液氧煤油发动机密封波纹管性能指标及标准

张文良，陈杰，李向阳，张秀华，李敏，宋林红，黄乃宁，刘雪利，于翔麟

（1.沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳 110168；2.西安航天动力研究所，西安 710100）

0 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。由密封波纹管、弹簧及石墨环组成机械密封在液氧泵中发挥密封作用[1-3]。液氧泵机械密封工作温度为-183 ℃, 工作压力为1～2 MPa，端面平均线速度为60～75 m/s。密封波纹管要经受涡轮泵轴向和径向较大振动载荷。密封波纹管的作用为密封和提供弹性补偿，解决低温密封问题的同时，能够提供均匀可靠补偿力。密封波纹管的密封结构简单，且不需要辅助密封系统；发动机预冷充填时，密封泄漏量为0；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。密封波纹管的密封性能对保证发动机的可靠工作至关重要。

密封波纹管的制造、检验尚没有国内外标准可以完全借鉴[4-7]，国家军用标准《液氧煤油发动机密封波纹管规范》已经报批，用于规范密封波纹管的生产及检验等。

1 标准相关性分析

相关标准主要包括GJB 1914A—2020《军用金属波纹管通用规范》、GJB 9790—2020《火箭发动机用摇摆波纹管规范》、JB/T 6169—2006《金属波纹管》。

GJB 1914A《军用金属波纹管通用规范》规定了军用金属波纹管的共性要求和验证方法[8]。作为通用规范，对波纹管的性能无法给出具体的指标要求。《液氧煤油发动机密封波纹管规范》在《军用金属波纹管通用规范》的基础上进行了补充，规定了液氧煤油发动机密封波纹管的全部要求和验证方法，对性能参数给出了具体指标要求，是能够独立使用的规范。

GJB 9790—2020《火箭发动机用摇摆波纹管规范》规定了火箭发动机用于姿态控制的摇摆波纹管的性能指标要求和验证方法[9]。技术指标侧重于摇摆波纹管角向位移的摇摆刚度、摇摆疲劳寿命、爆破压力。《液氧煤油发动机密封波纹管规范》技术指标侧重于对密封性能及可靠性能影响较大的波纹管轴向位移的轴向刚度、轴向疲劳寿命、有效面积等。两者标准化对象的结构形式不一样，要求的性能指标不一样，检验方法存在较大差异。

在波纹管行业内应用较为广泛的JB/T 6169—2006《金属波纹管》标准规定了金属环形波纹管的分类原则、系列划分原则和使用性能的基本要求及试验方法。适用于在仪器仪表及传感器中使用的波纹管（简称敏感类波纹管）；也适用于各类补偿器中使用的波纹管、密封隔离件、弹性支承件、减震器及挠性连接件中用的波纹管（简称通用类波纹管）[10]。该标准适用的波纹管结构型式未覆盖密封波纹管产品内部加强的结构，要求的性能指标未包含材料晶粒度、波纹管层间质量等，检验方法中未提供具体可行的波纹管同轴度检验方法等。

2 标准规定的性能

2.1 结构

液氧煤油发动机涡轮泵密封波纹管由波纹管、衬垫、加强环组成，典型结构如图1所示。

图1 密封波纹管典型结构示意图

2.2 波纹管用材料

波纹管用材料如表1所示。材料应进行检验，保证化学成分、材料性能符合材料标准的规定。波纹管管坯还应符合以下要求：壁厚应符合设计图样要求，壁厚公差±0.01 mm；固溶处理后应进行晶粒度的测定，晶粒度级别应不小于7级。

2.3 技术要求

2.3.1 外观波纹管的内外表面应无目视可见的尖锐压坑、压痕、划伤、裂纹、凹痕、鼓包等缺陷，允许有轻微分模痕迹；波纹管内外表面应无目视可见的锈斑、氧化皮等缺陷；波纹管两端面切口双层应齐平，各层切口应无目视可见错位和明显分层；波纹管内外表面不应有水、油、污物等杂质。

加强环开口的一端应与衬垫焊接固定。加强环安装在波纹管内，3个加强环开口位错120°。

2.3.2 几何尺寸

波纹管几何尺寸应符合设计图样要求。波纹管两端接口直边的同轴度应不大于φ0.3 mm。

2.3.3 刚度

波纹管在压缩3 mm条件下，刚度值为35～50 N/mm。

2.3.4 残余变形

波纹管压缩2 mm条件下，残余变形不大于3%；拉伸2 mm条件下，残余变形不大于11%。

2.3.5 有效面积

波纹管有效面积为4190 mm2，偏差为±8%。

2.3.6 耐压能力波纹管在试验压力3.0 MPa（外压）下，保持5 min，不允许泄漏与失稳。

2.3.7 气密性

泄漏率应不大于6.5×10-9Pa·m3/s。

2.3.8 疲劳寿命

波纹管在试验压力0.5 MPa（内压）下，预压缩0.5 mm，轴向位移±1 mm，循环30万次后应无破坏，气密性满足泄漏率要求。

3.1.1 EOLDs的第一原则:即患者可以自主决定，并在医生告知病情、预后等情况下，医护人员和患者家属必须尊重患者自由表达对治疗和护理的意愿[21]。鉴于危重患者在疾病的情况下大部分患者无法自主决定[22]，可由代理人替患者做EOLDs。代理人是指患者授权的代理人、配偶、父母、成年子女、兄弟姐妹，此为大多数国家对患者代理人顺序的规定[23]。各个国家法律不同，导致EOLDs具体实践不同。

2.3.9 层间质量

波纹管层间应清洁、无油污、无夹杂异物、无目视可见的锈蚀和氧化皮。

3 标准规定的检验方法

3.1 外观

目视检查产品表面、加强环安装位置，必要时用5倍放大镜检查。

3.2 几何尺寸

使用分度值为0.02 mm的卡尺或精度相当的量具或仪器进行检测。

专用测量工装（其与波纹管的配合尺寸分别与实际产品相同）、百分表、车床。

将一件专用测量工装装夹在车床上并找正至工装轴向跳动量和径向跳动量均在0.03 mm以下，将波纹管一端接口直边安装入工装中，波纹管的另一端接口直边安装入另一专用测量工装中并对测量工装轴向施力，使波纹管处于压缩状态（压缩量0.7 mm，由工装保证），采用百分表测量此测量工装的外径跳动量，其测量值即为同轴度值。同轴度专用测量工装如图2所示。

3.3 刚度

专用刚度测试仪或组合式刚度测试仪器，压力值精度不低于示值的±0.1%，位移测量分度值不大于0.01 mm。

将波纹管垂直放置在测量平台上，对波纹管施加预压力为公称刚度值的10%后，施加集中力使波纹管产生3 mm压缩位移。刚度值计算公式为

3.4 残余变形

专用试验仪器或组合式试验装置，其位移测量分度值不大于0.01 mm。

将波纹管垂直放置于测量平台上，测量波纹管原始长度，对波纹管施加力，使波纹管产生2 mm的压缩（拉伸）位移，预测一次后，正式测试。保持压缩（拉伸）位移状态2 min，去除外力，静置5 min，测量残余变形量ΔS，计算残余变形百分率λ。

残余变形百分率计算公式为

式中：λ为残余变形百分率；ΔS为残余变形量，mm。

3.5 有效面积

专用或组合式试验装置，其位移测量分度值为0.01 mm，力值精度不低于示值的±0.1%，压力指示精度不低于±0.4%。

将波纹管垂直放置于测量平台上，测量波纹管原始高度，对波纹管内施加均布力，波纹管外施加集中力，使波纹管位移为零，测得均布力P和集中力F，有效面积计算公式为

式中：Ae为有效面积，mm2；P为均布力，MPa。

3.6 耐压能力

耐外压试验装置，压力缸、液压泵、压力表指示精度为1.6级。试验介质为去离子水。将波纹管两端端口密封，保证波纹管处于自由长度并限位，放入压力缸内，对波纹管施加外压至3.0 MPa，保压5 min，泄压后观察判断有无泄漏、破坏和失稳。

3.7 气密性

采用氦质谱检漏仪、专用密封装置。试验介质为工业用氦气。将波纹管安装在专用密封装置内密封并与氦质谱检漏仪接好，对波纹管抽真空。当达到可检测压力时，利用喷吹法或氦罩法，使氦气分布在波纹管常压一侧的外表面，直接读取氦质谱检漏仪显示的漏率数值。

3.8 疲劳试验

试验设备疲劳试验机，位移测量分度值为0.01 mm；压力表指示精度为1.6级。试验介质为非易燃易爆、无腐蚀性洁净干燥的气体。

将波纹管安装在疲劳试验机上，调整活动横梁至波纹管预压0.5 mm，试验位移±1 mm，试验内压力为0.5 MPa（气压），循环30万次后检查试件是否有破坏并测量气密性。

3.9 层间质量

沿波纹管纵向切3条检验用试件，对试件进行分层剥离检查。

4 检验规则

4.1 检验分类

检验分质量一致性检验和鉴定检验，检验项目如表2所示。

表2 检验项目及顺序

4.2 质量一致性检验

质量一致性检验分为A组检验和D组检验。质量一致性检验项目及顺序按表2进行。

4.3 鉴定检验

鉴定检验样品数为6件，按表2中序号1～6项要求检验合格后，3件进行序号7、8、10、11项检验，其余3件进行序号9、12项检验。

5 结语

目前国内已经具有多年生产和使用密封波纹管的经验，积累了大量的数据。随着液氧煤油火箭发动机批量生产，对密封波纹管的需求量将进一步增加，产品质量趋于稳定，技术指标合理，标准制定、发布实施的时机已经成熟。

《液氧煤油发动机密封波纹管规范》规定的密封波纹管用于液氧煤油火箭发动机涡轮泵密封，也适用于其他旋转式机械的金属波纹管型机械密封。该标准除了对液氧煤油发动机密封波纹管结构、材料、外观等有了更细致的规定外，对于密封波纹管产品的制造、检验的要求也更为严格，并且针对产品特点给出了具体可行的试验方法和检验规则。