高速氣體環(huán)瓣式浮環(huán)密封泄漏特性的試驗研究*

（北京化工大學(xué))

0 引言

隨著高轉(zhuǎn)速、大壓差旋轉(zhuǎn)設(shè)備的發(fā)展，密封面臨著更加苛刻的工作環(huán)境。大推力氫氧發(fā)動機隔離用氣的大量使用使浮動環(huán)不再滿足需求[1]，從而促使了低泄漏量、高可靠性的新型密封結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展。環(huán)瓣式浮環(huán)密封作為一種徑向非接觸密封和軸向端面密封相結(jié)合的新型密封形式，相較于干氣密封[2,3]和迷宮密封[4-6]，環(huán)瓣式浮環(huán)密封具有結(jié)構(gòu)簡單、加工成本較低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在石油化工和航空航天等高新領(lǐng)域的使用越來越廣泛。在提高環(huán)瓣式浮環(huán)密封的密封性和穩(wěn)定性方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。20世紀(jì)七八十年代，NASA在Rayleigh階梯密封墊的基礎(chǔ)上做了大量的研究，對浮動環(huán)密封的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)、跑道形狀等各方面做出分析和試驗[7,8]；Alessio Pescosolido[9]等人測試了分瓣石墨環(huán)在徑向軸偏移、角度偏移以及二者同時存在下的密封性能，得到了不同偏移情況對密封泄漏和磨損的影響；Mihai Arghir[10]等人通過理論和數(shù)值分析，研究了轉(zhuǎn)速、幾何參數(shù)和工況對泄漏量和摩擦功耗的影響。國內(nèi)對環(huán)瓣式浮環(huán)密封的研究起步較晚，研究較少。劉廷武[11]等人針對不同瓣數(shù)的石墨環(huán)進行試驗，得到了雙環(huán)的密封性能更優(yōu)良，并指出搭接接頭是分瓣石墨密封環(huán)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)；蘇令[12]通過理論數(shù)值分析和試驗驗證等方法，分析了淺槽環(huán)瓣式浮環(huán)的密封性能和動態(tài)特性，為環(huán)瓣浮環(huán)的參數(shù)優(yōu)化提供參考；王飛[13]等人采用定阻力的方法對環(huán)瓣浮環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，得到了淺槽槽深、寬等尺寸對密封性能的影響；王偉[14]等人采用關(guān)聯(lián)計算的方法分析了環(huán)瓣浮環(huán)的動態(tài)泄漏量，為減少泄漏和密封裝置設(shè)計提供了參考；鄭利勝[15]通過數(shù)值模擬，對圓周石墨環(huán)進行了穩(wěn)態(tài)熱分析與熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，給出了石墨環(huán)的工作狀態(tài)；邵山中[16]通過有限元模擬分析了轉(zhuǎn)子跳動對石墨圓周密封的應(yīng)力、摩擦磨損以及泄漏量的影響；其他關(guān)于整體式浮環(huán)[17-19]和石墨材料[20,21]的研究為環(huán)瓣式浮環(huán)密封的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外的學(xué)者對環(huán)瓣式浮環(huán)密封的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論數(shù)值分析，在周向彈簧比壓對泄漏率的影響和各泄漏點泄漏率方面的試驗研究較少。為此，本文針對應(yīng)用在發(fā)動機上的高速氣體三瓣式浮環(huán)密封，通過試驗，測量三瓣浮環(huán)在不同工況下的泄漏量以及各泄漏點在總泄漏量中的占比，分析不同彈簧比壓下的泄漏特性和摩擦磨損特性，為環(huán)瓣式浮環(huán)密封的研究和設(shè)計提供參考。

1 密封結(jié)構(gòu)

環(huán)瓣式浮環(huán)密封由結(jié)構(gòu)相同的若干高精度石墨環(huán)瓣搭接組成圓環(huán)，靠外圓周槽內(nèi)的周向彈簧箍緊在跑道上，形成圓周密封（主密封）。側(cè)面設(shè)置壓縮彈簧，石墨環(huán)在壓縮彈簧和介質(zhì)壓力的共同作用下貼緊在密封壓蓋上，形成端面密封（次密封）。密封原理如圖1所示。石墨環(huán)內(nèi)側(cè)開設(shè)有環(huán)槽和沿周向均勻分布的橫槽（見圖2），以保證密封面之間充有一定量介質(zhì)，起到潤滑作用，減輕密封接觸面之間的摩擦。三瓣浮環(huán)密封石墨環(huán)如圖3所示。

圖1 密封原理圖Fig.1 Sealing principle diagram

圖2 石墨環(huán)瓣圖Fig.2 Graphite split ring model

圖3 石墨環(huán)實物圖Fig.3 Graphite ring physical diagram

2 工作原理

環(huán)瓣式浮環(huán)密封的受力如圖4所示。由于介質(zhì)壓力和彈簧力的作用，石墨環(huán)在靜止或轉(zhuǎn)速較低時會箍緊在跑道上，形成接觸密封；正常工作時，石墨環(huán)和跑道處于高速的相對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在楔形效應(yīng)和淺槽處的階梯效應(yīng)的共同作用下而產(chǎn)生流體動壓力，減少主密封面接觸壓力，減輕密封的摩擦磨損。

圖4 三瓣環(huán)受力分解圖Fig.4 Force decomposition diagram of three split ring

浮動環(huán)處于平衡狀態(tài)時受力應(yīng)該滿足如下平衡方程：

式中，F(xiàn)G為浮動環(huán)受到的氣膜反力；FZ為跑道的支撐力，N；F0為密封環(huán)徑向方向受到的介質(zhì)壓力，N；FC為周向彈簧對密封環(huán)的作用力，N；Ff為密封次密封面與密封壓蓋的摩擦力，N；Fy為壓縮彈簧及介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向力，N；μ為石墨環(huán)端面與密封壓蓋的摩擦系數(shù)。

FG+FZ稱為開啟力，F(xiàn)0+FC+Ff稱為開啟阻力。靜止時，石墨環(huán)和跑道之間存在很小的密封間隙，形成有一定厚度的氣膜。旋轉(zhuǎn)時，間隙中的氣體在跑道的帶動下產(chǎn)生周向的速度矢量，從而在楔形效應(yīng)和階梯效應(yīng)下產(chǎn)生流體動壓力，增大氣膜反力，跑道與石墨環(huán)之間的密封間隙有增大趨勢，減輕主密封面處的接觸壓力。最終，浮動環(huán)會在轉(zhuǎn)速變化、壓力波動、轉(zhuǎn)子振動等外部干擾下，而達到動態(tài)平衡，如式（1）所示，形成動態(tài)密封間隙。既能保證小的密封間隙，最小化介質(zhì)泄漏；又能減少發(fā)熱和磨損，延長密封件的壽命。

3 泄漏特性

環(huán)瓣式浮環(huán)密封的泄漏通道有三個，包括主密封、次密封以及搭接頭，如圖5所示。主密封為圓周密封，密封結(jié)構(gòu)為石墨環(huán)內(nèi)表面上的密封唇，在介質(zhì)壓力和周向彈簧的作用下抱緊跑道。次密封為端面密封，工作時貼緊密封壓蓋。正常情況下，主、次密封的潤滑狀態(tài)均為邊界摩擦，在邁爾提出的在邊界摩擦狀態(tài)下的泄漏量公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)瓣浮環(huán)密封的結(jié)構(gòu)特點，修正的主、次密封的泄漏公式分別如式（3）（4）所示[22]。

圖5 環(huán)瓣式浮動環(huán)密封三維結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Three-dimensional structure diagram of split floating ring seal

其中，D0為密封環(huán)內(nèi)徑；D2為次密封外徑；?P為密封壓差；h1,h2為主、次密封間隙；l1,l2為主、次密封速度系數(shù)；Pj1,Pj2為主、次密封壓力。

4 試驗

4.1 試驗裝置

設(shè)計試驗裝置并搭建試驗系統(tǒng)。密封試驗裝置結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，裝置由高速變頻電機、聯(lián)軸器、軸承腔、密封組件等組成。圖7所示是現(xiàn)場試驗臺。

圖6 試驗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Experiment device structure diagram

圖7 試驗裝置圖Fig.7 Experiment device

4.2 試驗參數(shù)

試驗用環(huán)瓣式浮動環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，試驗操作參數(shù)如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Seal structure parameters

表2 操作參數(shù)Tab.2 Operation parameters

4.3 試驗內(nèi)容

4.3.1 泄漏量

試驗測量不同壓力下密封的靜態(tài)泄漏量，并采用密封脂封堵不同的泄漏點，得到各泄漏點的泄漏量；進行變轉(zhuǎn)速、變周向彈簧力試驗，獲得密封在動態(tài)參數(shù)下的泄漏量。

4.3.2 磨損

試驗前后，在酒精溶液中超聲清洗石墨環(huán)，并干燥，采用精度為0.1mg的電子天平測量石墨環(huán)質(zhì)量，獲得試驗前后質(zhì)量差，得到磨損量。采用三維影像儀觀測主密封面表面形貌。

5 密封性能

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析壓力、轉(zhuǎn)速、周向彈簧比壓對環(huán)瓣浮環(huán)泄漏的影響，得到密封性能的變化趨勢。為便于對比分析，將測得密封泄漏量除以浮環(huán)周長，得到單位周長的密封泄漏量。

5.1 工況參數(shù)對泄漏量的影響

5.1.1 壓力

轉(zhuǎn)子靜止時，環(huán)瓣式浮環(huán)泄漏量隨操作壓差的變化如圖8所示，圖中兩條曲線分別代表浮環(huán)跑合前后的密封性能?？梢钥闯?，密封泄漏量隨著壓差的增大線性增加，經(jīng)過短時間的跑合后，密封性能有所增強，泄漏量降低10%左右。實際接觸時，石墨環(huán)和跑道表面微凸體相互接觸，在周向彈簧和介質(zhì)壓力的作用下產(chǎn)生變形，對流體起到阻礙作用；壓力升高，密封兩側(cè)的壓差增大，流體驅(qū)動力增強，泄漏也逐漸變多。經(jīng)過磨合，石墨環(huán)表面較軟的微凸體在跑道表面較硬的微凸體的碰撞下出現(xiàn)變形和斷裂，斷裂的石墨顆粒在跑道表面形成“填隙效應(yīng)”和“覆蓋效應(yīng)”，使兩者的貼合度得到改善，對流體的阻礙作用增強，故泄漏率有所降低，如圖9所示。

圖8 壓力對泄漏率的影響Fig.8 Effect of pressure on leakage of seals

圖9 表面微凸體形貌圖Fig.9 Surface asperity topography

圖10是環(huán)瓣式浮環(huán)三處泄漏點的泄漏量隨壓力的變化。三個泄漏點的泄漏量均隨著壓力的增高而逐漸增加。其中，主密封泄漏約占70%；次密封約為20%；搭接頭泄漏面積小且避免了貫穿性的間隙，約為10%。分析表明，主密封的泄漏主要由石墨環(huán)內(nèi)表面和跑道表面之間的貼合程度所決定，應(yīng)嚴(yán)格控制石墨環(huán)相對于跑道的不圓度，經(jīng)過運轉(zhuǎn)跑合能明顯減少主密封的泄漏量；次密封為端面密封，提高次密封面和密封端蓋的平整度和光潔度能一定程度上提高密封性能。

圖10 各泄漏點靜態(tài)泄漏率Fig.10 Static leakage rate of each leakage point

5.1.2 轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

轉(zhuǎn)速對密封泄漏的影響如圖11所示?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速升高，泄漏開始略有降低，而后趨于平緩穩(wěn)定。

圖11 轉(zhuǎn)速對密封泄漏率的影響Fig.11 Effect of speed on leakage ratio of seals

石墨環(huán)內(nèi)表面開設(shè)有環(huán)槽和橫槽，在跑道旋轉(zhuǎn)時，橫槽處的階梯效應(yīng)和楔形效應(yīng)促使高速流體在淺槽處產(chǎn)生高壓，對氣體的軸向泄漏起到一定的影響。隨著轉(zhuǎn)速的升高，內(nèi)表面產(chǎn)生的壓力逐漸增強，使得密封環(huán)開啟力增加，但仍小于開啟阻力，主密封間隙變化不明顯。因此，在輕微動壓效應(yīng)的阻礙作用下，泄漏量有減小趨勢。

5.2 周向彈簧比壓對泄漏量的影響

圖12所示是密封泄漏隨周向彈簧比壓的變化。可以看出，泄漏隨著周向彈簧比壓的增大存在極小值，單位長度上的彈簧比壓在4～5N/m的范圍內(nèi)，密封性能較好。出現(xiàn)這種趨勢主要是因為彈簧力較小時，隨著彈簧力的增加，石墨環(huán)和跑道之間的接觸壓力增大，表面微凸體發(fā)生較大的彈塑性變形，實際接觸面積增加，石墨環(huán)和跑道的貼合程度逐漸變好，更好的阻止了泄漏；彈簧力繼續(xù)增加，表面微凸體之間的碰撞和破裂情況嚴(yán)重，石墨環(huán)內(nèi)表面和跑道之間的磨損加劇，密封面表面形貌變差，泄漏量增加；當(dāng)彈簧力增大到一定程度時，石墨環(huán)內(nèi)表面快速磨損，大量石墨細(xì)粉對表面微凸體產(chǎn)生覆蓋效應(yīng)，并逐漸填補了泄漏通道，泄漏量有輕微變小趨勢。

圖12 周向彈簧力對密封泄漏率的影響Fig.12 Effect of circumferential spring force on seal leakage rate

6 磨損行為

磨損隨彈簧比壓的變化如圖13所示，壓力和轉(zhuǎn)速一定時，彈簧力增加，石墨環(huán)磨損呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。彈簧力增大前期，磨損率變化不明顯，彈簧力增大后期，石墨環(huán)磨損率迅速增加。

圖13 周向彈簧力對密封摩擦磨損的影響Fig.13 Effect of circumferential spring force on friction and wear of seals

圖14是環(huán)瓣式浮動環(huán)試驗后內(nèi)圓周表面宏觀形貌；圖15是試驗后石墨環(huán)內(nèi)表面微觀形貌；圖16為試驗后跑道表面磨痕。從三組圖片中分析單位長度上的彈簧比壓為6.7N/m的磨損情況，圖14（a）顯示石墨環(huán)內(nèi)表面深槽和弧形橫槽處有大量石墨粉堆積，磨損量比較大；圖15（a）可以看出，石墨環(huán)表面破裂，有大量凹坑出現(xiàn)，產(chǎn)生了明顯的撕脫現(xiàn)象。圖16（a）左側(cè)為6.7N/m彈簧比壓下的磨痕，可以看到，密封低壓側(cè)有明顯的石墨粉堆積，并有石墨燒結(jié)在跑道表面。綜合圖14（a），15（a），6.7N/m彈簧比壓下的磨損形式為粘著磨損。在大的彈簧比壓下，較硬的金屬跑道表面微凸起刺入石墨材料內(nèi)部，較軟的石墨微突起產(chǎn)生大的塑性變形，在摩擦產(chǎn)生的熱量下，石墨膠合在金屬表面。相對滑動時，石墨表層下產(chǎn)生剪切破壞，造成金屬跑道表面有燒結(jié)現(xiàn)象。

圖14 試驗后石墨環(huán)內(nèi)表面宏觀形貌Fig.14 Macromorphology of inner surface of graphite ring after test

圖16 試驗后跑道磨痕Fig.16 Runway wear scar after test

圖15（b）為彈簧比壓為5.58N/m的磨損情況，可以看出，密封環(huán)內(nèi)側(cè)密封面產(chǎn)生大量深淺不一的犁溝，有磨粒對密封表面擠壓和沿表面運動所造成的劃痕和材料流失，故為磨粒磨損。圖16（a）右側(cè)為5.58N/m下的磨痕，表面沒有燒結(jié)現(xiàn)象，但在密封面處有石墨粉堆積。這種彈簧力下，石墨表面斷裂、破碎的微凸體在兩個密封面之間形成第三體磨粒，一部分磨粒被壓實在金屬表面形成摩擦轉(zhuǎn)移膜，起到一定的減磨作用，另一部分磨粒以松散狀態(tài)存在，在石墨表面形成切削和犁溝。

圖15（c）（d）分別為彈簧比壓是4.47N/m和3.35N/m的磨損情況，表面比較平滑，磨損很小。圖16（b）左右側(cè)分別為彈簧比壓4.47N/m和3.35N/m下的磨痕，兩磨痕比較輕微。可見在合適的彈簧力下，密封不會造成大的磨損。

綜合不同彈簧比壓下的磨損分析可知，在一定范圍內(nèi)，磨損變化不明顯，達到一定彈簧比壓時，磨損變化劇烈。

7 結(jié)論

針對高速氣體環(huán)瓣式浮環(huán)密封，進行了試驗研究，得到如下結(jié)論：

1）密封泄漏率隨壓力增大而線性增加。經(jīng)過跑合后，泄漏量有明顯減小。在實際應(yīng)用前進行預(yù)跑合能提高密封效果；

2）主密封泄漏量在總泄漏中占比最大，約70%，次密封約20%，搭接頭約10%。次密封和搭接頭的泄漏同樣不可忽視；

3）泄漏率隨著轉(zhuǎn)速的升高而略有減小，高速下產(chǎn)生的微動壓效應(yīng)一定程度上能增強密封性能；

4）彈簧比壓對泄漏的影響存在極小值，在4～5N/m的范圍內(nèi)，石墨環(huán)和跑道之間的實際接觸面積較大，泄漏量較??；

5）不同彈簧力下的磨損機理不同，彈簧力過大時會引起磨粒磨損和黏著磨損。在滿足泄漏量要求的前提下，應(yīng)選擇較小的彈簧力。