快变升速过程的端面密封性能试验研究

Experimental Approach for the Characteristics of Low-temperatureHigh-speed Mechanical SealsWang Jianlei Jia Qian Zhang Guoyuan Xi Yanhui Yuan Xiaoyang(1.Theory of Lubrication and Bearing Institute，Xian Jiaotong University，Xial Shaanxi 710049，China；2.Department of Mechanical Engineering，Northwestern Polyteehnical University，Xian Shaanxi 710072，China)Abstract：In order to investigate the characteristics of face seal in the condition of low viscosity lubrication，liquid ni-trogen was used to simulate low viscosity lubricating environment of high-speed turbopump.Face temperature，leakage，friction force，friction coeficient and other sealing performance data were acquired from the experimental study：rapidlyvarying up process for liquid nitrogen lubricated face seal that rotational speed is accelerated to 29 000 r/min in 2 S and120 S of steady running.The experimental results show that the end face temperature is increased with the increasing of ro-tational speed，and two-phase phenomenon is generated for liquid nitrogen because of vaporization.Therefore，sealing isin the state of dry friction.When the rotational speed is up to 24 000 r/min，the sealing leakage is increased significantlyand sealing is in the of state.When sealing system begins to operate，friction force between end faces in the state of dryfriction is larger，and the maximum friction coefficient is 0.27.The friction coeficient is decreased gradually with the in-creasing of speed，and the minimum value is 0.14。

Keywords：high-speed turbopump；face seal；rapidly varying up process；two-phase lubrication流体端面密封由于其非接触、低泄漏和较高刚度等优点，已成为现代密封研究的重点 。随着表面改型技术的发展，通过在端面密封动环上开浅槽 ，利用流体动压或者动静压来提高密封性能的技术正在形成。螺旋槽端面密封作为-种密封效率比较高的动密基金项目：国家973计划项目 (2009CB724304-2)。

收稿日期：2013-01-14作者简介：王建磊 (1978-)，男，博士研究生，主要从事转子动力学、现代机 械设计等 方面 的研 究.E-mail：j1wang###stu.xjtu.edu.an。

封，常常用在各种压缩机和泵等高速、高密封压力条件下 。国内对低温介质润滑的密封的研究起步较晚 ，尤其是试验研究，还没有公开的文献报道，但这类研究对发展空间摩擦学具有重要意义。本文作者对低温高速端面密封性能进行试验研究，分析端面密封在低黏度介质 (水介质、液氮等运动黏度均低于1.0×10～Pa·S)条件下的特性和规律。低黏度介质润滑的端面密封快变升、降速过程试验是重要的可靠性试验，水的黏度与液氮、液氧相近。大量水试之后用液氮进行试验验证了水试结果的有效性，差别在于后者汽化对表面损伤较大、前者有汽化与液膜交2013年第8期 王建磊等：快变升速过程的端面密封性能试验研究 29替承载导致振荡的失效现象。

1 测试系统及试验方法由于试验环境在低温下进行，条件比较恶劣，就此对原有的低温试验装置进行了改造和对接，设计加工了相应的试验零件，并解决低温下的静密封问题。

密封试验台测量系统示意图见图 1。整个试验系统由传动系统、密封系统和数据采集系统组成。传动系统主要由涡轮驱动的转动系统、传动轴和轴承等组成。

密封系统由试验密封部分、压力源、密封腔、缓冲罐等组成。

图1 密封试验台测量系统示意图Fig 1 The diagram of sealed test bench measuring system低温试验的测量参数包括常规参数测量、端面液膜参数测量以及泄漏量测量。其中常规参数有：介质人口压力P，、端面密封后压力P：、密封介质入口温度 t 、密封后介质温度 t 、密封后介质泄漏量 Q。端面液膜参数有：液膜温度 ，摩擦力 F和摩擦因数试验介质：液氮，预冷后密封装置入口温度 -160℃，压力0.8～1 MPa。

试验件：静环为浸低温环氧树脂石墨，石墨层厚3 mm；动环表面为光刻加工的内外双槽结构 (内人字槽和外螺旋槽结构)，其中的结构参数依据理论研究推荐的密封优化槽深和槽数进行加工，槽深5 m，槽数30个，试验前的动静环照片如图2所示。

(a)动环 (b)静环图2 试验前动环和静环照片Fig 2 Rotating ring(a)and static ring(b)before the test试验运转过程：预冷后，端面温度 t ，t 显示- 160 cC时开始运转；启动涡轮后，系统工作转速在瞬间达到29 000 r/min，而后调节转速下降，当转速稳定工作在 13 000～14 0O0 r/min之间后约 120 s，转速逐渐降低，直至停车。整个试验过程总运行时间180 s。启动过程转速随时间变化如图3所示。

图3 试验转速随时间变化过程Fig 3 Changes of speed during the test2 结果及分析2.1 泄漏量分析及脱开转速测定泄漏量是密封最重要的指标。试验测试了转速从0增加至29 000 r/min过程 中的泄漏流量变化趋势，如图4所示。从泄漏流量变化趋势中可以看出，当转速在接近 24 000 r/min时，流量出现明显的增加，说明此时端面已经脱开 ，密封间形成液膜。

图 4 升速过程中密封泄漏量的变化趋势Fig 4 The trend of change in the amount of sealleakage in the process of ramping出口压力的变化是验证密封端面脱开的有效证明。运转过程中的入口压力和出口压力如图5所示。

可以看出，密封供液压力维持在0.95 MPa基本不变，密封出口压力在密封端面间形成液膜后处在不断变化中。对应图 3可以说 明，在时间为 60 s左右时，速度快速增大，结合图4的分析，验证了转速为24 000 r/min时端面发生脱开现象，造成出口压力增大。

润滑与密封 第 38卷图5 试验过程中密封进出口压力变化Fig 5 Changes of impo and expo pressure ofthe seal during the test2.2 温升分析及两相现象温升对密封系统有重要的影响，随着转速的变化端面间温度的变化曲线如图6所示，可以看出转速在瞬间 (2 s)变化至29 000 r/min过程中，随着转速的增大，端面温度升高，最高温度为-73 c，显然，该温度会造成液氮汽化，在升速过程 中出现两相现象，由于气泡对密封的汽蚀，在试验结束后出现大的变形，石墨层出现部分崩裂现象。

n/(x10 r.min 、图6 升速过程中端面温升变化曲线Fig 6 End face temperature rise curve up process在试验过程中，观察到了两相现象。为了进-步研究两相现象和两相问题，专门设计了两相装置，该装置除了测量气液体积比例外，还可测量进入装置的液体温度，如图7所示。

图7 两相流装置入口流体温度曲线Fig 7 Inlet fluid temperature curve of two-phase flow device由温度测试值 t 的数值可知，此时密封入口的液体经过密封副已经汽化为气体，同时也表明在-定转速后发生端面脱离 (温度降低)，由于端面温升测量点与端面存在距离，因此试验测得值相对滞后-些 。

2.3 摩擦力及摩擦 因数测量摩擦力和摩擦因数的大小是评估端面密封的好坏的重要指标。摩擦力的测量结果随转速的变化曲线如图8所示，可以看出，在密封系统运转开始时，端面间干摩擦条件下的摩擦力较大；但是随着转速的逐渐增加，由于螺旋槽泵送和动压作用，端面间逐渐出现液氮或者气氮润滑，因而端面间的摩擦力逐渐降低；当端面发生脱开后，摩擦力将基本维持不变。

350300善25o20Ol500 5 10 15 2O 25 30n/(x1o r.min。 1图8 端面摩擦力试验曲线Fig 8 Face friction test curve摩擦因数随时间的变化曲线如图9所示，可以看出，在干摩擦条件下密封端面间的摩擦因数为0.27，随着转速的逐渐增加，摩擦因数逐渐减小，最小摩擦因数为0.14。这些摩擦因数比单相的液或气润滑的摩擦因数大很多，结合试验现象，分析造成的原因推测是汽液两相对端面材料的气蚀造成材料表面粗糙度增大。

o.300.27o.240.2io.180。15o.120图9 端面摩擦因数试验测试曲线Fig 9 Friction coeficient test curve3 结论(1)液氮介质润滑的端面密封进行 2 s升速至2.9万转的快变升速过程以及 120 s的稳定运行过程2013年第8期 王建磊等：快变升速过程的端面密封性能试验研究 31的试验中，随着转速增加，端面温升上升，液氮介质汽化出现两相现象，密封副处在干摩擦状态；当转速上升至 24 000 r/rain时密封泄漏量明显增加，发生端面密封脱开。

(2)密封系统运转开始时，端面间于摩擦条件下的摩擦力较大，最大摩擦因数值为 0.27，随着转速的逐渐增加，摩擦因数逐渐减小，最小摩擦因数为0.14。这些摩擦因数比单相的液或气润滑的摩擦因数大很多，结合试验现象，分析造成的原因推测是汽液两相对端面材料的气蚀造成材料表面粗糙度增大。