高压液体润滑典型深槽机械密封性能的试验研究

王永乐，李 鲲，吴兆山，李 香，杨博峰

1 前言

端面开有深槽的流体动压式机械密封是核电站主冷泵以及电厂锅炉给水泵等流体设备常用的轴端密封[1～5]，此类机械密封常用于高参数工况(高压、高温等)，主要是通过密封端面上的毫米级深槽来改善端面间的润滑状况，提高端面液膜流体动压效应。其密封机理较为复杂，一般认为在介质压力和端面摩擦热的作用下，在密封面形成周向的波度和径向的锥度，周向波度产生流体动压作用力，径向锥度产生附加的流体静压作用力，这种机理被称为热流体动力楔效应[6,7]。在实际工程应用中，并不是每种槽型对所有工况条件都是最佳的，不同的型槽以及参数对于不同的工况都有各自的特点。为此本文针对不同槽型以及参数对密封性能的影响展开试验对比研究。

2 机械密封试验装置

在对槽型数值优化的基础上，设计加工出3种不同槽型及参数的深槽机械密封，利用高压清水密封试验装置进行对比研究。试验装置主要由3部分组成，如图1所示，第一部分为试验台架，主要由变频电机、联轴器、扭矩转速仪，轴承箱、主轴、密封腔体以及底座等组成。第二部分为试验测控系统：以PLC为核心，通过压力、温度、转速扭矩传感器采集试验数据，在触摸屏上实时显示；通过变频器实现电机无级调速；控制循环泵启停。试验装置第三部分为试验循环保护系统，具有调压、调温功能，由循环泵、进出口阀、换热器、增压装置等设备组成。

图1 试验台结构示意

为了抵消轴向力,本密封装置腔体内采用两套密封对称布置的形式，一套作为配做密封使用，另一套则可以更换动环进行对比研究。密封动环为硬质合金、静环为碳化硅材料；流体动压槽开在动环端面上。密封结构如图2所示。

图2 试验密封结构示意

本文试验主要测试的参数有密封总摩擦扭矩、功率以及泄漏量，摩擦系数f与功率的关系为[8，9]：

式中 NA——摩擦副功耗，W

pc——端面比压，MPa

A——端面面积，mm2，A=π（r20-r2i）

v——平均线速度，m/s

分别在3只完全相同的动环端面上开设相同数量的直线槽1、直线槽2和圆弧槽进行性能对比试验，3种深槽的几何参数如图3所示。其中，三者的平衡半径rb、槽深h、槽宽w、端面宽度b均相等，槽心距（圆心到槽内侧最小距离）为d1+0.5=d2=d3。

图3 3种深槽端面几何参数示意

3 直线槽试验数据分析

图4所示为不同介质压力下密封摩擦功耗、摩擦系数、泄漏量随转速的变化。图5所示为摩擦系数随压力的变化。

图4 不同介质压力下密封摩擦功耗、摩擦系数、泄漏量随转速的变化

图5 密封端面摩擦系数随压力的变化

图6 3种深槽密封在不同介质压力下功率随转速的变化

从图4可以发现，随着转速的增加，不同介质压力下的密封摩擦功率，摩擦系数都逐渐增大；在高压转速较低的工况下，摩擦系数最低达到0.03左右，摩擦性能较好；泄漏量在转速小于2000 r/min时数值很小，且随转速的变化不大，表明此时转速对泄漏量的影响很小，但当转速大于2000 r/min时，泄漏量明显增大。

从图5可见，随着压力的增大，端面摩擦系数呈现先不稳定下降，后逐渐趋于平稳的趋势，表明此类密封在低速高压工况下运行较稳定。

4 对比试验分析

为了便于进行对比研究，将3种深槽在同种工况下进行对比研究。图6所示为介质压力分别为4 MPa和6 MPa工况下3种深槽的密封功率的对比。

从图可见，3种深槽的端面摩擦功耗相近，从小到大依次为圆弧槽、直线槽2和直线槽1。

图7 不同介质压力下3种深槽密封的泄漏量的对比

图7 为不同压力工况下3种深槽的泄漏量的变化。图7（a）中，随着转速的增大，泄漏量总体呈上升趋势；图7（b）中当压力达到6 MPa时三者区别比较明显，圆弧槽的泄漏量明显大于其他2种直线槽，最大泄漏量比直线槽2的对应泄漏量大近80%左右。直线槽1的开槽面积比线槽2大18.7%，其对应的泄漏量也相对增大，圆弧槽与直线槽2的槽心距虽然相等，但泄漏量差别较大。说明槽型相同时，槽区面积越大（槽心距越小）对应的泄漏量也越大。

摩擦系数是判断摩擦状态的重要参数之一，图8所示为不同压力工况下3种深槽密封的摩擦系数随转速的变化规律。从图8可以发现，3种深槽密封的摩擦系数变化趋势相近，随着转速的提高都逐渐增大。随着压力的提高，摩擦系数减小，其变化幅度也逐渐平缓。从总体来看，圆弧槽密封摩擦系数最小、其次是直线槽2和直线槽1。

图8 不同介质压力下3种深槽密封的摩擦系数的对比

5 结论

（1）3种深槽端面的摩擦功率相近，从小到大依次为圆弧槽、直线槽2和直线槽1；圆弧槽的摩擦功率要小于相同端面比压和槽心距的直线槽，直线槽2的摩擦密封功率小于直线槽1；对于同种槽型，槽区面积越大（槽心距越小）对应泄漏量也越大。

（2）3种深槽测试得到的摩擦系数范围均在0.03～0.07之间，因此可以判断试验密封端面液膜应处于混合膜润滑和全液膜润滑状态下[5]。圆弧槽摩擦系数最小、其次是直线槽2和直线槽1。

（3）随着密封压力的提高，3种深槽密封的泄漏量区别越来越明显，6MPa时圆弧槽的泄漏量明显大于其他2种直线槽。

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