渦輪泵機械密封泄漏機理分析及試驗驗證

張 峰，楊大昱，李正大，宋 勇，王 良

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

機械密封是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在液體壓力和補償機構(gòu)彈力(或磁)的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。機械密封有著工作可靠、泄漏量少、使用壽命長、適用范廣等優(yōu)點，在工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，由于核電和宇航的需要，高參數(shù)機械密封發(fā)展較快。機械密封作為液體火箭發(fā)動機渦輪泵的重要組件，起著隔離介質(zhì)和壓力腔的作用，具有高轉(zhuǎn)速、高壓力、高振動及介質(zhì)特殊等特點。

1 機械密封故障概述與分析

某氧化劑泵端面密封的石墨材料因廠家原因不再生產(chǎn)，某次發(fā)動機渦輪泵試車中搭載了新型石墨材料，工作中出現(xiàn)了油腔壓力異常，Ⅱ級密封嚴(yán)重磨損的問題，磨損過程造成參數(shù)波動。對該故障現(xiàn)象進(jìn)行了研究，對故障機理進(jìn)行試驗驗證，提出了改進(jìn)措施。

某預(yù)研項目中渦輪泵機械密封布局見圖1所示。

1-泵輪；2-軸承；3-Ⅰ級密封；4-Ⅱ級密封；5-渦輪；6-潤滑油腔

為保證絕對密封，在氧化劑泵和渦輪之間設(shè)置了兩級機械密封裝置，用于隔離氧化劑N2O4與高溫燃?xì)狻Ｆ渲孝窦壝芊獠捎脧椈墒矫芊猓蚣壝芊夂附硬y管密封，摩擦副采用石墨靜環(huán)配對9Cr18動環(huán)。Ⅰ級密封和Ⅱ級密封之間為潤滑油腔，該腔為封閉腔，工作時加注有性能穩(wěn)定的潤滑油，主要起潤滑作用。

渦輪泵機械密封的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 渦輪泵機械密封設(shè)計參數(shù)

圖2為渦輪泵試車中油腔壓力變化曲線，機械密封正常工作時油腔壓力約為0.8 MPa，在該項目研制試車中渦輪泵工作19 s時油腔壓力p2瞬間達(dá)到5 MPa，說明此時Ⅰ級密封出現(xiàn)不穩(wěn)定工作。渦輪泵分解后發(fā)現(xiàn)Ⅰ級密封靜環(huán)石墨磨損嚴(yán)重，Ⅱ級密封彈性元件失彈，對磨金屬動環(huán)密封面出現(xiàn)0.8 mm深環(huán)形溝槽。

圖2 渦輪泵試車中油腔壓力變化曲線

Ⅱ級密封破壞機理如下：液態(tài)N2O4作為液體火箭發(fā)動機渦輪泵常用氧化劑，具有強氧化性、高飽和蒸汽壓、易揮發(fā)，沸點只有21.15 ℃，其飽和蒸汽壓在100 ℃時達(dá)到2 MPa。

工作中Ⅰ級端面密封一旦出現(xiàn)微量N2O4泄漏到油腔，泄漏的N2O4在密封副摩擦熱的作用下，迅速汽化膨脹，油腔壓力p2出現(xiàn)高壓，使Ⅱ級密封端面比壓增大，運轉(zhuǎn)試驗驗證p2壓力達(dá)到3 MPa以上時將破壞Ⅱ級密封摩擦副液膜，石墨環(huán)在高比壓、高溫、干摩擦下將對磨動環(huán)磨出溝槽，使密封破壞，壓力也將隨之泄出。

2 密封泄漏原因分析

2.1 石墨材料物理性能

石墨材料具有優(yōu)良的潤滑、導(dǎo)熱性能，良好的耐高溫、耐低溫、耐腐蝕性能和一定的機械強度，廣泛用于機械密封摩擦副材料。發(fā)動機渦輪泵中用于密封氧化劑的機械密封摩擦副軟面材料主要為碳石墨材料。為了便于區(qū)別和分析，取原來配套的石墨材料，編號1#；本文密封故障使用的石墨材料，編號為2#；新型炭黑基石墨材料，編號3#。其中1#和3#是以高耐磨炭黑為主要材料的石墨，2#是以焦炭粉為主要材料的石墨，三種石墨材料均屬于浸漬酚醛樹脂的高強高密模壓型石墨材料。

表2中列出了石墨材料作為機械密封摩擦副材料主要機械物理性能參數(shù)。從數(shù)據(jù)對比來看，其機械性能指標(biāo)基本在一個水平。物理性能參數(shù)1#和3#基本相同，2#石墨導(dǎo)熱系數(shù)和石墨化度偏低。開口氣孔率1#和2#基本相同，3#石墨略大。

表2 石墨原材料機械物理性能指標(biāo)

對三種石墨進(jìn)行了元素分析，試驗使用設(shè)備為X熒光光譜儀，檢測依據(jù)JY/T016-1996。從表3可以看出1#和3#石墨純度較高，雜質(zhì)較少。2#石墨表面存在雜質(zhì)較多，含有Mg，F(xiàn)e和Al等金屬元素。

表3 石墨元素分析

3#石墨與1#石墨同屬于炭黑基石墨，相比之下石墨化度相當(dāng)，導(dǎo)熱系數(shù)稍低，但是兩者表現(xiàn)出的密封性能也有差異。通過掃描電鏡(SEM)，對比石墨微觀形貌和結(jié)構(gòu)，找出了兩者差異性。采用設(shè)備為JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡，對1#和3#石墨斷面進(jìn)行了500倍掃描分析。通過SEM可以看出1#石墨基體密度均勻，結(jié)構(gòu)致密、細(xì)膩，基體連續(xù)性和整體性較好，見圖3(a)；3#石墨圖像呈云團狀，密度分布不均勻，結(jié)構(gòu)比1#石墨粗糙、顆粒大，見圖3(b)。可見石墨材料組織結(jié)構(gòu)連續(xù)性、細(xì)膩程度的不同其表現(xiàn)的密封性能和摩擦磨損性能也不同。

同時對石墨材料微觀組織進(jìn)行500倍電鏡掃描和石墨環(huán)內(nèi)部無損探傷檢測，見圖4，可以看出浸漬碳石墨密度均勻，結(jié)構(gòu)致密、細(xì)膩，石墨材料整體性較好，石墨內(nèi)部不存在裂紋、空洞等缺陷。

圖3 石墨微觀組織

圖4 石墨微觀組織和無損探傷檢測

2.2 摩擦副材料特性分析

摩擦特性直接關(guān)系著密封性能的好壞，采用UMT-2多功能摩擦磨損試驗機，在PV值依次為10 MPa·m/s,20 MPa·m/s，30 MPa·m/s，35 MPa·m/s時，對2#石墨配對9Cr18動環(huán)進(jìn)行了350 s無潤滑條件下摩擦磨損特性試驗，曲線見圖5。

圖5 摩擦副摩擦磨損特性曲線

由圖可以看出，PV值為10 MPa·m/s摩擦系數(shù)隨著試驗時間而逐漸增加，其余三種PV值下的摩擦系數(shù)隨著試驗時間先增大隨后逐漸減小，主要是因為運轉(zhuǎn)前的摩擦系數(shù)需要克服靜摩擦，其數(shù)值較大；運轉(zhuǎn)后經(jīng)過磨合，摩擦系數(shù)降低。摩擦系數(shù)曲線穩(wěn)定，說明石墨轉(zhuǎn)移膜均勻穩(wěn)定，摩擦性能較好。

2.3 介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗

2.3.1 三種石墨的運轉(zhuǎn)對比試驗

介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗將機械密封裝配至專用試驗器中，其裝配狀態(tài)和渦輪泵相同，利用電機進(jìn)行驅(qū)動，使用N2O4介質(zhì)進(jìn)行回流冷卻進(jìn)行的機械密封運轉(zhuǎn)試驗，試驗參數(shù)見表4。介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗可以有效模擬渦輪泵試車對機械密封產(chǎn)品密封性能和密封副材料摩擦磨損性能進(jìn)行考核驗證。

表4 N2O4介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗參數(shù)

分別將1#石墨、2#石墨和3#石墨材料加工成密封靜環(huán)配對9Cr18材料動環(huán)，并配套其他雙道機械密封產(chǎn)品裝配于試驗器中，對其分別各進(jìn)行一次介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗，驗證石墨材料密封性能和摩擦磨損性能。圖6為介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗油腔壓力變化對比曲線圖。

圖6 介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗油腔壓力變化曲線對比圖

從圖6中三種石墨材料介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗油腔壓力變化曲線對比可以看出，1#石墨材料油腔壓力變化平穩(wěn)，最高上升至0.15 MPa。2#石墨材料啟動后油腔壓力在70 s左右開始迅速爬升，上升至0.8 MPa，3#石墨材料啟動后油腔壓力平穩(wěn)，油腔壓力維持在0.1 MPa左右。從試驗過程中油腔壓力曲線可以看出3#石墨材料泄漏最小，其次是1#石墨材料，2#石墨材料泄漏最大。2#石墨材料試驗原理上復(fù)現(xiàn)了渦輪泵試車中的油腔壓力突升故障。機械密封分解后經(jīng)過測量1#和3#石墨磨損量為0.02 mm，2#石墨材料磨損量為0.2 mm。

2.3.2 鉬合金動環(huán)介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗

鉬合金動環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)為144.4 W/(m·K)，9Cr18動環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)為14 W/(m·K),表5為不同動環(huán)材料在不同冷卻流量條件下，端面溫升仿真計算結(jié)果(計算時，假設(shè)密封比壓、轉(zhuǎn)速和工作時間均相同)?？梢钥闯鲈谙嗤ぷ鳁l件下，鉬合金動環(huán)端面溫升不到9Cr18動環(huán)端面溫升的50%。

表5 端面溫升仿真計算結(jié)果

為了進(jìn)一步驗證石墨材料導(dǎo)熱系數(shù)對其密封性能的影響，對2#石墨材料配對鉬合金動環(huán)進(jìn)行介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗，試驗參數(shù)和條件與以上試驗相同。試驗過程中油腔壓力曲線平穩(wěn)，最高0.12 MPa。測量Ⅰ級密封石墨材料磨損量為0.02 mm。說明了材料導(dǎo)熱性能良好的鉬合金動環(huán)可以改善密封工作環(huán)境，彌補石墨材料性能不足，減小機械密封泄漏。

3 機理分析

本文所述的雙端面密封為自潤滑接觸式平面機械密封，在工作過程中，由于摩擦，密封面處大量的熱量，就會造成摩擦副溫度急劇升高，密封面發(fā)生半干摩擦或者干摩擦，可能會造成石墨環(huán)燒損或者熱烈，引起端面密封不穩(wěn)定工作，甚至失效。圖7為端面密封石墨環(huán)溫度應(yīng)力示意圖。

端面摩擦熱的傳熱方向如圖7所示時有最大張應(yīng)力在端面上，見式(1):

(1)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；E為彈性模量，Pa；α為線膨脹系數(shù)，1/K；f為摩擦系數(shù)；pc為端面密封比壓，MPa；v為線速度，m/s；l為摩擦副厚度，mm。

圖7 端面密封石墨環(huán)溫度應(yīng)力分布

在相同的工作條件下，2#石墨密封面最大張應(yīng)力是1#和3#石墨的2.5倍左右，相比而言2#石墨密封面更加容易發(fā)生變形、出現(xiàn)干摩擦。

在試車過程中，端面密封在摩擦副端面產(chǎn)生大量的摩擦熱，2#石墨導(dǎo)熱系數(shù)較小，在工作轉(zhuǎn)速下Ⅰ級密封摩擦副出現(xiàn)半干摩擦或者干摩擦，大量摩擦熱聚集在密封端面，密封端面無法形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移潤滑膜，動靜環(huán)端面摩擦磨損嚴(yán)重，端面溫度急劇升高，使Ⅰ級密封前介質(zhì)局部溫度高于該處介質(zhì)壓力下的飽和蒸汽壓溫度，進(jìn)而使端面部分汽化，Ⅰ級密封處于混合潤滑狀態(tài)，端面間局部產(chǎn)生高壓，導(dǎo)致整個密封端面大面積汽化，摩擦副瞬間開啟，介質(zhì)泄漏至油腔。

Ⅱ級密封采用焊接波紋管機械密封，密封正常工作時性能良好，泄漏的介質(zhì)被阻隔在油腔中，出現(xiàn)瞬間汽化，介質(zhì)在油腔迅速汽化膨脹，造成油腔壓力p2壓力瞬間異常升高，Ⅱ級密封端面比壓瞬間增大，為正常比壓的3-5倍。由摩擦功率公式(2)可得，密封摩擦功率與比壓成正比，比壓越大，摩擦功率越大

N=f·pc·v·A

(2)

式中：N為摩擦功率，kW；f為摩擦系數(shù)；pc為端面密封比壓，MPa；v為線速度，m/s；A為摩擦副環(huán)帶面積，mm2。

Ⅱ級密封摩擦副在高比壓、高轉(zhuǎn)速、高溫、干摩擦條件下，石墨環(huán)短時間內(nèi)將對磨動環(huán)磨出溝槽，使Ⅱ級密封破壞，油腔高壓p2瞬間得到釋放。

4 結(jié)論

1)試車中Ⅰ級端面密封工作不穩(wěn)定，造成介質(zhì)泄漏至油腔，介質(zhì)在密封副摩擦熱的作用下迅速汽化膨脹，產(chǎn)生高壓破壞機械密封。介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗復(fù)現(xiàn)了試車中的密封故障，原因是端面石墨材料工作中不穩(wěn)定導(dǎo)致氧化劑泄漏引起。

2)石墨材料的導(dǎo)熱性能對機械密封工作起著重要作用，提高石墨材料的導(dǎo)熱性能可以提高密封工作穩(wěn)定性；利用鉬合金動環(huán)良好的導(dǎo)熱性與石墨材料配對，可以彌補石墨材料導(dǎo)熱性能和組織結(jié)構(gòu)上的不足，避免端面密封泄漏故障。