超高速涡轮泵机械密封工作特性分析

郭军刚，温 力，郑华义，胡丽国，郝小龙

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

超高速涡轮泵机械密封工作特性分析

郭军刚，温 力，郑华义，胡丽国，郝小龙

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

超高速涡轮泵机械动密封需满足可靠性及寿命指标要求，在研制阶段，需通过理论分析研究机械密封工作特性。在对机械密封动力稳定性与密封端面磨损换热特性分析研究的基础上，针对所选用的机械密封形式，选取合适的参数，校核机械密封相关性能参数，并对密封副工作特性进行初步研究，得到密封副泄漏量的变化规律、动力稳定性及其端面散热量，以确定合适的冷却液流量。该机械密封工作特性分析的应用为超高速涡轮泵的寿命与可靠性试验验证提供了一个合理的、高效费比的技术途径。

涡轮泵；机械密封；工作特性

0 引 言

航天推力矢量伺服系统中，超高速涡轮泵是产生高压介质的核心动力部件，一旦其机械动密封出现严重故障，将导致伺服系统工作失效，造成巨大的经济损失。

影响超高速涡轮泵机械密封工作特性的因素包括：a）密封环的加工和安装误差；b）频繁的启停将加速密封环的磨损；c）弹性元件和紧固件的失效。

本文主要讨论机械密封动力稳定性、密封副热交换和和磨损以及泄漏量等特性对机械密封可靠性的影响，开展超高速机械密封工作特性分析，对提高伺服系统的寿命、安全性、可靠性具有重大意义。

1 超高速机械密封工作原理与失效机理分析

1.1 原理与结构

某超高速涡轮泵机械密封由动环组件、静环组件、密封壳体等组成，如图1所示。

图1 机械动密封结构

由图1可知，其中动环、静环的端面组成一对摩擦副，静环靠密封室中液体的压力和弹簧弹力使其端面压紧在动环端面上，并在两环端面上产生适当的比压并保持一层极薄的液体膜从而达到密封的目的。弹性元件产生压力，可使涡轮泵在不运转状态下保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。密封元件起密封动环与轴的间隙、静环与密封壳体间隙的作用，同时对泵的振动、冲击起缓冲作用。1.2 机械密封失效机理分析

超高速涡轮泵的静环组件由静环座、石墨环组成，石墨环与静环座粘接为一体。涡轮泵装配完成后带油压贮存，石墨环与静环座浸在液压油中；石墨环中环氧树脂浸渍物在高温环境下引起树脂的变性或析出等变化，导致超高速涡轮泵的机械密封石墨磨损加剧，泄漏增大，从而导致密封性能下降甚至失效[1]。

2 机械密封副端面泄漏分析

超高速涡轮泵机械动密封主要失效方式有以下4种泄漏：a）端面摩擦副的密封面处的泄漏；b）静环与壳体密封处的泄漏；c）动环与轴的密封处的泄漏；d）静环与密封壳体处的泄漏。其中后3种泄露可以通过合理设计密封圈沟槽、合理选择密封圈压缩量及工艺来避免，而第1种泄漏则是端面机械密封的最关键因素。泄漏量的多少主要取决于端面间的润滑状态，并与密封尺寸、平衡系数及压差有关。Mayer于1975年给出适用于边界润滑状态的公式[2]：

式中 Q为泄漏量；d0为密封静环端面外径；P为通过密封的压差；hs为端面间距，hs= 0.86×(0.05+0.05) = 0.086 µm；Rz1和Rz2为动静环表面微观不平度十点平均高度；Pg为密封端面比压；S为间隙系数，随轴周速V的增加而增大，并在高周速下趋于某一定数，其值可近似求得[3]，Vrω=，r为密封断面半径，ω为密封面角速度，计算可得S = 105MPa/s。代入相关数据到式（1），得Q = 3.72 mL/h。密封泄漏导致失效取决于密封介质的特性及运行环境[3]。根据某超高速涡轮泵产品研制经验认为：当密封的泄漏量大于理论平均值时，机械密封的运行必定不正常。

3 超高速机械密封稳定性评估

3.1 动力稳定性评估

考察端面机械密封的动力稳定性即静环端面密封的倾斜振动，使其在工作状态不发生失稳。动力失稳[4]：

式中 rg为回转半径，即密封静环唇口外径；rsp为弹簧位置半径；R2为静环外径；rm为平均半径；p1和p2分别为内压和外压；m*为静环质量；ω为旋转角速度；c2为平衡中心线间隙；k*为弹簧刚度；a为稳定区分线斜率的线性常数，a = 1.569 3；R1为静环内径；β 为回归锥角；β*为密封面锥角，平行端面情况下为零。

3.2 稳定性判据

在有角度误差和密封面锥度的机械密封中，存在一个临界角速度((m*·ω2)/k*)cr，当工作角速度小于该值时，密封运转稳定，否则运转不稳定。将相关数据代入式（2），得：

所以静环是稳定的。

4 机械密封端面磨损和热交换

4.1 密封副端面磨损率

机械密封端面间产生的摩擦热降低了流体液膜粘度，使液膜承载能力下降，导致端面磨损或损坏，使密封失效，还可以使正常压力下的液膜达到沸点并汽化。端面密封在工作中受磨损的主要是静环，根据磨损定律可知：摩擦物体的磨损量M与摩擦滑动行程L成正比，与外载荷W的大小成正比，与磨擦副中较软材料的屈服限（或硬度H）成反比[5]，即：

式中 kw为磨损系数，kw= 107（采用浸树脂石墨-金属陶瓷的材料，平衡密封，介质为水）。

定义物体的磨损速度γ = dM/dt。每次氦吹时间为80 s，以静环唇高完全被磨平作为衡量标准，那么可以进行60次氦吹。结合该涡轮泵机械密封实际使用情况，60次氦吹已完全满足涡轮泵机械动密封的使用寿命。

4.2 密封副端面热交换

高速机械密封静环结构如图2所示，为平衡型弹簧静止式内流密封形式，机械密封运行工作条件如下：

a）机械密封动环侧为12#航空润滑油，压力为0.6～1.0 MPa，密封环摩擦生热由航空润滑油进行冷却，冲洗量为1～1.5 L/min；

b）机械密封静环侧气体压力为0.2 MPa。

图2 动密封静环结构

根据机械密封的相关尺寸，可求得其面积比为

式中 r1，r2，rb分别为密封端面副的外半径、内半径和平衡半径。

若密封端面间隙为平行间隙，则膜压系数Km为

式中 pΔ为涡轮腔与轴承腔压差；sp为弹簧比压。取端面摩擦系数f =0.1，密封端面平均摩擦生热Qf为

密封端面接触比压pc为

式中 rm为密封端面平均半径；ω为转速。

代入相关数据到式（7），得Qf= 3.38×106W/m2。

4.3 密封副端面温升计算

机械动密封端面摩擦产生的热量将导致密封摩擦副之间产生一定的温升，这与对流换热系数极大有关。机械密封热平衡示意如图3所示[6]。

图3 机械密封热平衡示意

由图3可知，参考迈尔和格鲁别耶夫推荐的端面温升的计算方法为

式中 CW为散热系数，CW= 0.2～0.9；λA和λB为端面摩擦副材料导热系数；H为端面摩擦功率。

将相关数据代入式（9）得：TΔ=24 ℃，所以可以认为端面之间的温升为0～25 ℃。

4.4 密封副端面循环流量计算

密封端面之间产生的热量必须加以扩散，防止端面附近的温度超过允许值。循环流量Q的大小由允许的温升来决定[7]。

式中 ρ 为冷却液密度；c为冷却液比热；tΔ为允许温升，tΔ=25 ℃。

将相关数据代入式（10），得：Q=30 L/h。

为了对轴承和密封端面进行润滑和冷却，实际涡轮泵在泵轮后面的壳体上开有一个进油孔，通过该进油孔的实际流量为

式中 c为流量系数，c=0.6；A为过流面积。代入相关数据得：Q=40 L/h，满足机械动密封端面摩擦副之间冷却需要。

5 结 论

a）超高速机械密封泄漏导致失效在很大程度上取决于密封介质的特性及运行环境。基于Mayer边界润滑状态实验公式得出的超高速涡轮泵机械密封摩擦副之间渗漏量满足产品的实际工作要求。

b）在有角度误差和密封面锥度的机械密封中，存在一个临界角速度，当工作角速度小于该值时，密封运转稳定，否则运转不稳定。因此，在制造涡轮泵时，应严格控制密封环的垂直度和尽量减小锥度。

c）精确计算密封环端面生热量，需综合考虑机械密封环与密封流体的对流换热作用。由于密封端面间超高速剧烈摩擦生成大量热量，容易导致密封环失稳，提高冷却液流量可增加机械密封稳定性。

[1] 戴树和, 王明娥. 可靠性工程及其在化工设备中的应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 1978.

[2] 顾永泉. 机械密封实用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[3] 魏龙, 常新中, 张鹏高. 接触式机械密封端面泄漏模型的研究进展[J].流体机械, 2012,40(2): 36-38.

[4] 王超. 机械密封可靠性工程[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1992.

[5] 顾永泉. 机械密封磨损率的预算[J]. 石油化工设备, 1999,28(1): 27-30.

[6] 周剑锋，顾伯勤. 机械密封环的传热特性分析[J]. 机械工程学报, 2006,42(9): 201-206.

[7] 彭旭东, 康玉茹, 孟祥铠, 等. 核主泵用流体静压型机械密封性能的影响因素研究[J]. 机械工程学报, 2012,48(17): 83-85.

Performance Analysis of Hypervelocity Turbo Pump Mechanical-seal

Guo Jun-gang, Wen Li, Zheng Hua-yi, Hu Li-guo, Hao Xiao-long
(Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)

Research on hypervelocity turbo pump mechanical-seal performance is carried out to meet reliability and life requirements. Based on analysis of mechanical-seal reliability and seal face hot-transfer characteristics, according to the mechanical seal, the appropriate parameters are selected, mechanical-seal performance-related parameters are checked, and the seal work characteristics are studied to obtain the changing rules of the leak quantity, the dynamical stability and seal generating heat quantity for selecting the suitable cooling flux. The performance analysis offers a reasonable and economical way to life and reliability compliance test.

Turbo pump; Mechanical-seal; Performance characteristics

V433

A

1004-7182(2016)04-0022-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20160406

2015-10-20；

2015-11-09

郭军刚（1976-），男，高级工程师，主要研究方向为超高速旋转机械设计与研究