高速高壓螺旋槽干氣密封端面溫度的測試分析

陸俊杰，丁雪興，張偉政，嚴如奇，張英杰

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

引 言

螺旋槽干氣密封的應(yīng)用范圍從低速、常壓擴大到高速、高壓[1-3]。大壓降引起的熱耗散和摩擦熱產(chǎn)生的溫升是密封環(huán)產(chǎn)生熱應(yīng)力的根源，而熱應(yīng)力和變形使密封端面接觸的可能性增加，可能導(dǎo)致端面磨損，從而影響密封的穩(wěn)定性，因此干氣密封研究向微尺度熱流體力學(xué)發(fā)展[4]。

Beskok等[5]采用二階滑移邊界條件研究了平行平板之間的滑移流動問題。姜培學(xué)等[6]對微槽道流體流動和傳熱與常規(guī)尺度差異的原因分析了速度滑移和溫度跳躍區(qū)。丁雪興等[7]應(yīng)用二階非線性滑移邊界條件對非線性雷諾方程進行近似求解。Offermann等[8]應(yīng)用熱彈變形等理論研究了熱彈效應(yīng)對載荷的影響。丁雪興等[9-10]研究熱耗散變形下對氣膜流動的影響，得到螺旋槽內(nèi)溫度場分布。陳志等[11]建立了干氣密封環(huán)和密封間隙的3維模型，在Workbench軟件求解得到其溫度場。Andres等[12]在高溫下，比較了3種不同類型氣體密封的泄漏情況。Faria等[13]研究發(fā)現(xiàn)端面溫度場會受密封槽形的影響。Blasiak等[14]為研究非接觸液膜密封的溫度分布，建立了3維端面熱動力學(xué)模型。Wang等[15]利用仿真手段，對高溫氣冷下的干氣密封進行了熱流體分析。許靜等[16]考慮了氣膜的熱黏效應(yīng)對干氣密封性能的影響規(guī)律。

在干氣密封端面密封性能的試驗研究方面， Etsion等[17]采用傳感器對非接觸式機械密封的靜環(huán)進行監(jiān)測。Kollinger[18]通過試驗解釋了軸向激勵振動對氣體潤滑機械密封穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的影響。Kolomoets等[19]用實驗研究方法得到了干氣密封使用的介質(zhì)壓力和旋轉(zhuǎn)速度等工況參數(shù)。Kasem等[20-21]對瞬態(tài)溫度場進行了連續(xù)監(jiān)測。Huang等[22-23]在密封環(huán)端面安裝傳感器，利用聲發(fā)射監(jiān)測手段對干氣密封性能參數(shù)進行研究。徐萬孚等[24]通過試驗運行了螺旋槽干氣密封，并提出了密封系統(tǒng)“角相氣膜振蕩”的現(xiàn)象及其抑制的原理。陳銘等[25]采用金屬管浮子流量計、電渦流位移傳感器等設(shè)備對干氣密封性能參數(shù)進行了測量。錢恩等[26]闡述了基于虛擬儀器技術(shù)對氣體端面密封試驗臺的測試。俞樹榮等[27]采用測試軟件，并選用相應(yīng)的傳感器等設(shè)備，對影響密封性能的參數(shù)進行了測試。丁雪興等[28]采用高精度電渦流微型傳感器,對干氣密封氣膜振動位移等參數(shù)進行了測量。魏龍等[29]利用試驗研究了磨合過程平均膜厚的變化規(guī)律。

以上針對干氣密封微尺度熱力學(xué)研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是對于干氣密封動靜環(huán)溫度場的研究和測試分析仍相當(dāng)缺乏[30]。動環(huán)螺旋槽吸入氣體并壓縮氣體，根部為壓力最高點，尤其在高工況下，大壓降引起的熱耗散作用使得動靜環(huán)端面溫度上升。理論要通過試驗進行驗證與指導(dǎo)，因此，密封端面溫度試驗顯得尤為重要。

本文采用LabVIEW編寫程序建立干氣密封溫度場測試系統(tǒng)，選用符合高工況的傳感器等設(shè)備，采取抑制干擾的措施，對動環(huán)端面溫度進行測量。本文的創(chuàng)新點在于高工況參數(shù)、端面溫度波動、動靜環(huán)的間隙在微米級別等問題都對溫度測試造成極大的困難。這是國內(nèi)測試研究的重點也是國內(nèi)外測試研究的難點。本文重點對不同壓力、轉(zhuǎn)速下和啟停階段，動環(huán)端面溫度進行測試，測得動環(huán)端面的溫度分布情況，并通過LabVIEW對測得數(shù)據(jù)進行處理，分析動環(huán)端面溫度分布的原因。為今后考慮熱耗散影響下的槽形優(yōu)化提供了依據(jù)和指導(dǎo)作用。

1 動環(huán)端面溫度的測試技術(shù)

1.1 端面溫度測試原理

圖1 溫度傳感器相對靜環(huán)布置圖 Fig.1 Temperature sensor arrangement in static ring

動環(huán)材料為硬質(zhì)合金，并且在軸上高速旋轉(zhuǎn)。所以動環(huán)端面的溫度分布具有同軸性，即溫度沿動環(huán)徑向位置分布。采用3路溫度傳感器進行測試，對應(yīng)動環(huán)螺旋槽的外徑、根徑和內(nèi)徑，可以測得動環(huán)端面3處不同位置的溫度變化。由于靜環(huán)端面寬度較窄，因此將3個溫度傳感器分開布置，即相隔120°。動靜環(huán)間隙只有3～5 μm，通過安裝與動環(huán)端面對應(yīng)的溫度傳感器，測量動環(huán)3處徑向位置的溫度變化，同時，溫度傳感器將測量到的信號，通過臺灣研華ADAM-4051溫度采集卡，即可測出溫度值。

1.2 溫度傳感器的選擇及布置

由于動靜環(huán)間隙只有微米級別且高速、高壓對傳感器的影響，都會使一般的傳感器難以對溫度變化做出精確的響應(yīng)，測量難度極大。因此，溫度傳感器選擇規(guī)格型號為PT100 M 222 20NIPt6，德國賀利氏 1/3B級精度芯片，為鉑熱電阻。這種傳感器能承受的溫度范圍為－50～450℃, 穩(wěn)定性：R0漂移小于等于 0.04%（450℃，1000 h后），熱響應(yīng)時間：0.1 s。傳感器布置：在靜環(huán)端面開3個相隔120°與靜環(huán)圓心的距離分別為 96.75、102和107.75 mm的孔（圖1），隨后在孔內(nèi)安裝 3 個圓柱形探頭，使得靜環(huán)端面與探頭端面平齊，再封裝而成。這3個探頭傳感器對應(yīng)動環(huán)端面外徑、根徑和內(nèi)徑區(qū)域，由于靜環(huán)和動環(huán)的平衡間隙只有3～5 μm，因此通過靜環(huán)上的探頭即能測得動環(huán)端面的溫度。

2 干氣密封測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)簡介

此次進行試驗的臺子是針對壓縮機上的密封產(chǎn)品而搭建的，在這臺試驗裝置上安裝雙端面螺旋槽干氣密封（可以承受高轉(zhuǎn)速和高介質(zhì)壓力）做測試。使用壓力為0～5.0 MPa，轉(zhuǎn)速可在0～10000 r·min-1范圍內(nèi)自由調(diào)控，其主要組成包括：傳動系統(tǒng)，密封系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)。干氣密封測試系統(tǒng)原理如圖2所示，在試驗臺相應(yīng)的部位安裝傳感器采 集相應(yīng)的物理信號，通過信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和輸出端等相應(yīng)的硬件設(shè)備再傳送到計算機。

圖2 干氣密封測試系統(tǒng)原理圖 Fig.2 Principle diagram of dry gas seal test system

雙端面螺旋槽干氣密封選用雙列對置式（背靠背）的結(jié)構(gòu)，與普通多彈簧平衡型機械密封類似，也是由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧共同組成密封副，不同的是干氣密封的密封端面寬，旋轉(zhuǎn)環(huán)密封面經(jīng)過研磨、拋光處理。

2.2 軟件系統(tǒng)

LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。

2.3 抑制干擾的措施

本次所搭建的干氣密封測試試驗臺地點為生產(chǎn)車間?，F(xiàn)場試驗設(shè)備較多，設(shè)備之間距離較近，這種干擾的電磁能量傳導(dǎo)至干氣密封的敏感儀器，從而產(chǎn)生干擾效應(yīng)。針對上述情況，干氣密封測試系統(tǒng)抑制干擾主要有以下幾項措施。

（1）采用接地技術(shù)，在一定程度上抑制干擾源的干擾。

（2）盡量縮短傳導(dǎo)線的長度并采用了高密屏蔽銅網(wǎng)；其次將密封樣機試驗臺、測試儀器和電腦等設(shè)備排布緊密，改善傳輸通道的抗干擾能力。

（3）定制了高輸入阻抗的采集卡（輸入阻抗10 M提高到1 G），保證干擾電流對流入信號沒有影響。

（4）采集卡選用了雙端輸入的方式（正負兩個通道實現(xiàn)一路信號的輸入），可以有效降低共模干擾信號，改善測試設(shè)備的抗干擾能力。

（5）動環(huán)端面溫度采用了濾波技術(shù)進行處理。

3 不同壓力和轉(zhuǎn)速下動環(huán)溫度的測試與分析

由于試驗針對壓縮機用雙端面螺旋槽干氣密封，測試的工況參數(shù)均為高速高壓，壓力p從2、2.5、3、3.5到4 MPa；轉(zhuǎn)速n從6000、7000、8000、9000到10000 r·min-1進行測試。由于傳感器的理論承壓能力為5 MPa，理論承受溫度能力為120℃?？紤]到端面?zhèn)鞲衅鞯某袎耗芰?，此次試驗最高壓力? MPa，最高轉(zhuǎn)速為10000 r·min-1。

3.1 轉(zhuǎn)速一定，不同壓力下動環(huán)溫度分布

選取轉(zhuǎn)速n=10000 r·min-1時，壓力p=2～4 MPa時動環(huán)端面溫度分布情況，如圖3所示。將原始數(shù)據(jù)圖處理后，放入同一張坐標軸圖下，如圖4所示，利于對數(shù)據(jù)進行觀察、比較和分析。

圖3 n=10000 r·min-1時p=2～4 MPa端面溫度數(shù)據(jù) Fig.3 Face temperature data in p=2—4 MPa when n=10000 r·min-1

由圖4可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速n=10000 r·min-1時，端面溫度隨著壓力的增加而上升，而且升溫速率逐漸加快。在n=10000 r·min-1，p=4 MPa下，根徑處的溫度達到最高值，為90.90℃，并且溫度有繼續(xù)上升的趨勢。端面外徑、根徑和內(nèi)徑溫度同時升高，變化趨勢具有一致性，說明熱源通過熱傳導(dǎo)和對流換熱的方式傳遞到動環(huán)端面。在端面上溫度的分布為根徑溫度大于內(nèi)徑溫度大于外徑溫度。由于n=10000 r·min-1，p=2～4 MPa的變工況下，干 氣密封系統(tǒng)動靜環(huán)處于非接觸狀態(tài)，動環(huán)螺旋槽吸入氣體并且在槽內(nèi)不斷壓縮氣體，在槽根部氣體壓力達到最大，而內(nèi)徑又為壓力出口處，因此根徑區(qū)域為壓力變化的轉(zhuǎn)折點，大壓降引起熱耗散所產(chǎn)生的溫升為主要因素，導(dǎo)致根徑處的溫度處于最高點。由于動環(huán)外徑的線速度大于內(nèi)徑，因此外徑的對流換熱速率更快，將更多熱量傳遞給了周圍介質(zhì)，所以外徑溫度為最低。另外，圖5中端面溫升速率隨著壓力升高而加快，也說明了大壓降的程度越高，引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升速率也越快。

圖4 n=10000 r·min-1時p=2～4 MPa端面溫度分布圖 Fig.4 Face temperature distribution in p=2—4 MPa when n=10000 r·min-1

3.2 壓力一定，不同轉(zhuǎn)速下動環(huán)溫度分布

選取壓力p=3 MPa時，轉(zhuǎn)速n=6000～10000 r·min-1的動環(huán)端面溫度分布情況，如圖5所示。將原始數(shù)據(jù)圖處理后，放入同一張坐標軸下，如圖6所示，利于對數(shù)據(jù)進行觀察、比較和分析。

由圖6可知：當(dāng)壓力p=3 MPa時，端面溫度隨著轉(zhuǎn)速的提高而上升，基本呈線性關(guān)系，端面外徑、根徑和內(nèi)徑溫度也同時升高，變化趨勢具有一致性。在端面上溫度的分布同樣為根徑溫度大于內(nèi)徑溫度大于外徑溫度。由于p=3 MPa時，n=6000～10000 r·min-1的變工況下，干氣密封系統(tǒng)動靜環(huán)處于非接觸狀態(tài)，動環(huán)螺旋槽不斷壓縮槽內(nèi)氣體，在槽根部氣體壓力達到最大，因此根徑區(qū)域同樣為壓力變化的轉(zhuǎn)折點，因此大壓降引起熱耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因，導(dǎo)致根徑處的溫度處于最高點；同時外徑溫度為最低，說明動環(huán)端面外徑的線速度最大，因此外徑的對流換熱速率最快，把端面更多熱量傳遞給了周圍介質(zhì)。

圖5 p=3 MPa時，n=6000～10000 r·min-1端面溫度數(shù)據(jù) Fig.5 Face temperature data in n=6000—10000 r·min-1when p=3 MPa

對圖4和圖6比較分析可知：在不同壓力和不同轉(zhuǎn)速的條件下，端面溫度分布中，根徑溫度始終最高，并且隨著壓力和轉(zhuǎn)速的升高而上升，這說明動靜環(huán)非接觸狀態(tài)下，槽根部壓力達到了最高（即動壓效應(yīng)），因此大壓降引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因，最終導(dǎo)致根徑溫度最高。這與先前考慮熱耗散變形下微尺度氣膜流動特性研究和溫度場計算[10-11]，得到的理論結(jié)果吻合，通過測試技術(shù)和分析，驗證了本文理論的正確性，以及根徑區(qū)域為溫度最高點。

圖6 p=3 MPa時，n=6000～10000 r·min-1端面 溫度分布圖 Fig.6 Face temperature distribution in n=6000—10000 r·min-1when p=3 MPa

4 密封端面啟停階段溫度場測試與分析

4.1 啟動階段端面溫度分布及分析

由圖7可知：密封系統(tǒng)在啟動階段動環(huán)端面的溫度分布與在變工況條件下的端面溫度分布不一樣。啟動階段：外徑溫度為最高，根徑溫度大于內(nèi)徑溫度。這是由于在干氣密封啟動階段，動環(huán)和靜環(huán)處于貼合狀態(tài)，因此在接觸狀態(tài)下，動環(huán)螺旋槽根部的壓力與內(nèi)外徑壓力一致，沒有壓降，因此以固體壁面間摩擦所產(chǎn)生的溫升為主要原因。根據(jù)徑向位置的不同，外徑線速度最快，導(dǎo)致切向剪切力為最大，所以產(chǎn)生的溫度也必然為最高。

圖7 啟動階段端面溫度場分布圖 Fig.7 Face temperature distribution when starting phase

4.2 停止階段端面溫度分布及分析

在測試過程中，測試完n=10000 r·min-1和p=4 MPa的端面溫度后，將轉(zhuǎn)速和壓力開始下調(diào)，使干氣密封處于停止階段并繼續(xù)測試，如圖8所示。

圖8 停止階段端面溫度場分布圖 Fig.8 Face temperature distribution when stopping phase

由圖8可知：在停止階段，端面溫度分布有兩 種。在停止階段，動靜環(huán)將從分離狀態(tài)逐漸貼合，因此溫度分布有變化。溫度分布可以分為兩個階段：

第1階段，根徑溫度大于內(nèi)徑溫度大于外徑溫度。從n=10000 r·min-1和p=4 MPa工況開始降速降壓，由于動環(huán)螺旋槽對氣體繼續(xù)壓縮并且在槽根部的壓力仍為最大，保持了動壓效應(yīng)，動靜環(huán)端面處于分離狀態(tài)。壓力最高點和溫度最高點都出現(xiàn)在根徑位置，這說明在非接觸狀態(tài)，根部的大壓降引起的熱耗散所產(chǎn)生的溫升為主要因素。

第2階段，外徑溫度大于根徑溫度大于內(nèi)徑溫度。隨著降壓和降速的持續(xù)，動壓效應(yīng)消失，動靜環(huán)開始貼合。從非接觸狀態(tài)過渡到了接觸狀態(tài)，根部壓降不存在后，以固體壁面間摩擦為主要原因，因此外徑溫度最高。

對圖7和圖8比較分析可知：當(dāng)動靜環(huán)貼合時，動環(huán)螺旋槽根部沒有了壓降，因此在接觸狀態(tài)下以固體壁面間摩擦為主要原因，同時，啟停階段的溫度分布和原因也佐證了動靜環(huán)處于非接觸狀態(tài)下，螺旋槽根部的壓力達到最大值，以大壓降熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因，導(dǎo)致根徑溫度最高。

5 結(jié) 論

（1）針對壓縮機用雙端面螺旋槽干氣密封，采用相應(yīng)的軟件、硬件和測試技術(shù)，對高工況下的動環(huán)端面溫度進行了測試分析。

（2）高速高壓下，動環(huán)端面溫度分布為根徑大于內(nèi)徑大于外徑，壓力最高點和溫度最高點都出現(xiàn)在槽根部，說明在非接觸狀態(tài)下，大壓降引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因。

（3）啟停階段端面溫度分布有所不同，說明在接觸狀態(tài)下，以固體壁面間的摩擦產(chǎn)熱為主要原因，同時也佐證了動靜環(huán)在非接觸狀態(tài)下，以大壓降引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因。

（4）動環(huán)端面的溫度分布情況和原因驗證了先前考慮熱耗散對氣膜流動特性的研究與分析，證明了槽根部為溫度最高點。也為今后考慮熱耗散影響下的槽形優(yōu)化提供了依據(jù)。

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