涡轮泵用球面装配机械密封热变形及磨损特性实验研究

李勇凡 宋勇 郝木明 庄宿国 周芮 李天照 王陈寅 任宝杰 李小卒

摘要：以少量常压煤油介质条件下涡轮泵用球面装配机械密封为对象，通过实验测试分析端面磨损形成机理。设计实验工装，实现金属环截面9点温度矩阵和石墨环座3位置轴向位移的测试，得到两种弹簧力条件下温升和位移演变数据，并对磨损端面进行光学显微观测和径向轮廓测量。结果表明：磨损深度以內径处最大，至靠近外径处一定宽度内无磨损；随转速的升高密封环轴向及径向温度梯度不断增大；两工况下密封环倾转热变形造成的端面间隙锥度约为2.5 mrad和7.5 mrad。对于该型式密封，有必要通过端面开设流体动压槽以形成主动泵入润滑等方法来改善流体静压润滑效应缺失造成的严重磨损。

关键词：机械端面密封；电涡流位移传感器；温度梯度；磨损机理

中图分类号：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

基金项目：

国家自然科学基金（51975585）

0 引言

涡轮泵是液体火箭发动机的核心动力机构之一，机械端面密封作为其中的关键基础零部件，其可靠性至关重要［1-3］。涡轮泵机械密封面临启动迅速、高速运行、转轴振动等特殊动力学条件，根据在轴系中所处环节的不同，还可能包括润滑不充分、冷却条件差或者低温、低黏、高压等十分苛刻的介质环境［4］。人们对涡轮泵机械密封已开展了十分广泛的研究。

对于接触式密封，贾谦等［5］测试了高转速下液氮介质机械密封的端面摩擦力和温度演变过程，发现石墨环端面出现层片状脱落及磨损。赵伟刚等［6］针对低温推进剂端面密封，通过对比运转前后密封环端面样貌，并结合仿真分析，探究了端面接触应力和温度变化对密封磨损的影响。倪成良［4］以火箭发动机涡轮泵端面密封问题为背景，开展了软质密封材料与9Cr18钢配副的摩擦学特性研究，分析了多个因素与磨损的关联度。WANG等［7］研究了深冷环境下无定形碳涂层9Cr18密封环的摩擦磨损性能。针对石墨密封材料高温条件下的摩擦行为和磨损特性，闫玉涛等［8］开展了材质的销-盘实验和扫描电镜观测。

对于动压型密封，王建磊等［9］进行了液氮介质流体动压型端面密封的快变升速及稳定高转速工况的实验测试，分析了端面温度、泄漏量、摩擦力、摩擦因数等参数的演变。ZHANG等［10-11］对不同介质压力下高速深冷流体动压型机械密封进行了实验研究，结果表明该种密封端面摩擦的稳定性。张琛［12］、赵伟刚等［13］优化设计了动静压结合型密封结构以改善涡轮泵机械密封的磨损问题，分析了流体膜刚度和泄漏量受结构参数的影响规律。

在其他方面，王建磊等［14］探究了N2O4环境下涡轮泵密封浸渍石墨环的磨损机理，指出石墨空隙内气蚀的影响；针对同样的介质条件，张峰等［15］指出密封环材质导热性对密封性能有关键影响。张树强等［16］通过二维稳态传热模型的仿真分析给出了端面变形和温度特性受介质回流量、材质热导率等参数的影响规律。赵伟刚等［17］针对火箭发动机涡轮泵机械密封结构设计与制造工艺相互分离的问题，提出了一种一体化设计流程，经验证可提高密封制造水平和运行可靠性。魏芳胜等［18］对镶装式静环受热压工艺影响的石墨环不均匀脱出等问题进行了探究和分析。

根据上述调研，对涡轮泵机械密封的研究多针对其深冷介质工况，开展以密封端面摩擦磨损特性为主的实验测试或仿真分析工作；还提出了以改善润滑效果、降低磨损为目的流体动压型或动静压结合型的密封型式；此外，制造工艺等方面对密封性能的影响也均有所涉及，例如热镶装式密封件。球面装配机械密封由于具有自对中、无热装应力、便于重复使用等优势，同样是火箭发动机涡轮泵中常见的密封型式，其软材质环与环座为分体结构，二者间采用球面配合方式。但是，该型式密封在涡轮泵中可用于少量常温常压煤油介质环境，因而其冷却及润滑效果较差，容易发生严重磨损。由于未见公开报道的针对球面装配机械密封的研究工作，本文针对该型式密封开展实验研究，测试并分析密封环温升以及热变形诱发位移的演变过程，以期揭示其磨损机理。

1 被测密封及实验工装

被测试的球面装配机械密封以及设计的实验工装如图1所示。静环为9Cr18不锈钢材质（金属环），动环为M248石墨材质（石墨环），石墨环与环座之间为球面配合的分体结构，其弹性元件采用波形弹簧。石墨环端面内外半径分别为33.5 mm、37.5 mm。采用小孔喷油的方式向密封端面供给介质，由密封腔上端喷入、下端流出，运转时弹簧座上的反输泵送环可从一定程度上抑制介质从密封腔與旋转件之间的间隙排走，被密封侧与大气连通、处于常压环境。

为测量金属环温度，在金属环背面布设加工了深度不同、径向位置不同的测温孔。在金属环背部右侧错位布置了1～9号测温点（图2a），相当于在截断面上形成了9点测温矩阵（图2b），且错位布置的方式既可明显降低集中布孔对环内热传导的影响，又保证了安装空间。此外，在环背部正下方和正上方各开设1个测温点，用以评估周向温度差别。密封环实物如图2c、图2d所示。

采用电涡流位移传感器测量石墨环座的轴向位移。在半径22.5 mm处周向布置3个位移传感器（图3），均正对石墨环座的测位移端面。根据测点1～3的轴向位移，可得石墨环座整体的3自由度运动情况，即轴向位移、绕x轴角向位移和绕y轴角向位移。若认为石墨环端面保持紧贴金属环端面，则石墨环座横向偏转的过程即为与石墨环沿球面配合处相对运动的过程，此处认为其横向偏转以过球心的转轴垂线为轴。然而，环座被测面中心与球心的距离为29 mm，结合实测值，环座与石墨环的角向相对运动不大于0.01 rad，则造成的被测面中心的轴向偏离不大于1.45 μm。因此，可近似认为石墨环座轴向位移和角向位移是解耦的。中心点O的轴向位移ΔzO可代表石墨环座整体的轴向运动，而ΔzO可由测点1～3的坐标（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）根据空间平面方程求得。

机械密封实验台、测试工装、介质供给系统及传感器装配如图4所示。

2 测试工况条件

根据火箭发动机涡轮泵高转速、迅速启动的运转特征，设定最大转速为10 000 r/min，0～10 000 r/min升速时长为3 s，10 000～0 r/min停机时长为18 s，设置转速模式如下：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） （循环运行5组）。

为模拟少量煤油介质环境，采用小孔喷油的供油方式，小孔直径为0.5 mm，管路油压设定为0.1 MPa（G），经测量约30 ℃下喷油量约为150 mL/min，喷油形态如图5所示。

分别采用单波形弹簧和双波形弹簧开展测试。利用弹簧测力计测试动环组件高度-弹簧力关系曲线，在其工作高度44.1 mm位置处，弹簧力分别为127 N和207 N，对应的端面弹簧比压分别为0.1423 MPa和0.2320 MPa。两种工况分别简称为工况A和工况B。

3 端面磨损特性

对运转后的密封环端面进行显微观测和径向轮廓测量，以评估端面的磨损情况。

图6所示为密封环端面。工况A中，金属环从内径至外径划痕程度逐渐减轻，有明显变色，至靠近外径处无明显痕迹；石墨环端面靠近内径处有明显磨损，向外径方向逐渐变浅，至靠近外径处无明显痕迹。工况B中，整个金属环端面出现非均匀分布的变黄、变蓝、变黑等现象；石墨环端面出现较为严重的磨损，且有一定的层次。

图7所示为端面径向轮廓。金属环端面的磨损深度较小，约小于0.5 μm，工况B出现约1.5 μm的高点，结合显微照片可知为镶碳。石墨环端面径向轮廓呈内径处至端面中部磨损深度逐渐减小、中部至外径处无磨损的特征，工况A最大磨损深度达5～7 μm，磨损扩展至自内径约2 mm处，工况B最大磨损深度达8～10 μm，磨损扩展至自内径约2.7 mm处。

上述现象表明端面磨损沿径向呈明显的非均匀分布，从内径处开始发展，至外径处几乎消失，工况B条件下金属环变色程度及石墨环磨损程度均明显加重。通过温度及位移数据对该种磨损情况形成的机理进行分析。

4 温度特征

图8所示为金属环上、右、下3处温升变化，分别对应测温点11、5、10，为首次启停数据。由图可知，3处温升的趋势一致、数值较为接近，可间接表明所用测试方法的准确性，且密封环周向温度分布较为均匀。

图9所示为金属环径向温升分布变化，为首次启动及定转速阶段数据。由测温点6、5、4，测点3、2、1，测点9、8、7得到3组实测数据，进而分别得到距离金属环端面1 mm、5 mm、9 mm位置处的径向温度分布拟合数据（径向范围为34～ 37 mm），分别命名为位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。由图可知，启动初始阶段3处位置的温升停滞时间依次增大，反映了自升速开始热量由端面向后端传导的过程；3处位置之间的温差逐渐变大，并在定转速运行阶段趋于稳定，该特征可反映密封环内部轴向温度梯度的变化。13 s时位置Ⅰ温升呈内径高外径低分布，两种工况下内外径温度分别约为60 ℃和49 ℃、94 ℃和60 ℃。

上述数据表明，在密封环温度升高的同时，环内部的轴向及径向温度梯度均不断增大，工况B的温度梯度明显大于工况A，与工况B条件下磨损深度和宽度均更大相对应。结合磨损情况，说明在该种密封型式和介质条件下会产生十分显著的密封环倾转热变形，进而造成端面间隙的锥度过大，内径处接触压力过大，磨损由内径处开始迅5 位移特征

图10所示为工况B条件下石墨环座轴向位移，为首次启停数据。由图10a可知，3处位移测点的原始数据在一定范围内近似正弦波动，在升速初始阶段，波动幅值可达约150 μm，随转速升高至最大值，波动幅值减小至约30 μm，在降速过程中，波动幅值又逐渐增大至约150 μm。在上述原始数据的基础上，根据空间平面方程可以求解得到石墨环座中心位置的轴向位移ΔzO（图10b），ΔzO的变化过程与升速、定转速、降速3个阶段对应良好。与此同时，ΔzO存在约15 μm的不规则波动，认为是电涡流精度、干扰信号、被测表面不平度等因素的综合结果。

比较A、B两种工况下首次启动及定转速阶段的ΔzO（图11）。由图可知，在3～13 s的定转速阶段，工况A、B的ΔzO分别稳定在约10 μm和30 μm位置处。结合磨损及温度梯度变化情况，可进一步判定溫度非均匀分布导致石墨环及金属环发生倾转热变形，由外径至内径形成收敛型锥度，而靠近内径处接触压力的进一步增大又导致温度梯度进一步加剧，热变形也随之加剧，直至达到一定的热平衡状态。因此，可近似认为石墨环座的轴向位移主要由密封环倾转热变形的“推动”所致，结合端面宽度，近似得到端面间隙锥度分别约为2.5 mrad和7.5 mrad，可进一步说明端面内径处发生严重磨损的诱因。

与此同时，根据3个位移测点的原始数据可得石墨环座绕x、y轴的角向偏转量。以工况B为例，由图12a可知，在升速阶段，角偏差逐渐减小，定转速阶段角偏差处于一定值，降速阶段角偏差恢复增大至接近初始值；图12a左上子图为初始0.4 s的数据，可见随转速的增大其波动周期逐渐减小，x、y向角偏差的相位差约为1/4周期；图12a左下子图为定转速某处0.02 s的数据，可见其波动周期约为6 ms，与1×104 r/min一致。

图12b和图12c所示为石墨环座总体角偏差和角偏差相位角的变化，均由x向和y向角偏差计算得到。总体角偏差和转速具有高度相关性，静止状态下石墨环座因装配精度、弹簧和辅助密封圈角向倾转力矩等因素而数值较大；随转速的增大，该角偏差在离心力作用下减小至一较小值；由于弹簧、辅助密封圈等部件的角向力矩可能一直存在，因此随着停机过程，角偏差又还原至一较大值。角偏差相位角呈0—π2—0— -π2—0…周期性变化。

比较A、B两种工况下首次启动及定转速阶段的总体角偏差，如图13所示。由图可知，工况A条件下，角偏差在升速初期从初始位置短时小幅增大，然后随着转速的增大迅速下降至约1 mrad，在达到最大转速的临界时刻阶跃上升至约3.5 mrad并近似保持稳定；工况B条件下角偏差的演变过程类似，但是在临界时刻的阶跃十分微小，且在定转速阶段的角偏差稳定值仅约为1 mrad。这表明在较大弹簧力作用下，石墨环座角向运动的阻尼更大，使得石墨环座从初始角向位置更为平稳地过渡至一较小值。

石墨环座角向运动情况虽然无法直接反映密封环的变形和位移特征，但是可以说明本文所采用的测试方法和位移数据处理方法的准确性。

此外，需要说明的是，对于该密封而言，由于介质条件为常压，且被测件无瑕疵、端面贴合良好，因此，除非发生密封环碎裂等严重故障，

否则不会发生泄漏。在实际测试过程中，的确未从端面内径处观察到泄漏甚至润湿的情况，因此，泄漏量的测试结果为零，如图14所示。这也同时表明端面处润滑效果差，与前述密封环温升、端面倾转热变形及磨损特性相对应。

6 结论

本文开展了常压环境、小孔喷油润滑条件下，涡轮泵用球面装配机械密封端面磨损、密封环温升、石墨环座位移等特征量的实验测试工作，根据测试结果对磨损形成机理进行分析。

随着转速的升高，密封环的轴向及角向温度梯度不断增大，会诱发密封环出现倾转热变形，形成收敛型端面间隙，进而造成内径处接触压力和摩擦生热量增大。当密封达到端面处摩擦生热-环内部温度梯度-与介质间对流传热-密封环倾转热变形等多因素耦合的平衡状态时，将在靠近端面内径处形成持续磨损，而靠近端面外径处甚至处于非接触状态。

文中两种工况下的端面间隙锥度约为2.5 mrad和7.5 mrad，明显大于通常条件下接触式机械密封端面间隙锥度的数量级，表明了接触式机械密封对流体静压润滑的依赖性。对于本文实验对象，可从密封环结构优化设计以限制倾转热变形，以及端面槽型设计以形成主动泵入润滑两方面进行改进。

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（编辑 王旻玥）

作者简介：李勇凡，男，1991年生，博士。研究方向为机械端面密封、液膜密封。E-mail： liyongfan15@163.com。

郝木明（通信作者），男，1964年生，教授、博士研究生导师。研究方向为流体动密封。E-mail： haomm@upc.edu.cn。