渦輪泵用球面裝配機械密封熱變形及磨損特性實驗研究

李勇凡 宋勇 郝木明 莊宿國 周芮 李天照 王陳寅 任寶杰 李小卒

摘要：以少量常壓煤油介質條件下渦輪泵用球面裝配機械密封為對象，通過實驗測試分析端面磨損形成機理。設計實驗工裝，實現金屬環截面9點溫度矩陣和石墨環座3位置軸向位移的測試，得到兩種彈簧力條件下溫升和位移演變數據，并對磨損端面進行光學顯微觀測和徑向輪廓測量。結果表明：磨損深度以內徑處最大，至靠近外徑處一定寬度內無磨損；隨轉速的升高密封環軸向及徑向溫度梯度不斷增大；兩工況下密封環傾轉熱變形造成的端面間隙錐度約為2.5 mrad和7.5 mrad。對于該型式密封，有必要通過端面開設流體動壓槽以形成主動泵入潤滑等方法來改善流體靜壓潤滑效應缺失造成的嚴重磨損。

關鍵詞：機械端面密封；電渦流位移傳感器；溫度梯度；磨損機理

中圖分類號：TH136；TB42

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.004

Experimental Study of Thermal Deformation and Wear Characteristics of Spherically-assembled Mechanical Seals for Turbo Pumps

LI Yongfan1 SONG Yong2 HAO Muming1 ZHUANG Suguo2 ZHOU Rui2 LI Tianzhao1

WANG Chenyin1 REN Baojie3 LI Xiaozu1

1.College of New Energy，China University of Petroleum （East China），Qingdao，Shandong，266580

2.Xian Aerospace Propulsion Institute，Xian，710199

3.Dongying Hiscien Sealing Technology Co.，Ltd.，Dongying，Shandong，257067

Abstract： Normal-pressure kerosene-lubricated spherically-assembled mechanical seals for turbo pumps were regarded as targets，? and the formation mechanism of face wear was analyzed through experimental tests. An experimental cell was designed to test the 9-point temperature matrix of the metal ring crosssection and the axial displacements of the graphite ring seat at 3 positions. The temperature rising and displacement evolutions under two spring-force conditions were obtained，? and the worn faces were observed by optical microscope and measured for the radial profile. The results show that the wear depth is the largest at the inner diameter，? and there is no wear within a certain width near the outer diameter； the axial and radial temperature gradients of the seal ring continue to increase with speeding up； taper of the sealing gap caused by thermal coning of seal rings in two conditions are approximately 2.5 mrad and 7.5 mrad respectively. For this type of seal，? configuration of hydrodynamic grooves on the face may improve the serious wear caused by hydrostatic lubrication effect lacking via achieving activated pumping lubrication.

Key words： mechanical face seal； eddy-current proximity； temperature gradient； wear mechanism

收稿日期：2022-06-24

基金項目：

國家自然科學基金（51975585）

0 引言

渦輪泵是液體火箭發動機的核心動力機構之一，機械端面密封作為其中的關鍵基礎零部件，其可靠性至關重要［1-3］。渦輪泵機械密封面臨啟動迅速、高速運行、轉軸振動等特殊動力學條件，根據在軸系中所處環節的不同，還可能包括潤滑不充分、冷卻條件差或者低溫、低黏、高壓等十分苛刻的介質環境［4］。人們對渦輪泵機械密封已開展了十分廣泛的研究。

對于接觸式密封，賈謙等［5］測試了高轉速下液氮介質機械密封的端面摩擦力和溫度演變過程，發現石墨環端面出現層片狀脫落及磨損。趙偉剛等［6］針對低溫推進劑端面密封，通過對比運轉前后密封環端面樣貌，并結合仿真分析，探究了端面接觸應力和溫度變化對密封磨損的影響。倪成良［4］以火箭發動機渦輪泵端面密封問題為背景，開展了軟質密封材料與9Cr18鋼配副的摩擦學特性研究，分析了多個因素與磨損的關聯度。WANG等［7］研究了深冷環境下無定形碳涂層9Cr18密封環的摩擦磨損性能。針對石墨密封材料高溫條件下的摩擦行為和磨損特性，閆玉濤等［8］開展了材質的銷-盤實驗和掃描電鏡觀測。

對于動壓型密封，王建磊等［9］進行了液氮介質流體動壓型端面密封的快變升速及穩定高轉速工況的實驗測試，分析了端面溫度、泄漏量、摩擦力、摩擦因數等參數的演變。ZHANG等［10-11］對不同介質壓力下高速深冷流體動壓型機械密封進行了實驗研究，結果表明該種密封端面摩擦的穩定性。張?。?2］、趙偉剛等［13］優化設計了動靜壓結合型密封結構以改善渦輪泵機械密封的磨損問題，分析了流體膜剛度和泄漏量受結構參數的影響規律。

在其他方面，王建磊等［14］探究了N2O4環境下渦輪泵密封浸漬石墨環的磨損機理，指出石墨空隙內氣蝕的影響；針對同樣的介質條件，張峰等［15］指出密封環材質導熱性對密封性能有關鍵影響。張樹強等［16］通過二維穩態傳熱模型的仿真分析給出了端面變形和溫度特性受介質回流量、材質熱導率等參數的影響規律。趙偉剛等［17］針對火箭發動機渦輪泵機械密封結構設計與制造工藝相互分離的問題，提出了一種一體化設計流程，經驗證可提高密封制造水平和運行可靠性。魏芳勝等［18］對鑲裝式靜環受熱壓工藝影響的石墨環不均勻脫出等問題進行了探究和分析。

根據上述調研，對渦輪泵機械密封的研究多針對其深冷介質工況，開展以密封端面摩擦磨損特性為主的實驗測試或仿真分析工作；還提出了以改善潤滑效果、降低磨損為目的流體動壓型或動靜壓結合型的密封型式；此外，制造工藝等方面對密封性能的影響也均有所涉及，例如熱鑲裝式密封件。球面裝配機械密封由于具有自對中、無熱裝應力、便于重復使用等優勢，同樣是火箭發動機渦輪泵中常見的密封型式，其軟材質環與環座為分體結構，二者間采用球面配合方式。但是，該型式密封在渦輪泵中可用于少量常溫常壓煤油介質環境，因而其冷卻及潤滑效果較差，容易發生嚴重磨損。由于未見公開報道的針對球面裝配機械密封的研究工作，本文針對該型式密封開展實驗研究，測試并分析密封環溫升以及熱變形誘發位移的演變過程，以期揭示其磨損機理。

1 被測密封及實驗工裝

被測試的球面裝配機械密封以及設計的實驗工裝如圖1所示。靜環為9Cr18不銹鋼材質（金屬環），動環為M248石墨材質（石墨環），石墨環與環座之間為球面配合的分體結構，其彈性元件采用波形彈簧。石墨環端面內外半徑分別為33.5 mm、37.5 mm。采用小孔噴油的方式向密封端面供給介質，由密封腔上端噴入、下端流出，運轉時彈簧座上的反輸泵送環可從一定程度上抑制介質從密封腔與旋轉件之間的間隙排走，被密封側與大氣連通、處于常壓環境。

為測量金屬環溫度，在金屬環背面布設加工了深度不同、徑向位置不同的測溫孔。在金屬環背部右側錯位布置了1～9號測溫點（圖2a），相當于在截斷面上形成了9點測溫矩陣（圖2b），且錯位布置的方式既可明顯降低集中布孔對環內熱傳導的影響，又保證了安裝空間。此外，在環背部正下方和正上方各開設1個測溫點，用以評估周向溫度差別。密封環實物如圖2c、圖2d所示。

采用電渦流位移傳感器測量石墨環座的軸向位移。在半徑22.5 mm處周向布置3個位移傳感器（圖3），均正對石墨環座的測位移端面。根據測點1～3的軸向位移，可得石墨環座整體的3自由度運動情況，即軸向位移、繞x軸角向位移和繞y軸角向位移。若認為石墨環端面保持緊貼金屬環端面，則石墨環座橫向偏轉的過程即為與石墨環沿球面配合處相對運動的過程，此處認為其橫向偏轉以過球心的轉軸垂線為軸。然而，環座被測面中心與球心的距離為29 mm，結合實測值，環座與石墨環的角向相對運動不大于0.01 rad，則造成的被測面中心的軸向偏離不大于1.45 μm。因此，可近似認為石墨環座軸向位移和角向位移是解耦的。中心點O的軸向位移ΔzO可代表石墨環座整體的軸向運動，而ΔzO可由測點1～3的坐標（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）根據空間平面方程求得。

機械密封實驗臺、測試工裝、介質供給系統及傳感器裝配如圖4所示。

2 測試工況條件

根據火箭發動機渦輪泵高轉速、迅速啟動的運轉特征，設定最大轉速為10 000 r/min，0～10 000 r/min升速時長為3 s，10 000～0 r/min停機時長為18 s，設置轉速模式如下：0～10 000 r/min （3 s）→10 000 r/min （10 s）→10 000～0 r/min （18 s）→0 r/min （60 s） （循環運行5組）。

為模擬少量煤油介質環境，采用小孔噴油的供油方式，小孔直徑為0.5 mm，管路油壓設定為0.1 MPa（G），經測量約30 ℃下噴油量約為150 mL/min，噴油形態如圖5所示。

分別采用單波形彈簧和雙波形彈簧開展測試。利用彈簧測力計測試動環組件高度-彈簧力關系曲線，在其工作高度44.1 mm位置處，彈簧力分別為127 N和207 N，對應的端面彈簧比壓分別為0.1423 MPa和0.2320 MPa。兩種工況分別簡稱為工況A和工況B。

3 端面磨損特性

對運轉后的密封環端面進行顯微觀測和徑向輪廓測量，以評估端面的磨損情況。

圖6所示為密封環端面。工況A中，金屬環從內徑至外徑劃痕程度逐漸減輕，有明顯變色，至靠近外徑處無明顯痕跡；石墨環端面靠近內徑處有明顯磨損，向外徑方向逐漸變淺，至靠近外徑處無明顯痕跡。工況B中，整個金屬環端面出現非均勻分布的變黃、變藍、變黑等現象；石墨環端面出現較為嚴重的磨損，且有一定的層次。

圖7所示為端面徑向輪廓。金屬環端面的磨損深度較小，約小于0.5 μm，工況B出現約1.5 μm的高點，結合顯微照片可知為鑲碳。石墨環端面徑向輪廓呈內徑處至端面中部磨損深度逐漸減小、中部至外徑處無磨損的特征，工況A最大磨損深度達5～7 μm，磨損擴展至自內徑約2 mm處，工況B最大磨損深度達8～10 μm，磨損擴展至自內徑約2.7 mm處。

上述現象表明端面磨損沿徑向呈明顯的非均勻分布，從內徑處開始發展，至外徑處幾乎消失，工況B條件下金屬環變色程度及石墨環磨損程度均明顯加重。通過溫度及位移數據對該種磨損情況形成的機理進行分析。

4 溫度特征

圖8所示為金屬環上、右、下3處溫升變化，分別對應測溫點11、5、10，為首次啟停數據。由圖可知，3處溫升的趨勢一致、數值較為接近，可間接表明所用測試方法的準確性，且密封環周向溫度分布較為均勻。

圖9所示為金屬環徑向溫升分布變化，為首次啟動及定轉速階段數據。由測溫點6、5、4，測點3、2、1，測點9、8、7得到3組實測數據，進而分別得到距離金屬環端面1 mm、5 mm、9 mm位置處的徑向溫度分布擬合數據（徑向范圍為34～ 37 mm），分別命名為位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。由圖可知，啟動初始階段3處位置的溫升停滯時間依次增大，反映了自升速開始熱量由端面向后端傳導的過程；3處位置之間的溫差逐漸變大，并在定轉速運行階段趨于穩定，該特征可反映密封環內部軸向溫度梯度的變化。13 s時位置Ⅰ溫升呈內徑高外徑低分布，兩種工況下內外徑溫度分別約為60 ℃和49 ℃、94 ℃和60 ℃。

上述數據表明，在密封環溫度升高的同時，環內部的軸向及徑向溫度梯度均不斷增大，工況B的溫度梯度明顯大于工況A，與工況B條件下磨損深度和寬度均更大相對應。結合磨損情況，說明在該種密封型式和介質條件下會產生十分顯著的密封環傾轉熱變形，進而造成端面間隙的錐度過大，內徑處接觸壓力過大，磨損由內徑處開始迅5 位移特征

圖10所示為工況B條件下石墨環座軸向位移，為首次啟停數據。由圖10a可知，3處位移測點的原始數據在一定范圍內近似正弦波動，在升速初始階段，波動幅值可達約150 μm，隨轉速升高至最大值，波動幅值減小至約30 μm，在降速過程中，波動幅值又逐漸增大至約150 μm。在上述原始數據的基礎上，根據空間平面方程可以求解得到石墨環座中心位置的軸向位移ΔzO（圖10b），ΔzO的變化過程與升速、定轉速、降速3個階段對應良好。與此同時，ΔzO存在約15 μm的不規則波動，認為是電渦流精度、干擾信號、被測表面不平度等因素的綜合結果。

比較A、B兩種工況下首次啟動及定轉速階段的ΔzO（圖11）。由圖可知，在3～13 s的定轉速階段，工況A、B的ΔzO分別穩定在約10 μm和30 μm位置處。結合磨損及溫度梯度變化情況，可進一步判定溫度非均勻分布導致石墨環及金屬環發生傾轉熱變形，由外徑至內徑形成收斂型錐度，而靠近內徑處接觸壓力的進一步增大又導致溫度梯度進一步加劇，熱變形也隨之加劇，直至達到一定的熱平衡狀態。因此，可近似認為石墨環座的軸向位移主要由密封環傾轉熱變形的“推動”所致，結合端面寬度，近似得到端面間隙錐度分別約為2.5 mrad和7.5 mrad，可進一步說明端面內徑處發生嚴重磨損的誘因。

與此同時，根據3個位移測點的原始數據可得石墨環座繞x、y軸的角向偏轉量。以工況B為例，由圖12a可知，在升速階段，角偏差逐漸減小，定轉速階段角偏差處于一定值，降速階段角偏差恢復增大至接近初始值；圖12a左上子圖為初始0.4 s的數據，可見隨轉速的增大其波動周期逐漸減小，x、y向角偏差的相位差約為1/4周期；圖12a左下子圖為定轉速某處0.02 s的數據，可見其波動周期約為6 ms，與1×104 r/min一致。

圖12b和圖12c所示為石墨環座總體角偏差和角偏差相位角的變化，均由x向和y向角偏差計算得到?？傮w角偏差和轉速具有高度相關性，靜止狀態下石墨環座因裝配精度、彈簧和輔助密封圈角向傾轉力矩等因素而數值較大；隨轉速的增大，該角偏差在離心力作用下減小至一較小值；由于彈簧、輔助密封圈等部件的角向力矩可能一直存在，因此隨著停機過程，角偏差又還原至一較大值。角偏差相位角呈0—π2—0— -π2—0…周期性變化。

比較A、B兩種工況下首次啟動及定轉速階段的總體角偏差，如圖13所示。由圖可知，工況A條件下，角偏差在升速初期從初始位置短時小幅增大，然后隨著轉速的增大迅速下降至約1 mrad，在達到最大轉速的臨界時刻階躍上升至約3.5 mrad并近似保持穩定；工況B條件下角偏差的演變過程類似，但是在臨界時刻的階躍十分微小，且在定轉速階段的角偏差穩定值僅約為1 mrad。這表明在較大彈簧力作用下，石墨環座角向運動的阻尼更大，使得石墨環座從初始角向位置更為平穩地過渡至一較小值。

石墨環座角向運動情況雖然無法直接反映密封環的變形和位移特征，但是可以說明本文所采用的測試方法和位移數據處理方法的準確性。

此外，需要說明的是，對于該密封而言，由于介質條件為常壓，且被測件無瑕疵、端面貼合良好，因此，除非發生密封環碎裂等嚴重故障，

否則不會發生泄漏。在實際測試過程中，的確未從端面內徑處觀察到泄漏甚至潤濕的情況，因此，泄漏量的測試結果為零，如圖14所示。這也同時表明端面處潤滑效果差，與前述密封環溫升、端面傾轉熱變形及磨損特性相對應。

6 結論

本文開展了常壓環境、小孔噴油潤滑條件下，渦輪泵用球面裝配機械密封端面磨損、密封環溫升、石墨環座位移等特征量的實驗測試工作，根據測試結果對磨損形成機理進行分析。

隨著轉速的升高，密封環的軸向及角向溫度梯度不斷增大，會誘發密封環出現傾轉熱變形，形成收斂型端面間隙，進而造成內徑處接觸壓力和摩擦生熱量增大。當密封達到端面處摩擦生熱-環內部溫度梯度-與介質間對流傳熱-密封環傾轉熱變形等多因素耦合的平衡狀態時，將在靠近端面內徑處形成持續磨損，而靠近端面外徑處甚至處于非接觸狀態。

文中兩種工況下的端面間隙錐度約為2.5 mrad和7.5 mrad，明顯大于通常條件下接觸式機械密封端面間隙錐度的數量級，表明了接觸式機械密封對流體靜壓潤滑的依賴性。對于本文實驗對象，可從密封環結構優化設計以限制傾轉熱變形，以及端面槽型設計以形成主動泵入潤滑兩方面進行改進。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：李勇凡，男，1991年生，博士。研究方向為機械端面密封、液膜密封。E-mail： liyongfan15@163.com。

郝木明（通信作者），男，1964年生，教授、博士研究生導師。研究方向為流體動密封。E-mail： haomm@upc.edu.cn。