按照我国载人航天登月需求,目前正在开展80 kN液氧/甲烷下降级膨胀循环发动机关键技术研究。为保证宇航员的安全性,实现着陆器的月面软着陆要求,发动机需具备10%～100%深度变推力调节能力。发动机系统通过改变涡轮工质流量,调节涡轮泵转速、流量和压力,实现发动机变推力要求。变推力过程中,氧涡轮泵采用的浮动环密封,受转速、密封压力的影响较大,能否可靠工作直接影响到涡轮泵的安全性与可靠性。本文依据发动机系统的变推力要求,对氧涡轮泵浮动环密封进行变工况仿真研究,为涡轮泵方案论证及设计提供理论依据。

氧涡轮泵为全周进气的单级亚音速冲击式涡轮驱动单级离心氧泵,涡轮工质为气态甲烷。为满足发动机深度连续变推力要求,氧涡轮泵涡轮端轴承采用甲烷冷却,以减小涡轮端悬臂尺寸,实现转子轴系在亚临界转速下工作,避免变转速过程中的转子临界转速共振问题。

涡轮端轴承和涡轮盘之间需设置动密封,以降低涡轮工质泄漏损失,并阻止涡轮工质进入轴承腔,避免轴承腔内气态和液态甲烷共存,导致轴承工作条件恶化,无法实现轴承的有效冷却,严重影响氧涡轮泵工作的安全性和可靠性。根据涡轮泵初步方案论证确定动密封工作参数如表1所示。由于涡轮端轴承腔压力较低,约为1 MPa,PV值约为56.5 MPa·m/s,可在轴承侧设置一道膜盒端面密封,而涡轮侧动密封PV值约为266 MPa·m/s,极大的超出了端面密封许用PV值。因此,此处动密封无法采用接触式密封,初步选取为两道浮动环密封,且在两道浮动环之间无介质泄出通道,以尽可能减小涡轮工质泄漏量。在端面密封和第二道浮动环之间设置甲烷泄出通道,排出箭体。浮动环密封结构如图1所示。

表1 动密封工作参数
Tab.1 Operating parameters of floating ring seal

图1 浮动环密封结构
Fig.1 Structure of floating ring seal

根据应用情况,浮动环结构形式有雷利槽式、直孔式、阶梯式和锥孔式,如图2所示。其中,锥孔式浮动环可以应用于较高密封压差条件,工作时浮动环处于偏心状态,内孔表面压力分布不同产生较大的横向流体静压力即浮起力,锥形结构使得浮动环具有良好的对中性能,可以避免浮动环磨损,提高工作寿命。该形式的浮动环在国外大推力火箭发动机氧涡轮泵中得到了成功应用,如SSME和LE-7等^[1-4]。因此,氧涡轮泵两级浮动环均采用锥孔式浮动环。

图2 常用浮动环结构形式
Fig.2 Common structure forms of floating ring seal

浮动环密封依靠轴(或轴套)与浮动环之间的密封间隙内的流体阻力效应而实现密封作用。工作时,密封间隙内的流体在压差流动和剪切流动下产生作用于浮动环的不平衡流体动压力和静压力F_浮,克服由密封介质压力F₁,F₂和轴向预紧力F_s作用产生的端面摩擦力F_阻,促使浮动环跟随转轴移动,可避免与转轴接触而磨损。浮动环受力情况如图3所示,主要结构参数如表2所示。

图3 浮动环受力分析
Fig.3 Force analysis of floating ring seal

表2 一、二级浮动环主要结构参数
Tab.2 Main structural parameters of the first and second floating ring seals

浮动环工作过程中,需满足自动定心、自动浮起条件和密封端面不脱开条件。浮动环设计时采用预载碟簧对浮动环施加稳定的轴向预载,完全可以保证浮动环密封端面与壳体不脱开。文献[5-6]中指出,浮动环工作过程中需考虑以下两个约束:

1)在低转速、高密封压力时,浮动环浮起力偏小,不足以克服摩擦力,导致浮动环无法正常浮起,致使浮动环磨损;

2)在高转速、低密封压力时,浮动环端面摩擦力过小,浮动环在浮起时由于惯性力过大亦会导致与转轴碰撞磨损。因此,应尽量避免浮动环在低转速、高密封压力和高转速、低密封压力条件下工作,以保证浮动环的工作可靠性。

80kN液氧/甲烷下降级发动机采用10%～100%深度变推力调节,不同工况下涡轮泵转速和涡轮腔介质密封压力差异较大,给发动机全工况范围内浮动环可靠性工作带来了一定的风险。浮动环密封按发动机额定推力工况进行结构设计,需对非设计工况下的浮起力和浮起阻力进行计算,确定浮动环浮起情况,进行变工况适应性分析。

本文根据载人航天登月80 kN液氧/甲烷下降级发动机深度变推力要求,对氧涡轮泵浮动环密封行了变工况适应性分析。分析结果表明,发动机全工况范围内,氧涡轮泵一、二级浮动环工作时偏心率介于0.4～0.6之间,浮动环工作可靠性高,具备深度连续变工况适应能力,可以满足发动机10%～100%变推力要求; 浮动环泄漏量约为2.58～39.4 g/s,后续可通过浮动环结构优化进一步降低泄漏量。