耗大，加剧唇口磨损，影响多次使用。推荐唇形密封圈唇口过盈量选用范围为0.3～0.6 mm。

3.4 泵入口压力对临界开启转速的影响

选取唇口过盈量0.6mm，弹簧紧箍力0.1 N/mm，研究了泵入口压力对唇形密封圈临界开启转速的影响规律，如图8所示。

由图可知，当泵入口压力从0.2 MPa增加到0.8 MPa时，临界开启转速从5 635 r/min增加到13 375 r/min，增加量为137.3%，可知泵入口压力对临界开启转速影响较大。

图8 泵入口压力对临界开启转速的影响Fig.8 Influence of pump inlet pressure on critical opening rotary speed

4 试验研究

对唇形密封圈进行了水运转试验，以研究其开启性能。通过同步测量唇形密封圈的泄漏量和转轴速度，就可测得唇形密封圈的临界开启转速。在不同泵入口压力下，试验研究了唇形密封圈水运转临界开启转速，并与数值计算结果进行了对比分析，如图9所示。由图可知，泵入口压力从0.4～0.75 MPa变化时，临界开启转速理论研究结果与试验研究结果偏差范围为2%～7.2%，此偏差可以接受，表明本文关于唇形密封圈开启转速数值计算模型的建立是正确，能够指导密封的实际设计。

图9 理论计算和试验数据对比Fig.9 Contrast of theoretically-calculated result and experiment data

5 结论

建立了液体火箭发动机用唇形密封圈开启转速数值计算模型，提出了临界开启判据并进行了相关的水运转试验研究。主要结论为：随着弹簧紧箍力增加，唇形密封圈临界开启转速呈线性增加；泵入口压力较高时，弹簧紧箍力的选取不能过高，一般情况下弹簧紧箍力的选取范围为0.1～0.3 N/mm；唇口过盈量对临界开启转速影响较小，推荐唇形密封圈唇口过盈量选用范围为0.3～0.6 mm；泵入口压力对临界开启转速影响较大。

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（编辑：陈红霞）

Research on opening characteristics of rotary lip seals

ZHANG Shuqiang，TAO Zheng，CHEN Jie，WANG Liang，ZHAO Weigang
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

In order to research the opening behaviors of the rotary lip seals，which are vitally important for their repeated application，the critical opening criterion and numerical calculation model of the rotary lip seals were established to solve the critical opening rotary speed.The influences of spring hoop fastening force，interference magnitude of lip-opening and pump inlet pressure on the critical openingrotaryspeed were analyzed.The test oflip seals was performed in the medium of water. The results show that the critical opening rotary speed increases linearly with increase of spring hoop fastening force，thus the range of the recommendable value of spring hoop fastening force is 0.1～0.3 N/mm；when the interference magnitude oflip-openingincreases from 0.1 mm to 0.8mm，the increment of the critical opening rotaryspeed is only increased by 1%，thus the range of the recommendable value of interference magnitude of lip-opening is 0.3～0.6 mm；the pump inlet pressure results in big influence on critical opening rotary speed，thus the spring hoop fastening force should be decreased to reduce the critical opening rotary speed when the pump inlet pressure is higher.The deviation range of the theoretical research and test results is 2%～7.2%when the pump inlet pressure changes in the range of 0.4～0.75 MPa.

rotary lip seals；opening characteristic；experiment research

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0052-06

2015-11-05；

2016-06-06

张树强（1986—），男，硕士，主要研究领域为流体密封技术