化工用低溫液氫泵密封相變性能分析及驗(yàn)證

鄭嬈 趙漢元 李雙喜 陳凱放 何猛 畢恩哲

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403012

摘 要 低溫液氫泵在石油、空分等裝置中起著輸送低溫產(chǎn)品的作用，低溫泵用機(jī)械密封是確保低溫泵安全運(yùn)轉(zhuǎn)、影響低溫泵工作性能的關(guān)鍵因素。為滿足低溫泵用機(jī)械密封長期可靠使用的要求，采用動(dòng)壓型非接觸式機(jī)械密封方案，建立考慮相變的流固熱耦合數(shù)值分析模型，對低溫液氫泵密封的相變和密封特性進(jìn)行分析，給出密封端面結(jié)構(gòu)的推薦值;并通過試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性。

關(guān)鍵詞 低溫液氫泵 機(jī)械密封 數(shù)值分析 相變特性 試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號 TQ051.21?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0402?12

Analysis and Verification of the Phase Change Performance of

Cryogenic Liquid Hydrogen Pump Seal for the Chemical Industry

ZHENG Rao， ZHAO Han?yuan， LI Shuang?xi， CHEN Kai?fang， HE Meng， BI En?zhe

（Fluid Sealing Technology Research Center， Beijing University of Chemical Technology）

Abstract?? The cryogenic liquid hydrogen pump answers for transporting low?temperature products in petroleum and air separation devices. The mechanical seal in cryogenic pump is a key factor which ensuring safe operation and affects the working performance of the cryogenic pump. For purpose of meeting long?term and reliable application of mechanical seals in cryogenic pumps， a dynamic pressure non?contact mechanical seal was adopted to establish a fluid?solid thermal coupling numerical analysis model for the phase transition. In addition， the phase transition and seal characteristics of cryogenic liquid hydrogen pump seals were analyzed， and the recommended value of seal end face structure was given. The experiments verified correctness of the numerical model proposed.

Key words??? cryogenic liquid hydrogen pump， mechanical seal， numerical analysis， phase change characteristics， experimental validation

作者簡介：鄭嬈（1971-），副教授，從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。

通訊作者：李雙喜（1977-），教授，從事摩擦潤滑理論與特種密封技術(shù)研究，化工成套裝備和壓力容器的設(shè)計(jì)工作，buctlsx@126.com。

引用本文：鄭嬈，趙漢元，李雙喜，等.化工用低溫液氫泵密封相變性能分析及驗(yàn)證[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：402-413

.

在石油石化行業(yè)中，低溫液氫泵起著輸送低溫產(chǎn)品、提供燃料等作用，是生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。而在常見的液氫渦輪泵、離心泵等低溫液氫泵中，低溫泵用機(jī)械密封是影響低溫泵工作狀態(tài)、工作效率的重要因素，是確保低溫泵安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素;常需要在磨損嚴(yán)重、介質(zhì)易汽化、易振動(dòng)[1～3]的工況下維持低泄漏的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

早期關(guān)于低溫泵用密封結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)的研究，是從石油石化行業(yè)設(shè)備運(yùn)行中所存在的實(shí)際問題出發(fā)的，針對化工行業(yè)的液氧泵密封中存在的泄漏量大、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)困難等問題提出雙齒充氣迷宮密封、雙端面機(jī)械密封等改進(jìn)方法，針對密封泄漏點(diǎn)處的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，并通過試車等工程實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性[4，5];在具體的密封形式設(shè)計(jì)方面，采取傳統(tǒng)的填料密封、接觸式密封較多[6，7]。

近年來，隨著化工設(shè)備的發(fā)展，低溫泵用密封逐漸向高轉(zhuǎn)速、高壓力的方向發(fā)展，現(xiàn)有的低溫泵用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)在低溫介質(zhì)環(huán)境下，密封環(huán)受溫差與壓差的影響，易產(chǎn)生熱變形與力變形，導(dǎo)致密封泄漏量增大;同時(shí)密封端面間低溫介質(zhì)的汽化，會(huì)破壞端面介質(zhì)的潤滑狀態(tài)，降低端面流體膜的連續(xù)性，進(jìn)一步加劇磨損，導(dǎo)致泄漏量增大[8～10]。嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致密封失效，影響密封性能和使用壽命。

為解決低溫泵端面密封在運(yùn)行過程中端面介質(zhì)汽化引起的端面碰磨，以及密封環(huán)在低溫環(huán)境和摩擦磨損狀況下的變形等問題，動(dòng)壓型端面機(jī)械密封越來越多地應(yīng)用到低溫泵用密封中[11～13]，

該密封形式通過在動(dòng)環(huán)端面加工出微米級淺槽的方式，利用流體動(dòng)壓效應(yīng)在密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持端面的推開，減小端面的摩擦磨損，并具有較低的泄漏量和較好的穩(wěn)定性能[14]。

動(dòng)壓式機(jī)械密封通過形成流體膜，實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸運(yùn)轉(zhuǎn);在端面間的微米級空隙

內(nèi)[15]，流體的流動(dòng)形式主要是以壓差流和剪切流控制的薄膜流動(dòng)。由于動(dòng)壓槽的存在，流體流動(dòng)過程中速度、壓力會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)局部流體壓力降到飽和蒸氣壓以下時(shí)，流體膜內(nèi)部析出氣泡，出現(xiàn)液膜空化現(xiàn)象?？栈瘹馀莸钠屏褧?huì)對密封端面造成沖擊，侵蝕端面的材料，破壞端面的平面度;長期處于空化狀態(tài)下工作的密封件可能出現(xiàn)疲勞破壞，最終導(dǎo)致密封失穩(wěn)。

筆者針對螺旋槽型動(dòng)壓式機(jī)械密封，對低溫液氫泵密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，采用流固熱耦合的分析方法，探究端面密封的相變特性和密封性能受端面相變的影響程度，結(jié)合密封性能與相變特性，給出低溫液氫泵端面結(jié)構(gòu)參數(shù)的推薦值，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值分析模型的正確性。

1 低溫液氫泵密封流固熱耦合分析模型

根據(jù)動(dòng)壓式機(jī)械密封的運(yùn)轉(zhuǎn)原理，提取低溫液氫渦輪泵端面密封在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的核心部件動(dòng)環(huán)、靜環(huán)作為固體場模型。同時(shí)考慮密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)靜環(huán)端面間為全流體潤滑狀態(tài)，提取密封端面間的流場作為流體場，建立密封的動(dòng)環(huán)-流場-靜環(huán)幾何模型。

1.1 結(jié)構(gòu)與工況參數(shù)

1.1.1 動(dòng)靜環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)

低溫液氫泵密封的簡化結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

1——泛塞圈;2——?jiǎng)迎h(huán);3——靜環(huán)與靜環(huán)座

簡化的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)主要由泛塞圈、動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、靜環(huán)座組成。其中靜環(huán)與靜環(huán)座存在公差配合，建模時(shí)放在一起考慮。動(dòng)靜環(huán)端面通過靜環(huán)座背面波紋管提供的壓力接觸。泛塞圈作為輔助密封，放置在動(dòng)環(huán)和密封腔軸套之間。動(dòng)靜環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

密封靜環(huán)外圓直徑D 77.5 mm

密封靜環(huán)內(nèi)圓直徑D 58 mm

密封靜環(huán)端面外直徑D 76.5 mm

密封靜環(huán)端面內(nèi)直徑D 61 mm

密封動(dòng)環(huán)內(nèi)圓直徑D 50 mm

密封動(dòng)環(huán)端面內(nèi)直徑D 59 mm

密封動(dòng)環(huán)尾部直徑D 72 mm

密封動(dòng)環(huán)外圓直徑D 78.5 mm

密封動(dòng)環(huán)厚度L 13 mm

密封靜環(huán)厚度L 4.5 mm

1.1.2 端面結(jié)構(gòu)參數(shù)

動(dòng)壓式密封采取在動(dòng)環(huán)端面開槽的形式，螺旋槽使用對數(shù)螺旋線進(jìn)行構(gòu)建。端面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

低溫密封動(dòng)環(huán)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)定義為：動(dòng)環(huán)端面外徑D，密封端面的外圓半徑;動(dòng)環(huán)端面內(nèi)徑

D，密封端面的內(nèi)圓半徑;螺旋槽槽深h，密封端面開螺旋槽的深度;槽寬比δ，有槽區(qū)域周向長度下槽區(qū)和壩區(qū)的比值;槽壩比δ，螺旋槽區(qū)的寬度與密封面寬度在周向上的比值;螺旋槽個(gè)數(shù)N，密封端面的螺旋槽數(shù)量。螺旋槽線公式為R=

re。

動(dòng)環(huán)端面參數(shù)如下：

動(dòng)環(huán)端面外徑D 76.5 mm

動(dòng)環(huán)端面內(nèi)徑D 61 mm

螺旋角β 15°

螺旋槽槽深h 7.0 μm

槽寬比δ 0.5

槽壩比δ 0.7

槽數(shù)N 12個(gè)

1.1.3 材料及工況設(shè)置

為使動(dòng)靜環(huán)端面配合更佳，減小硬對硬的摩擦磨損，使用彈性模量較大的硬環(huán)與彈性模量較小的軟環(huán)配對，密封動(dòng)環(huán)為硬環(huán)，其材料為S?07+Cr2O3，靜環(huán)為軟環(huán)，材料為HCG石墨。工況參數(shù)如下：

進(jìn)口壓力p 0.5 MPa

出口壓力p 0.1 MPa

進(jìn)口溫度T 20.15 K

出口溫度T 80 K

轉(zhuǎn)速n 0～18 000 r/min

1.2 模型的理論基礎(chǔ)

1.2.1 流場基本方程

液氫機(jī)械密封在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，端面處在全流體的潤滑狀態(tài)，端面間隙處在微米量級，密封的法向尺度遠(yuǎn)小于切向尺度。在該量級下的間隙中，流體的法向速度和壓差均被忽略，同時(shí)忽略慣性力，流體的流動(dòng)以黏性力主導(dǎo)的切向流動(dòng)為主?？紤]流體的相變特性，采用考慮空化效應(yīng)的均質(zhì)雷諾方程描述低溫流體的流動(dòng)：

+

=+（1）

θ=1 ，p>p

液膜完整區(qū)

0<θ<1，p=p

空化區(qū)

θ=ρ/ρ

式中 h——流體膜的軸向厚度，μm;

p——流場的壓力，Pa;

p——介質(zhì)的飽和壓力，MPa;

θ——用于判定空化區(qū)位置和空化程度的質(zhì)量分?jǐn)?shù);

μ——低溫介質(zhì)的動(dòng)力黏度，Pa·s;

ρ——流場某位置的實(shí)際密度;

ρ——空化液體飽和密度。

當(dāng)空化發(fā)生時(shí)，0<θ<1。θ值越小，說明空化區(qū)的密度相對于飽和密度越低，空化區(qū)氣相含量高，空化程度越大。除空化外，通過擬合的壓力-飽和溫度方程描述液氫的飽和狀態(tài)，方便后續(xù)對于相態(tài)的判斷：

T=14.262p-32.925p+32.893p+17.337（2）

ρ=-15.208p+27.821p-37.029p+74.262（3）

式中 T——介質(zhì)的飽和溫度，K;

ρ——介質(zhì)在飽和狀態(tài)下的密度，kg/m3。

1.2.2 固體場基本方程

低溫液氫渦輪泵密封的動(dòng)靜環(huán)和靜環(huán)座均為線彈性材料，由材料的連續(xù)性和各向同性的假定，根據(jù)平衡條件可導(dǎo)出低溫密封環(huán)的平衡微分方程為：

σ+f=0（4）

幾何方程為：

ε=（5）

密封環(huán)的物理方程為：

σ=2Gε+λδε （6）

考慮溫度變化帶來的熱應(yīng)力影響，低溫密封的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=

σ

-

σ

δ+αΔTδ （7）

G=E/2（1+u）

λ=Eu/（1-u）（1-2u）

δ=1，i=j

0，i≠j

ε=ε+ε+ε

σ=σ+σ+σ

式中 f——低溫密封環(huán)的體積力分量，N·m3;

G——低溫密封環(huán)材料的剪切模量，MPa;

δ——克羅內(nèi)克函數(shù);

ε——低溫密封環(huán)的應(yīng)變張量，矩陣;

ε——應(yīng)變的第一不變量;

λ——拉梅常數(shù)，MPa;

σ——低溫密封環(huán)的應(yīng)力張量，矩陣;

σ——應(yīng)力的第一不變量。

1.2.3 溫度場基本方程

薄膜流體流動(dòng)的能量方程為：

式中 C——流體的定壓比熱容，J/（kg·K）;

q、q——薄膜流場向動(dòng)、靜環(huán)傳遞的熱流密度，W/m2;

T——流場在厚度方向溫度的平均值，K;

u、u——流場在x方向和y方向的流速分量平均值，m/s;

λ——流體的熱導(dǎo)率，W/（m·K）;

Φ——流場平均黏性耗散項(xiàng)，W/m3。

動(dòng)靜環(huán)固體傳熱方程可表示為：

▽·（λ▽Ts）=0（9）

▽·（λ▽T）=0（10）

式中 T、T——?jiǎng)?、靜環(huán)的溫度分布，K;

λ、λ——?jiǎng)印㈧o環(huán)的熱導(dǎo)率，W/（m·K）。

1.3 模型及耦合分析流程

密封的單周期模型如圖3所示。機(jī)械密封件和端面流場處在密封腔結(jié)構(gòu)、壓力及溫度等多種工況的共同作用下，在端面流場、溫度場和固體力學(xué)場的多重影響下保持穩(wěn)定工作。多物理場之間互相作用，互相響應(yīng)?；谶@樣的分析需求，設(shè)計(jì)了如圖4所示的耦合分析流程。通過先求解流場的壓力與溫度分布，再施加至固體場，求解出應(yīng)力形變和溫度分布，再將變形重新返回流體，循環(huán)迭代的方式求解。

2 低溫液氫泵相變及密封性能分析

2.1 相變特性參數(shù)及分析思路

相變按照發(fā)生機(jī)理，通常分為壓力降低引起的空化與溫度升高引起的汽化兩種。基于考慮空化效應(yīng)的雷諾方程，空化的判定標(biāo)準(zhǔn)包括流體的空化范圍和空化區(qū)域內(nèi)最小氣體體積分?jǐn)?shù)。對于端面汽化來說，某區(qū)域內(nèi)發(fā)生汽化，則該區(qū)域內(nèi)為純氣體，體積分?jǐn)?shù)為1。

在實(shí)際條件下，汽化與空化通常同時(shí)發(fā)生。綜合考慮二者的特點(diǎn)，忽略密封間隙流場的軸向尺寸，本節(jié)采用端面流體的相變面積率φ與相變區(qū)域內(nèi)的最小氣體體積分?jǐn)?shù)θ綜合表征低溫密封端面的相變程度：

φ=（11）

θ=min（θ，θ）（12）

式中 A——端面相變面積，綜合空化范圍與汽化范圍計(jì)算得到，mm2;

θ——端面空化的最小體積分?jǐn)?shù);

θ——端面汽化的最小體積分?jǐn)?shù)。

端面流體的相變面積率φ表征的是端面相變區(qū)域的大小;端面相變區(qū)域內(nèi)的最小氣體體積分?jǐn)?shù)θ表征的是相變的劇烈程度，當(dāng)端面相變內(nèi)含有空化區(qū)時(shí)，0<θ<1;不含空化區(qū)時(shí)，θ=1。

2.2 密封端面相變影響因素分析

2.2.1 轉(zhuǎn)速

由圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，0～14 000 r/min時(shí)相變范圍隨轉(zhuǎn)速不斷增大。這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，端面的液膜產(chǎn)熱不斷增大，同時(shí)流場的動(dòng)壓效應(yīng)逐漸增大，流體膜內(nèi)部的高壓區(qū)與低壓區(qū)差值不斷擴(kuò)大。二者結(jié)合，使得溫升導(dǎo)致的汽化和局部壓降導(dǎo)致的空化都逐漸變大。結(jié)合圖6可以看到，相變區(qū)域內(nèi)的最小體積分?jǐn)?shù)在

3 000 r/min開始發(fā)生了明顯減小，表明空化現(xiàn)象是在轉(zhuǎn)速升高到一定程度發(fā)生的。隨著轉(zhuǎn)速的增大，相變區(qū)域內(nèi)的最小體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，說明空化效應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的增大變強(qiáng)。

2.2.2 壓差

由圖7可以看到，從0.20 MPa開始，流場的相變范圍隨著壓力的增大迅速降低;壓力大于

0.5 MPa后，相變范圍基本穩(wěn)定在40%，并隨壓力增大略有下降。相變區(qū)域內(nèi)的最小氣體體積分?jǐn)?shù)也在0.5 MPa時(shí)迅速增大，并穩(wěn)定在99%（圖8）。說明壓力小于0.5 MPa時(shí)，壓力的增大主要影響了端面流場的空化狀態(tài)，隨著壓力的增大，空化區(qū)的范圍迅速減小;當(dāng)進(jìn)口壓力大于0.5 Pa后，空化效應(yīng)降至最弱，端面的相變以汽化為主，溫度成為影響相變程度的主要因素。隨著壓力進(jìn)一步增大，端面流體的飽和溫度也隨之上升，由液氫的飽和溫度-壓力方程可知，在0.5～1.0 MPa范圍內(nèi)，飽和溫度隨壓力的改變不明顯。因此端面的相變范圍有一定的減小，但基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.3 溫度

端面相變體積率與相變內(nèi)最小體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化如圖9、10所示。由圖可以看到，相變體積率在-248～-245 ℃時(shí)突然上升，之后穩(wěn)定在95%左右;相變區(qū)域內(nèi)的最小體積分?jǐn)?shù)也在

-250～-245 ℃時(shí)突然增大。說明-245 ℃是流體的飽和溫度。在過冷液體狀態(tài)下，進(jìn)口溫度的升高主要導(dǎo)致空化作用的增強(qiáng)，在以空化作用為主的端面流場中，隨著溫度的升高，相變范圍略有增大，相變區(qū)內(nèi)的氣相占比也慢慢增加。當(dāng)溫度大于飽和溫度時(shí)，端面流體發(fā)生廣泛汽化，相變范圍急劇擴(kuò)大，相變最小體積分?jǐn)?shù)也保持在1，形成單相流，同時(shí)導(dǎo)致流體膜壓力急劇降低，可能破壞密封的穩(wěn)定性。

2.3 相變對密封性能的影響分析

結(jié)合圖11～13可以看出，考慮相變時(shí)的開啟力與剛度更小。隨著溫度的升高，開啟力和剛度逐漸減小，當(dāng)溫度升高到飽和溫度后，開啟力驟減，同時(shí)剛度由正值變?yōu)樨?fù)值。這在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)破壞密封的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)碰磨，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致密封因嚴(yán)重磨損失效。因此對于液氫這類汽化溫度低的介質(zhì)，控制入口溫度是保證密封高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要條件。對比不考慮相變的體積泄漏量，可以看到，在飽和溫度之前考慮相變的泄漏量更小，隨著溫度的升高，在飽和溫度前后泄漏量產(chǎn)生突變，這是由于端面流場的汽化，泄漏的流體由液體變?yōu)闅怏w導(dǎo)致的。達(dá)到飽和溫度后，隨著溫度的升高泄漏量略有降低。

2.4 端面結(jié)構(gòu)對密封性能影響分析

以密封的端面壓力分布、開啟力、剛度、泄漏量和相變率為判斷標(biāo)準(zhǔn)，從槽深、槽數(shù)、槽寬比、螺旋角、槽壩比幾個(gè)方面展開分析，優(yōu)選低溫液氫泵適用的端面結(jié)構(gòu)。

2.4.1 槽數(shù)

通過圖14可以看出，端面相變率在槽數(shù)10前后增大，在槽數(shù)取12～20時(shí)變化不大。泄漏量隨槽數(shù)的增加逐漸呈現(xiàn)下降的趨勢，在槽數(shù)16時(shí)取到最小值，與此同時(shí)，開啟力取到最小值，剛度取到最大值?？紤]各密封性能隨槽數(shù)的變化趨勢及加工難度，獲得較小泄漏量的同時(shí)保證一定的開啟力和剛度，槽數(shù)選取10～12較為合適。

2.4.2 槽深

槽深對密封性能影響圖15所示。可以看出，開啟力和剛度都隨著槽深的增加逐漸下降，泄漏量隨著槽深的增加在12 μm處取得最小值，槽深繼續(xù)增加后，產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象。端面相變率隨槽深的增大而增大，與端面壓力的變化趨勢相反。綜合考慮槽深對各密封性能的影響，保證密封的開啟力和剛度同時(shí)，取得較小的泄漏量且不發(fā)生倒吸，并將端面相變程度控制在適中的范圍內(nèi)，槽深取8～10 μm較合適。

2.4.3 槽寬比

由圖16可知，端面的動(dòng)壓效應(yīng)隨槽寬比的增大而增大，主要體現(xiàn)在端面壓力峰值與高壓區(qū)范圍的增大;相變體積率隨槽寬比的增大逐漸減小，開啟力隨槽寬比的增大而增大，剛度隨槽寬比的增大而減小;泄漏量在槽寬比取0.6時(shí)取到峰值。綜合考慮各因素對密封性能的影響，槽寬比取0.4～0.6較為合適。

2.4.4 螺旋角

螺旋角對密封性能的影響如圖17所示?？梢钥闯觯孤┝亢蛣偠入S螺旋角呈現(xiàn)增大的趨勢，對比開啟力隨螺旋角呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在10～12°時(shí)取到峰值，同時(shí)剛度也在該位置有明顯增大。由圖17d可以看出，端面相變率隨螺旋角的變化趨勢與開啟力變化趨勢相反，在15°時(shí)取到最大值，之后有明顯減小。綜合考慮各性能參數(shù)，與端面動(dòng)壓效應(yīng)的變化，在保證泄漏量不太大的情況下，螺旋角取17°較為合適。

2.4.5 槽壩比

隨著槽壩比的增大端面壓力峰值基本不變，但槽尖處的動(dòng)壓效應(yīng)逐漸減弱（圖18）。開啟力在槽壩比0.4～0.5時(shí)取到峰值，槽壩比大于0.5后，端面壓力迅速下降。剛度隨槽壩比的增大，由負(fù)值逐漸增大，在0.6時(shí)取到峰值;端面的泄漏量隨槽壩比的增大也呈現(xiàn)先增后減的趨勢。相變體積率隨槽壩比呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在0.5處取到最小。綜合各項(xiàng)性能參數(shù)，在保證正剛度與相變率不太大的同時(shí)，取到較大的開啟力和較小的泄漏量，端面槽壩比取0.3～0.4較合適。

3 低溫液氫泵密封性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)基于液氮介質(zhì)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)腔體及系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖19、20所示。

低溫機(jī)械密封試驗(yàn)系統(tǒng)主要由綜合控制平臺(tái)、高速電機(jī)、試驗(yàn)腔體、液氮供給系統(tǒng)、高壓氣供給系統(tǒng)、潤滑發(fā)生裝置、泄漏量測量裝置等組成?？刂破脚_(tái)通過控制高速電機(jī)、供氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對密封主軸轉(zhuǎn)速、軸承腔潤滑及密封腔內(nèi)靜壓的控制。液氮供給系統(tǒng)通過下進(jìn)上出的方式，對密封腔進(jìn)行密封介質(zhì)的加壓。泄漏測量系統(tǒng)通過外接在密封端蓋上的測量管，對動(dòng)靜環(huán)端面間的徑向泄漏介質(zhì)進(jìn)行測量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及模型驗(yàn)證

變壓變速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果及模型對比驗(yàn)證如圖21所示。由圖21a可見，在8 000～12 000 r/min時(shí)，泄漏量呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢。之后的

15 000～20 000 r/min泄漏量達(dá)到穩(wěn)定水平。隨著試驗(yàn)介質(zhì)壓力的增大，泄漏量成倍數(shù)級增大。由圖21b可見，密封在0～3 000 r/min的開啟階段時(shí)，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，這是由于密封在開啟階段膜厚不穩(wěn)定，無法用單一的膜厚來計(jì)算工作狀態(tài);而在轉(zhuǎn)速大于10 000 r/min之后，密封進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，實(shí)際工作狀況狀態(tài)接近仿真分析中設(shè)定的膜厚，模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)取得了較小的誤差，誤差基本在10%～15%左右，具有較好的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

4.1 液氫介質(zhì)下，密封端面的相變以汽化為主，介質(zhì)溫度是影響端面相變程度的主要因素。壓力主要影響端面的空化程度，壓力增大會(huì)使相變范圍減小;轉(zhuǎn)速的增大對空化和汽化皆有影響，轉(zhuǎn)速的增大使得端面相變程度增大。端面流體的相變會(huì)使端面的開啟力與剛度驟減，可能破壞密封的穩(wěn)定性。

4.2 綜合考慮各項(xiàng)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對液氫渦輪泵密封開啟力、剛度、泄漏量、端面相變程度的影響，取槽數(shù)12，槽深8 μm，螺旋角17°，槽寬比0.5，槽壩比0.4。可以在保證密封的開啟力和剛度的前提下，獲得最小的泄漏量，實(shí)現(xiàn)密封性能的最優(yōu)化。

4.3 基于液氮介質(zhì)對低溫動(dòng)壓機(jī)械密封試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)臺(tái)搭建，并對低溫機(jī)械密封分析模型計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果的對比取得了10%左右的誤差，驗(yàn)證了流固熱耦合數(shù)值分析模型的正確性，進(jìn)一步證明該低溫機(jī)械密封分析方法應(yīng)用的可行性與優(yōu)越性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 何玉杰，石海峽，胡敬寧，等.超低溫小型離心泵用機(jī)械密封的設(shè)計(jì)研究[J].水泵技術(shù)，2005（3）：38-40.

[2] 韋煒，何志龍，邢子文，等.高壓液氫泵研究進(jìn)展[J].流體機(jī)械，2022，50（7）：79-84;104.

[3] 劉興華.高速液氧泵波紋管動(dòng)壓密封熱彈微流動(dòng)及密封性能研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2022.

[4] 杜天恩.軸承、端面密封在液氧中的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)[J].火箭推進(jìn)，2001（3）：10-13.

[5] 王積功.高壓液氧泵的密封[J].潤滑與密封，1995，20（4）：29-31.

[6] 肖文偉.液氧泵密封的國產(chǎn)化實(shí)踐[J].設(shè)備管理與維修，1996（1）：29-30.

[7] 崔玉清，王愛英，李宏宇，等.低溫泵機(jī)械密封泄漏問題的解決[J].煉油與化工，2006，17（2）：54-55.

[8] 王濤，黃偉峰，王玉明.機(jī)械密封液膜汽化問題研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（11）：3375-3382.

[9] 王磊，陳新軍，曾登林.低溫泵機(jī)械密封泄漏問題的解決措施[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（16）：189-190.

[10] 吳畏，楊少柒，薛瑞，等.液氫活塞泵的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].真空與低溫，2022，28（2）：129-135.

[11] 楊博峰，李香，吳萍，等.深冷泵軸端密封結(jié)構(gòu)型式探討[J].液壓氣動(dòng)與密封，2020，40（9）：85-88.

[12] 張樹強(qiáng)，王良，陳杰.液氧泵機(jī)械密封用金屬波紋管設(shè)計(jì)研究[J].火箭推進(jìn)，2016，42（2）：53-58.

[13] 趙偉剛，張樹強(qiáng)，陳杰，等.液氧泵用動(dòng)靜壓混合式密封關(guān)鍵技術(shù)研究[J].潤滑與密封，2017，42（1）：111-115;136.

[14] 許曉東，張玉言，馬晨波，等.動(dòng)壓型機(jī)械密封端面液膜相變理論研究進(jìn)展[J].潤滑與密封，2022，47（6）：151-160.

[15] HARVEY A H，LEMMON E W.Method for Estimating the Dielectric Constant of Natural Gas Mixtures[J].International Journal of Thermophysics，2005，26（1）：31-46.

（收稿日期：2023-05-18，修回日期：2024-05-17）