高壓液體潤(rùn)滑典型深槽機(jī)械密封性能的試驗(yàn)研究

王永樂(lè)，李 鯤，吳兆山，李 香，楊博峰

1 前言

端面開(kāi)有深槽的流體動(dòng)壓式機(jī)械密封是核電站主冷泵以及電廠鍋爐給水泵等流體設(shè)備常用的軸端密封[1～5]，此類(lèi)機(jī)械密封常用于高參數(shù)工況(高壓、高溫等)，主要是通過(guò)密封端面上的毫米級(jí)深槽來(lái)改善端面間的潤(rùn)滑狀況，提高端面液膜流體動(dòng)壓效應(yīng)。其密封機(jī)理較為復(fù)雜，一般認(rèn)為在介質(zhì)壓力和端面摩擦熱的作用下，在密封面形成周向的波度和徑向的錐度，周向波度產(chǎn)生流體動(dòng)壓作用力，徑向錐度產(chǎn)生附加的流體靜壓作用力，這種機(jī)理被稱(chēng)為熱流體動(dòng)力楔效應(yīng)[6,7]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，并不是每種槽型對(duì)所有工況條件都是最佳的，不同的型槽以及參數(shù)對(duì)于不同的工況都有各自的特點(diǎn)。為此本文針對(duì)不同槽型以及參數(shù)對(duì)密封性能的影響展開(kāi)試驗(yàn)對(duì)比研究。

2 機(jī)械密封試驗(yàn)裝置

在對(duì)槽型數(shù)值優(yōu)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工出3種不同槽型及參數(shù)的深槽機(jī)械密封，利用高壓清水密封試驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比研究。試驗(yàn)裝置主要由3部分組成，如圖1所示，第一部分為試驗(yàn)臺(tái)架，主要由變頻電機(jī)、聯(lián)軸器、扭矩轉(zhuǎn)速儀，軸承箱、主軸、密封腔體以及底座等組成。第二部分為試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)：以PLC為核心，通過(guò)壓力、溫度、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示；通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速；控制循環(huán)泵啟停。試驗(yàn)裝置第三部分為試驗(yàn)循環(huán)保護(hù)系統(tǒng)，具有調(diào)壓、調(diào)溫功能，由循環(huán)泵、進(jìn)出口閥、換熱器、增壓裝置等設(shè)備組成。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

為了抵消軸向力,本密封裝置腔體內(nèi)采用兩套密封對(duì)稱(chēng)布置的形式，一套作為配做密封使用，另一套則可以更換動(dòng)環(huán)進(jìn)行對(duì)比研究。密封動(dòng)環(huán)為硬質(zhì)合金、靜環(huán)為碳化硅材料；流體動(dòng)壓槽開(kāi)在動(dòng)環(huán)端面上。密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)示意

本文試驗(yàn)主要測(cè)試的參數(shù)有密封總摩擦扭矩、功率以及泄漏量，摩擦系數(shù)f與功率的關(guān)系為[8，9]：

式中 NA——摩擦副功耗，W

pc——端面比壓，MPa

A——端面面積，mm2，A=π（r20-r2i）

v——平均線速度，m/s

分別在3只完全相同的動(dòng)環(huán)端面上開(kāi)設(shè)相同數(shù)量的直線槽1、直線槽2和圓弧槽進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，3種深槽的幾何參數(shù)如圖3所示。其中，三者的平衡半徑rb、槽深h、槽寬w、端面寬度b均相等，槽心距（圓心到槽內(nèi)側(cè)最小距離）為d1+0.5=d2=d3。

圖3 3種深槽端面幾何參數(shù)示意

3 直線槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4所示為不同介質(zhì)壓力下密封摩擦功耗、摩擦系數(shù)、泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化。圖5所示為摩擦系數(shù)隨壓力的變化。

圖4 不同介質(zhì)壓力下密封摩擦功耗、摩擦系數(shù)、泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化

圖5 密封端面摩擦系數(shù)隨壓力的變化

圖6 3種深槽密封在不同介質(zhì)壓力下功率隨轉(zhuǎn)速的變化

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，不同介質(zhì)壓力下的密封摩擦功率，摩擦系數(shù)都逐漸增大；在高壓轉(zhuǎn)速較低的工況下，摩擦系數(shù)最低達(dá)到0.03左右，摩擦性能較好；泄漏量在轉(zhuǎn)速小于2000 r/min時(shí)數(shù)值很小，且隨轉(zhuǎn)速的變化不大，表明此時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響很小，但當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2000 r/min時(shí)，泄漏量明顯增大。

從圖5可見(jiàn)，隨著壓力的增大，端面摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先不穩(wěn)定下降，后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，表明此類(lèi)密封在低速高壓工況下運(yùn)行較穩(wěn)定。

4 對(duì)比試驗(yàn)分析

為了便于進(jìn)行對(duì)比研究，將3種深槽在同種工況下進(jìn)行對(duì)比研究。圖6所示為介質(zhì)壓力分別為4 MPa和6 MPa工況下3種深槽的密封功率的對(duì)比。

從圖可見(jiàn)，3種深槽的端面摩擦功耗相近，從小到大依次為圓弧槽、直線槽2和直線槽1。

圖7 不同介質(zhì)壓力下3種深槽密封的泄漏量的對(duì)比

圖7 為不同壓力工況下3種深槽的泄漏量的變化。圖7（a）中，隨著轉(zhuǎn)速的增大，泄漏量總體呈上升趨勢(shì)；圖7（b）中當(dāng)壓力達(dá)到6 MPa時(shí)三者區(qū)別比較明顯，圓弧槽的泄漏量明顯大于其他2種直線槽，最大泄漏量比直線槽2的對(duì)應(yīng)泄漏量大近80%左右。直線槽1的開(kāi)槽面積比線槽2大18.7%，其對(duì)應(yīng)的泄漏量也相對(duì)增大，圓弧槽與直線槽2的槽心距雖然相等，但泄漏量差別較大。說(shuō)明槽型相同時(shí)，槽區(qū)面積越大（槽心距越?。?duì)應(yīng)的泄漏量也越大。

摩擦系數(shù)是判斷摩擦狀態(tài)的重要參數(shù)之一，圖8所示為不同壓力工況下3種深槽密封的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，3種深槽密封的摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)相近，隨著轉(zhuǎn)速的提高都逐漸增大。隨著壓力的提高，摩擦系數(shù)減小，其變化幅度也逐漸平緩。從總體來(lái)看，圓弧槽密封摩擦系數(shù)最小、其次是直線槽2和直線槽1。

圖8 不同介質(zhì)壓力下3種深槽密封的摩擦系數(shù)的對(duì)比

5 結(jié)論

（1）3種深槽端面的摩擦功率相近，從小到大依次為圓弧槽、直線槽2和直線槽1；圓弧槽的摩擦功率要小于相同端面比壓和槽心距的直線槽，直線槽2的摩擦密封功率小于直線槽1；對(duì)于同種槽型，槽區(qū)面積越大（槽心距越?。?duì)應(yīng)泄漏量也越大。

（2）3種深槽測(cè)試得到的摩擦系數(shù)范圍均在0.03～0.07之間，因此可以判斷試驗(yàn)密封端面液膜應(yīng)處于混合膜潤(rùn)滑和全液膜潤(rùn)滑狀態(tài)下[5]。圓弧槽摩擦系數(shù)最小、其次是直線槽2和直線槽1。

（3）隨著密封壓力的提高，3種深槽密封的泄漏量區(qū)別越來(lái)越明顯，6MPa時(shí)圓弧槽的泄漏量明顯大于其他2種直線槽。

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