高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

摘要：搭建性能可靠的機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)是研制高溫高速機(jī)械密封裝置的前提保證。針對(duì)研發(fā)高溫高速機(jī)械密封裝置的需求，設(shè)計(jì)了一套由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其最高承受壓力可達(dá)4.3 MPa，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6 000 r/min，運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械密封溫度不超過(guò)50 ℃，且無(wú)泄漏，可滿足高溫高速機(jī)械密封測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；測(cè)試平臺(tái)；高溫；高速

中圖分類(lèi)號(hào)：TH13" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）22-0047-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.012

0" " 引言

機(jī)械密封是工業(yè)設(shè)備中常見(jiàn)的組件，用于防止流體或氣體從旋轉(zhuǎn)軸或其他運(yùn)動(dòng)部件周?chē)拈g隙泄漏。為了確保機(jī)械密封的可靠性和效率，制造商和研發(fā)部門(mén)經(jīng)常使用機(jī)械密封測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)來(lái)進(jìn)行各種性能測(cè)試和質(zhì)量控制。機(jī)械密封測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)是一種用于測(cè)試和評(píng)估機(jī)械密封性能的專(zhuān)用設(shè)備，搭建適合的機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)是開(kāi)發(fā)高質(zhì)量機(jī)械密封的關(guān)鍵保障之一。

國(guó)外對(duì)于密封性能測(cè)試裝置的探究起步較早，2005年，C. Rea[1]設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)密封腔內(nèi)溫度和壓力，并且可以定時(shí)檢測(cè)泄漏情況的試驗(yàn)臺(tái)。2011年，J. M. Darden等人[2]通過(guò)調(diào)整阻尼剛度和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)系數(shù)，對(duì)環(huán)形密封件與軸承流體油膜的相互作用進(jìn)行了改良，從而提升了環(huán)形密封試驗(yàn)臺(tái)的效能。2013年，G. Belforte等人[3]開(kāi)發(fā)了一種最高運(yùn)行速度達(dá)300 mm/s的試驗(yàn)裝置，該設(shè)備能夠測(cè)試多種密封圈的摩擦力。國(guó)內(nèi)對(duì)密封試驗(yàn)裝置的研究雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。2011年，高洪巖[4]開(kāi)發(fā)的新型機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)，其密封腔內(nèi)徑為139 mm，主要用于直徑小于或等于90 mm的普通機(jī)械密封和新型非接觸密封動(dòng)密封性能試驗(yàn)。2016年，張慶孟[5]研發(fā)了一套密封件性能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)化控制和檢測(cè)試驗(yàn)流程，并實(shí)時(shí)記錄和顯示數(shù)據(jù)。2019年，孔令成等人[6]設(shè)計(jì)了一套運(yùn)行速度可達(dá)35 000 r/min的高速實(shí)驗(yàn)臺(tái)，能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械密封高速測(cè)試要求。2022年，劉杰等人[7]設(shè)計(jì)了一套高速齒輪箱用機(jī)械密封測(cè)試系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，且運(yùn)行過(guò)程無(wú)任何泄漏。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外密封試驗(yàn)裝置多用于模擬高壓、高轉(zhuǎn)速密封工作場(chǎng)合，其密封形式多為徑向密封，密封元件幾何尺寸大都較小，且測(cè)試種類(lèi)單一。而對(duì)于大尺寸多種類(lèi)密封元件端面動(dòng)密封性能試驗(yàn)測(cè)試及其密封試驗(yàn)裝置國(guó)內(nèi)外研究較少，密封試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)還是以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主。本文針對(duì)我國(guó)1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組機(jī)械密封國(guó)產(chǎn)化需求，設(shè)計(jì)研制一臺(tái)超超臨界機(jī)組主鍋爐給水泵機(jī)械密封性能測(cè)試裝置，用于完成主鍋爐給水泵機(jī)械密封件動(dòng)密封性能測(cè)試分析，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。

1" " 試驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)要求

為滿足1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組機(jī)械密封測(cè)試需求，高溫高速機(jī)械密封測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)臺(tái)最高可承受4.3 MPa的試驗(yàn)壓力，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，機(jī)械密封直徑為187 mm，為避免高溫造成機(jī)械密封的失效，運(yùn)行過(guò)程中始終保證機(jī)械密封的溫度不超過(guò)50 ℃。

2" " 試驗(yàn)臺(tái)的組成

本文所設(shè)計(jì)的高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)主要作用為帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，為機(jī)械密封提供所需的工作轉(zhuǎn)速。冷卻系統(tǒng)主要保證機(jī)械密封在運(yùn)行過(guò)程中溫度始終處于50 ℃以下，防止高溫造成機(jī)械密封失效?？刂葡到y(tǒng)主要控制并采集機(jī)械密封運(yùn)行過(guò)程中的溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，調(diào)節(jié)測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)速、冷卻介質(zhì)的流量以及試驗(yàn)壓力等。

2.1" " 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示，主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、增速箱、試驗(yàn)箱主體等組成。

機(jī)械系統(tǒng)的電主軸采用變頻電機(jī)，考慮到機(jī)械密封初始啟動(dòng)扭矩較大以及滿足增速器的啟動(dòng)扭矩要求，選擇功率為90 kW，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。為達(dá)到最高轉(zhuǎn)速要求，選擇增速比為0.5的增速箱，可將電主軸的速度提高至6 000 r/min。為防止增速箱的軸向竄動(dòng)，采用人字形齒輪。同時(shí)，為了保證增速器齒輪箱處于較低的溫度，采用外循環(huán)式潤(rùn)滑系統(tǒng)，增速箱的溫度始終處于60 ℃以下。為保證密封腔在運(yùn)行過(guò)程中有較好的同心度，主體采用焊接的形式連接在一起，并與變速箱的外殼采用螺栓連接。軸端處采用高性能油氣密封件密封，運(yùn)行前，向密封腔內(nèi)通壓縮空氣以檢測(cè)氣密性。為了保證機(jī)械密封轉(zhuǎn)子與定子的精度，軸端直徑為166 mm，密封件轉(zhuǎn)子采用懸臂的方式安裝在軸端處，且盡量靠近支撐軸的位置進(jìn)行安裝，進(jìn)一步保證機(jī)械密封的配合精度。為避免運(yùn)行過(guò)程中流體對(duì)機(jī)械密封的軸向沖擊，采用兩套機(jī)械密封一起試驗(yàn)，平衡其沖擊力。

2.2" " 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)的冷卻系統(tǒng)如圖2所示，主要由儲(chǔ)水罐、電磁流量閥、制冷機(jī)、高壓型立式多級(jí)離心泵、壓力表等組成。儲(chǔ)水罐的體積為105 m3，制冷機(jī)的名義制冷量為59 kW，立式增壓泵的最大流量為2 m3/s。為進(jìn)一步保證在天氣較熱環(huán)境下的制冷量，儲(chǔ)水罐中安裝有沉浸式冷凝器，進(jìn)一步保證冷卻介質(zhì)的溫度。

2.3" " 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集處理與監(jiān)控等軟硬件系統(tǒng)。硬件包括工控機(jī)、溫度、壓力傳感器、PLC及擴(kuò)展模塊、傳感器輸入電路、控制信號(hào)輸出電路等；軟件主要是計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件和PLC程序，主要控制液壓油泵的啟停、密封介質(zhì)加載水泵的啟停、各種控制閥的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)速，在線顯示機(jī)封轉(zhuǎn)數(shù)、機(jī)封溫度、泄漏量、冷卻水進(jìn)出口水溫、冷卻水進(jìn)出口壓力等運(yùn)行參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示，操作界面如圖4所示。

3" " 試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試與應(yīng)用

高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)制作完成后，選擇規(guī)格分別為80、100、187 mm的機(jī)械密封進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照API 682—2014要求進(jìn)行。機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖5所示。

靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)，將兩套SAFV1/210-ET4-A2機(jī)械密封按照試驗(yàn)裝配圖裝入試驗(yàn)工裝并架上高速機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)，連接管路，打開(kāi)機(jī)械密封控制系統(tǒng)軟件，將模擬密封腔中充滿試驗(yàn)介質(zhì)（水），調(diào)整試驗(yàn)壓力至規(guī)定值（4.3 MPa）后，關(guān)閉進(jìn)出水閥，保壓時(shí)間15 min，記錄壓力與泄漏量。運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，延續(xù)靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程，打開(kāi)進(jìn)出水閥，下調(diào)試驗(yàn)壓力至0.2 MPa，檢查啟動(dòng)扭矩有無(wú)異常，打開(kāi)高速電機(jī)風(fēng)冷機(jī)，增速器油浴潤(rùn)滑，檢查油溫、油壓，打開(kāi)機(jī)械密封控制系統(tǒng)軟件，設(shè)定升降速均為30 r/s，逐步將轉(zhuǎn)速提升至4 711 r/min，在此期間觀察振動(dòng)有無(wú)異常；緩慢調(diào)節(jié)試驗(yàn)壓力至工作壓力（4.3 MPa），在此期間觀察振動(dòng)有無(wú)異常；連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100 h，每小時(shí)記錄一次試驗(yàn)壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、泄漏量，泄壓、降轉(zhuǎn)速至停車(chē)。試驗(yàn)過(guò)程介質(zhì)溫度的變化規(guī)律如圖6所示。

如圖6所示，機(jī)械密封在試驗(yàn)過(guò)程中介質(zhì)溫度始終處于50 ℃以下，滿足實(shí)際工況需求。不同規(guī)格的機(jī)械密封測(cè)試結(jié)果也表明，試驗(yàn)臺(tái)連續(xù)運(yùn)行平穩(wěn)，介質(zhì)溫度控制和壓力控制達(dá)到了預(yù)期要求，并且機(jī)械密封在6 000 r/min及以下時(shí)未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，可滿足高速高溫機(jī)械密封測(cè)試的需求。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的高溫高速機(jī)械密封測(cè)試平臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足大直徑、高線速度的機(jī)械密封測(cè)試需求?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，機(jī)械密封轉(zhuǎn)速精度達(dá)到±3 r/min，試驗(yàn)介質(zhì)壓力精度在試驗(yàn)壓力的±3%，試驗(yàn)介質(zhì)溫度精度在±2 ℃，運(yùn)行過(guò)程始終無(wú)任何泄漏，機(jī)械密封溫度始終低于50 ℃，可避免高溫對(duì)機(jī)械密封的破壞，滿足API 682—2014和GB/T 14211—2019對(duì)機(jī)械密封的認(rèn)證試驗(yàn)要求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大直徑、高線速度機(jī)械密封高溫高速試驗(yàn)的空白。

[參考文獻(xiàn)]

[1] REA C.Mechanical seals-in defense of the seal indus-try[J].World Pumps，2005（464）：18-20.

[2] DARDEN J M，EARHART E M.Modifications to Marshall's Annular Seal Test （MAST） rig and facility for improved rotordynamic coefficient testing of annular seals and fluid film bearings[C]//ANNAF 6th Liquid Propulsion Subcommittee Meeting，2011.

[3] BELFORTE G，BERTETTO A M，MAZZA L.Test rig for friction force measurements in pneumatic compo-nents and seals[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part J.Journal of Engi-neering Tribology，2013，227（1）：43-59.

[4] 高洪巖.新型機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2011.

[5] 張慶孟.密封件性能試驗(yàn)裝置檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2017.

[6] 孔令成，李焱鑫，唐超，等.一種高速密封試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2019，32（5）：121-123.

[7] 劉杰，楊博峰，李香，等.高速齒輪箱用機(jī)械密封試驗(yàn)研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2022，42（4）：33-35.

收稿日期：2024-06-11

作者簡(jiǎn)介：焦雨時(shí)（1984—），男，河北滄州人，工程師，從事機(jī)械密封裝置研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作。