某空氣渦輪起動機動密封泄漏分析

蔣 聰 劉 冕 胡 冬 李皓冉 陳靖華

(中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106)

機械密封是流體動密封中最主要的形式，是旋轉機構防止泄漏和污染的重要部件，其被廣泛應用于石油化工、葉輪機械和航空航天產業。隨著國內航空產業發展和航空類產品的大量交付使用，減少機械密封泄漏量、降低泄漏概率受到廣泛關注[1]。某型航空用空氣渦輪起動機在使用中發現存在渦輪端動密封機構滑油泄漏量超過3 mL/h的情況[2]。該型起動機為獨立潤滑，大量的滑油泄漏將使滑油腔液面下降，引起內部齒輪機構潤滑散熱不佳，嚴重時會影響航空器的飛行安全和出勤率。

為探究動密封滑油泄漏原因，本文作者結合其結構特點及使用環境編制詳細故障樹，并針對輔助膠圈、彈性元件、摩擦副等零組件開展大量校核計算、試驗對比和仿真分析，歸納總結出一套針對動密封滑油泄漏的檢查方法，最終得出該動密封滑油泄漏的主要原因。

1 結構與工作原理

該型空氣渦輪起動機的動密封機構采用較為緊湊的內裝內流型單端面接觸式機械密封結構，其結構如圖1所示。

圖1 機械密封結構示意Fig 1 Mechanical seal structure

摩擦副中動環(金屬環)材料為9Cr18Mo，采用過盈約束固定于旋轉軸，隨軸進行高速旋轉。靜環(石墨密封環)材料為滲銅石墨M298K,安裝在密封殼體上，通過輔助密封O形膠圈實現其與密封殼體間的密封。靜環與動環相互貼合構成滑動端面，彈性元件(波形彈簧)和密封介質壓力共同作用于密封端面，形成壓緊力，保持端面緊密貼合，在旋轉軸高速轉動和靜止時均能維持一層極薄的流體膜[3]，進而實現內部滑油介質的密封。

該機械密封基本工作參數如表1所示。

表1 基本工作參數Table 1 Basic working parameters

2 故障原因分析

2.1 分解檢查

將該空氣渦輪起動機的機械密封結構分解，部分零件如圖2所示，分解中未發現輔助密封膠圈破損和硬化的情況，因此可以排除滑油從輔助密封膠圈泄漏的可能，可以初步判定泄漏的滑油來源于摩擦副中靜環與動環的貼合端面。

圖2 機械密封部分零件Fig 2 Some parts of mechanical seal

2.2 故障樹排查

2.2.1 故障樹編制

根據機械端面密封結構特點和分解檢查初步結果,以“摩擦副貼合端面滑油泄漏”為頂事件編制故障樹，如圖3所示。

圖3 摩擦副貼合端面滑油泄漏故障樹Fig 3 Fault tree of lubricating oil leakage on sealing face

2.2.2 氣震

摩擦副間發生氣震將導致貼合面無法緊密貼合，產生間歇性分離。發生氣震的可能原因為摩擦副在高速相對運動時產生高溫，引發貼合面的介質氣化或閃蒸。因此需要對動密封處介質溫度和摩擦副溫度場開展試驗測量和仿真計算。

采用多物理仿真軟件，建立動密封的二維軸對稱熱-固耦合模型，通過仿真計算驗證貼合端面的工作溫度。為方便計算，作以下基本假設：

(1)摩擦副所有的尺寸都是軸對稱結構，所受載荷也具有軸對稱特性；摩擦副材料連續均勻、各向同性、完全彈性，且物理性能不受力和溫度的影響[4]；假定摩擦副穩定運行，摩擦因數保持不變，忽略材料磨損的影響[5]；

(2)假設在密封面間摩擦產生的熱量全部在密封環間傳遞，同時假設密封端面上的熱流密度是均勻分布的[6-8]；攪拌產生的熱量相對摩擦副相對運動產生的熱量較小，模擬時忽略攪拌熱；忽略摩擦副端面間液膜的熱傳導；不計少量被泄漏帶走的摩擦熱，忽略輻射所帶走的熱[9]。

選擇該機械密封縱截面的1/2建立有限元模型，并根據實際工況和所處的環境配置相應的邊界條件。如圖4所示為摩擦副溫度場邊界示意圖。動環部分：A1-A2與滑油接觸，類似于流體掠過平板的強制對流換熱；A2-A3與滑油接觸；A3-A4與A1-A2類似；A4-A5流體相對靜止，一般處理為絕熱邊界；A5-A6邊界與固體接觸，也處理為絕熱；A6-A7與空氣接觸，屬于空氣強制對流換熱；A7-A1為密封端面，通過摩擦產生熱量，是該結構的熱源。

圖4 摩擦副溫度場邊界Fig 4 Temperature field boundary of mechanical seal

靜環部分：B1-B2由于附件滑油介質受到動環攪動，類似A1-A2邊界的強制對流作用；B2-B3空間狹窄，滑油保持靜止，換熱效應不明顯，可處理為絕熱邊界；B3-B4邊界與固體接觸，處理為絕熱邊界；B4-B6邊界與空氣接觸，屬于空氣自然對流，可忽略；B6-B1與動環A7-A1邊界一樣，是端面熱源。

具體網格劃分結果如圖5所示，采用常規的自由三角形網格，取最大單元尺寸為0.6 mm，最小單元尺寸為0.01 mm，最大單元增長率為1.2，曲率因子為0.4。在密封介質溫度為100 ℃,動環轉速為29 000 r/min的工況條件下，計算得到的溫度場三維云圖如圖6所示，等溫線圖如圖7所示。

圖5 網格劃分Fig 5 Grid division

圖6 溫度場三維云圖Fig 6 Three dimensional cloud image of temperature field

圖7 等溫線圖Fig 7 Lsotherm diagram

由圖6、7可知：摩擦副總體溫度在106.3～115.5 ℃之間，最高溫度出現在動靜環接觸端面，最低溫度出現在動環外圓柱面處。試驗中溫度的實時監控顯示最高溫度為119 ℃，試驗結果與仿真結果基本一致，最高溫度遠低于密封介質(飛馬Ⅱ號油)在摩擦副端面間發生氣震的溫度，因此排除該項可能性。

2.2.3 摩擦副端面損傷

接觸式機械密封的本質是指摩擦副貼合面微凸體接觸的機械密封，由于沒有氣膜和液膜動壓力使其貼合面產生間隙，因此接觸式機械密封機構中貼合面的平面度、平行度、粗糙度、硬度和光潔度等表面質量對于其密封性能至關重要[10]。

主要的金屬端面損傷形貌通常有：圓周凹陷磨痕、非圓周條帶狀磨痕和徑向劃痕等，工程分析中采用目視或金相檢測等較為簡單的方法就可以發現[11]。檢查該空氣渦輪起動機的動密封結構中的金屬環，并未發現存在端面損傷，且貼合面摩擦痕跡光潔均勻，因此可以排除泄漏事件是摩擦副端面損傷造成的。

根據空氣渦輪起動機高轉速的特點，通常將石墨密封環作為靜環，以此來減少高速旋轉下離心力對波形彈簧彈力和輔助密封膠圈性能的影響。但由于石墨材料中填料顆粒碳和黏結碳的密度不同，在高溫下因導熱不同步而形成填料顆粒凸出，隨著摩擦副中動環的高速旋轉被帶離石墨表面，從而出現機械剝蝕[12]。

該型空氣渦輪起動機采用M298K滲銅石墨作為靜環材料，相比于與原石墨其熱導率、強度提高，達到整體增韌的綜合效果，同時具有更好的抗熱震性能，不易發生靜環剝蝕情況。同時，結合微觀檢查結果，也未發現靜環破損的情況，因此也可以排除泄漏事件是靜環剝落破損造成的。

2.2.4 軸向壓緊力分析

以彈性元件為主的緩沖補償機構其作用主要是提供軸向壓緊力促使密封端面的緊密貼合，彈性元件彈力不足將會導致摩擦副的追隨性不良[13]，從而引發密封介質泄漏。該空氣渦輪起動機機械密封中采用波形彈簧作為主要彈性元件，為探討波形彈簧提供的壓緊力能否滿足要求，文中對貼合所需壓緊力以及彈簧提供的壓緊力進行分析校核。

針對內裝內流型機械密封采用如下公式對壓緊力Ft進行校核：

(1)

pt=pb-p1(K-λ)

(2)

(3)

(4)

式中：pb為端面比壓,一般中等黏度介質pb應在0.4～0.6 MPa范圍內；K為載荷系數，平衡型取0.6～0.85；λ為膜壓系數，中等黏度介質取0.4～0.6。

上述公式計算可得所需壓緊力Ft為10.8～12.3 N。根據圖8可知，壓緊力Ft為波形彈簧彈力Fb與輔助密封膠圈摩擦阻力R的合力,因此有Fb=Ft+R。

圖8 波形彈簧受力示意Fig 8 Schematic of force of wave spring

研究的機械密封的膠圈材料為F275，摩擦阻力無法通過計算準確得到[14]，只能通過試驗實際測得。在是否安裝輔助密封膠圈的2種情況下，讓動環在彈力機作用下移動相同位移Δh(如圖8所示)，彈力機作用力的差值便是膠圈實際摩擦阻力。試驗選取6個不同批次的12只新膠圈和發生漏油的機械密封的膠圈在充分潤滑條件下開展測試，每只膠圈測試3次取平均值。由于在檢查中發現該膠圈存在泡油使用后體積脹大的情況，因此同時針對該12只新膠圈開展膨脹率試驗。膨脹率試驗中滑油介質溫度115 ℃，試驗時長48 h，試驗后檢測其體積膨脹率，結果如表2所示。

表2 摩擦阻力測試結果Table 2 Friction test results

表2的試驗結果表明，泡油膨脹試驗后膠圈體積均有增大，體積平均增大6.3%，平均摩擦阻力從3.81 N增大到5.73 N，證明輔助密封膠圈在工作中浸泡滑油后體積脹大對摩擦阻力的影響不可忽略[15]。

該型機械密封在結構設計時，并未重視膠圈泡油膨脹的影響，在選取波形彈簧時僅使用最小壓緊力Ft與膠圈膨脹前平均摩擦力R0之和，這會導致密封機構在工作初期密封性良好，而在逐漸使用中出現密封性降低泄漏超標的現象。

對該機械密封的波形彈簧進行實測，得到在工作高度下能提供的彈力Fb為15.2 N，扣除膠圈膨脹后的摩擦阻力(R1)6.12 N，實際提供的壓緊力Ft只有9.1 N，相比于所需的壓緊力Ft下限10.8 N降低15.7%。因此可以判定導致該機械密封泄漏的主要原因是輔助密封膠圈泡油后膨脹，摩擦阻力增大，導致摩擦副貼合及跟隨性不佳，無法對密封介質達到全時密閉。

根據分析結果，為補償膠圈膨脹后摩擦阻力的作用，對該動密封結構中波形彈簧的彈力進行調整，增加預緊力至合格范圍，并開展試驗驗證。試驗后并未發現有滲漏情況發生，證明措施有效。

3 結束語

針對某型航空用空氣渦輪起動機動密封泄漏問題，采用故障樹分析法開展定性分析和研究。研究發現，動密封泄漏的主要原因是輔助密封膠圈膨脹后摩擦阻力增大，導致貼合端面壓緊力降低，從而引發密封介質泄漏。因此在動密封設計時，輔助密封膠圈泡油膨脹后摩擦阻力增大的問題不容忽視，尤其是在壓緊力較小的情況下，該現象更應得到重視。文中采用的動密封泄漏故障分析方法，是一種適用于工程實際的針對動密封泄漏的排故方法，可為動密封的設計優化提供參考。