陸俊杰，丁雪興，張偉政，嚴(yán)如奇，張英杰

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

引 言

螺旋槽干氣密封的應(yīng)用范圍從低速、常壓擴(kuò)大到高速、高壓[1-3]。大壓降引起的熱耗散和摩擦熱產(chǎn)生的溫升是密封環(huán)產(chǎn)生熱應(yīng)力的根源，而熱應(yīng)力和變形使密封端面接觸的可能性增加，可能導(dǎo)致端面磨損，從而影響密封的穩(wěn)定性，因此干氣密封研究向微尺度熱流體力學(xué)發(fā)展[4]。

Beskok等[5]采用二階滑移邊界條件研究了平行平板之間的滑移流動問題。姜培學(xué)等[6]對微槽道流體流動和傳熱與常規(guī)尺度差異的原因分析了速度滑移和溫度跳躍區(qū)。丁雪興等[7]應(yīng)用二階非線性滑移邊界條件對非線性雷諾方程進(jìn)行近似求解。Offermann等[8]應(yīng)用熱彈變形等理論研究了熱彈效應(yīng)對載荷的影響。丁雪興等[9-10]研究熱耗散變形下對氣膜流動的影響，得到螺旋槽內(nèi)溫度場分布。陳志等[11]建立了干氣密封環(huán)和密封間隙的3維模型，在Workbench軟件求解得到其溫度場。Andres等[12]在高溫下，比較了3種不同類型氣體密封的泄漏情況。Faria等[13]研究發(fā)現(xiàn)端面溫度場會受密封槽形的影響。Blasiak等[14]為研究非接觸液膜密封的溫度分布，建立了3維端面熱動力學(xué)模型。Wang等[15]利用仿真手段，對高溫氣冷下的干氣密封進(jìn)行了熱流體分析。許靜等[16]考慮了氣膜的熱黏效應(yīng)對干氣密封性能的影響規(guī)律。

在干氣密封端面密封性能的試驗(yàn)研究方面， Etsion等[17]采用傳感器對非接觸式機(jī)械密封的靜環(huán)進(jìn)行監(jiān)測。Kollinger[18]通過試驗(yàn)解釋了軸向激勵(lì)振動對氣體潤滑機(jī)械密封穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。Kolomoets等[19]用實(shí)驗(yàn)研究方法得到了干氣密封使用的介質(zhì)壓力和旋轉(zhuǎn)速度等工況參數(shù)。Kasem等[20-21]對瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測。Huang等[22-23]在密封環(huán)端面安裝傳感器，利用聲發(fā)射監(jiān)測手段對干氣密封性能參數(shù)進(jìn)行研究。徐萬孚等[24]通過試驗(yàn)運(yùn)行了螺旋槽干氣密封，并提出了密封系統(tǒng)“角相氣膜振蕩”的現(xiàn)象及其抑制的原理。陳銘等[25]采用金屬管浮子流量計(jì)、電渦流位移傳感器等設(shè)備對干氣密封性能參數(shù)進(jìn)行了測量。錢恩等[26]闡述了基于虛擬儀器技術(shù)對氣體端面密封試驗(yàn)臺的測試。俞樹榮等[27]采用測試軟件，并選用相應(yīng)的傳感器等設(shè)備，對影響密封性能的參數(shù)進(jìn)行了測試。丁雪興等[28]采用高精度電渦流微型傳感器,對干氣密封氣膜振動位移等參數(shù)進(jìn)行了測量。魏龍等[29]利用試驗(yàn)研究了磨合過程平均膜厚的變化規(guī)律。

以上針對干氣密封微尺度熱力學(xué)研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是對于干氣密封動靜環(huán)溫度場的研究和測試分析仍相當(dāng)缺乏[30]。動環(huán)螺旋槽吸入氣體并壓縮氣體，根部為壓力最高點(diǎn)，尤其在高工況下，大壓降引起的熱耗散作用使得動靜環(huán)端面溫度上升。理論要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與指導(dǎo)，因此，密封端面溫度試驗(yàn)顯得尤為重要。

本文采用LabVIEW編寫程序建立干氣密封溫度場測試系統(tǒng)，選用符合高工況的傳感器等設(shè)備，采取抑制干擾的措施，對動環(huán)端面溫度進(jìn)行測量。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于高工況參數(shù)、端面溫度波動、動靜環(huán)的間隙在微米級別等問題都對溫度測試造成極大的困難。這是國內(nèi)測試研究的重點(diǎn)也是國內(nèi)外測試研究的難點(diǎn)。本文重點(diǎn)對不同壓力、轉(zhuǎn)速下和啟停階段，動環(huán)端面溫度進(jìn)行測試，測得動環(huán)端面的溫度分布情況，并通過LabVIEW對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析動環(huán)端面溫度分布的原因。為今后考慮熱耗散影響下的槽形優(yōu)化提供了依據(jù)和指導(dǎo)作用。

1 動環(huán)端面溫度的測試技術(shù)

1.1 端面溫度測試原理

圖1 溫度傳感器相對靜環(huán)布置圖 Fig.1 Temperature sensor arrangement in static ring

動環(huán)材料為硬質(zhì)合金，并且在軸上高速旋轉(zhuǎn)。所以動環(huán)端面的溫度分布具有同軸性，即溫度沿動環(huán)徑向位置分布。采用3路溫度傳感器進(jìn)行測試，對應(yīng)動環(huán)螺旋槽的外徑、根徑和內(nèi)徑，可以測得動環(huán)端面3處不同位置的溫度變化。由于靜環(huán)端面寬度較窄，因此將3個(gè)溫度傳感器分開布置，即相隔120°。動靜環(huán)間隙只有3～5 μm，通過安裝與動環(huán)端面對應(yīng)的溫度傳感器，測量動環(huán)3處徑向位置的溫度變化，同時(shí)，溫度傳感器將測量到的信號，通過臺灣研華ADAM-4051溫度采集卡，即可測出溫度值。

1.2 溫度傳感器的選擇及布置

由于動靜環(huán)間隙只有微米級別且高速、高壓對傳感器的影響，都會使一般的傳感器難以對溫度變化做出精確的響應(yīng)，測量難度極大。因此，溫度傳感器選擇規(guī)格型號為PT100 M 222 20NIPt6，德國賀利氏 1/3B級精度芯片，為鉑熱電阻。這種傳感器能承受的溫度范圍為－50～450℃, 穩(wěn)定性：R0漂移小于等于 0.04%（450℃，1000 h后），熱響應(yīng)時(shí)間：0.1 s。傳感器布置：在靜環(huán)端面開3個(gè)相隔120°與靜環(huán)圓心的距離分別為 96.75、102和107.75 mm的孔（圖1），隨后在孔內(nèi)安裝 3 個(gè)圓柱形探頭，使得靜環(huán)端面與探頭端面平齊，再封裝而成。這3個(gè)探頭傳感器對應(yīng)動環(huán)端面外徑、根徑和內(nèi)徑區(qū)域，由于靜環(huán)和動環(huán)的平衡間隙只有3～5 μm，因此通過靜環(huán)上的探頭即能測得動環(huán)端面的溫度。

2 干氣密封測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)簡介

此次進(jìn)行試驗(yàn)的臺子是針對壓縮機(jī)上的密封產(chǎn)品而搭建的，在這臺試驗(yàn)裝置上安裝雙端面螺旋槽干氣密封（可以承受高轉(zhuǎn)速和高介質(zhì)壓力）做測試。使用壓力為0～5.0 MPa，轉(zhuǎn)速可在0～10000 r·min-1范圍內(nèi)自由調(diào)控，其主要組成包括：傳動系統(tǒng)，密封系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)。干氣密封測試系統(tǒng)原理如圖2所示，在試驗(yàn)臺相應(yīng)的部位安裝傳感器采 集相應(yīng)的物理信號，通過信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和輸出端等相應(yīng)的硬件設(shè)備再傳送到計(jì)算機(jī)。

圖2 干氣密封測試系統(tǒng)原理圖 Fig.2 Principle diagram of dry gas seal test system

雙端面螺旋槽干氣密封選用雙列對置式（背靠背）的結(jié)構(gòu)，與普通多彈簧平衡型機(jī)械密封類似，也是由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧共同組成密封副，不同的是干氣密封的密封端面寬，旋轉(zhuǎn)環(huán)密封面經(jīng)過研磨、拋光處理。

2.2 軟件系統(tǒng)

LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。

2.3 抑制干擾的措施

本次所搭建的干氣密封測試試驗(yàn)臺地點(diǎn)為生產(chǎn)車間?，F(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備較多，設(shè)備之間距離較近，這種干擾的電磁能量傳導(dǎo)至干氣密封的敏感儀器，從而產(chǎn)生干擾效應(yīng)。針對上述情況，干氣密封測試系統(tǒng)抑制干擾主要有以下幾項(xiàng)措施。

（1）采用接地技術(shù)，在一定程度上抑制干擾源的干擾。

（2）盡量縮短傳導(dǎo)線的長度并采用了高密屏蔽銅網(wǎng)；其次將密封樣機(jī)試驗(yàn)臺、測試儀器和電腦等設(shè)備排布緊密，改善傳輸通道的抗干擾能力。

（3）定制了高輸入阻抗的采集卡（輸入阻抗10 M提高到1 G），保證干擾電流對流入信號沒有影響。

（4）采集卡選用了雙端輸入的方式（正負(fù)兩個(gè)通道實(shí)現(xiàn)一路信號的輸入），可以有效降低共模干擾信號，改善測試設(shè)備的抗干擾能力。

（5）動環(huán)端面溫度采用了濾波技術(shù)進(jìn)行處理。

3 不同壓力和轉(zhuǎn)速下動環(huán)溫度的測試與分析

由于試驗(yàn)針對壓縮機(jī)用雙端面螺旋槽干氣密封，測試的工況參數(shù)均為高速高壓，壓力p從2、2.5、3、3.5到4 MPa；轉(zhuǎn)速n從6000、7000、8000、9000到10000 r·min-1進(jìn)行測試。由于傳感器的理論承壓能力為5 MPa，理論承受溫度能力為120℃。考慮到端面?zhèn)鞲衅鞯某袎耗芰?，此次試?yàn)最高壓力為4 MPa，最高轉(zhuǎn)速為10000 r·min-1。

3.1 轉(zhuǎn)速一定，不同壓力下動環(huán)溫度分布

選取轉(zhuǎn)速n=10000 r·min-1時(shí)，壓力p=2～4 MPa時(shí)動環(huán)端面溫度分布情況，如圖3所示。將原始數(shù)據(jù)圖處理后，放入同一張坐標(biāo)軸圖下，如圖4所示，利于對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察、比較和分析。

圖3 n=10000 r·min-1時(shí)p=2～4 MPa端面溫度數(shù)據(jù) Fig.3 Face temperature data in p=2—4 MPa when n=10000 r·min-1

由圖4可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速n=10000 r·min-1時(shí)，端面溫度隨著壓力的增加而上升，而且升溫速率逐漸加快。在n=10000 r·min-1，p=4 MPa下，根徑處的溫度達(dá)到最高值，為90.90℃，并且溫度有繼續(xù)上升的趨勢。端面外徑、根徑和內(nèi)徑溫度同時(shí)升高，變化趨勢具有一致性，說明熱源通過熱傳導(dǎo)和對流換熱的方式傳遞到動環(huán)端面。在端面上溫度的分布為根徑溫度大于內(nèi)徑溫度大于外徑溫度。由于n=10000 r·min-1，p=2～4 MPa的變工況下，干 氣密封系統(tǒng)動靜環(huán)處于非接觸狀態(tài)，動環(huán)螺旋槽吸入氣體并且在槽內(nèi)不斷壓縮氣體，在槽根部氣體壓力達(dá)到最大，而內(nèi)徑又為壓力出口處，因此根徑區(qū)域?yàn)閴毫ψ兓霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，大壓降引起熱耗散所產(chǎn)生的溫升為主要因素，導(dǎo)致根徑處的溫度處于最高點(diǎn)。由于動環(huán)外徑的線速度大于內(nèi)徑，因此外徑的對流換熱速率更快，將更多熱量傳遞給了周圍介質(zhì)，所以外徑溫度為最低。另外，圖5中端面溫升速率隨著壓力升高而加快，也說明了大壓降的程度越高，引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升速率也越快。

圖4 n=10000 r·min-1時(shí)p=2～4 MPa端面溫度分布圖 Fig.4 Face temperature distribution in p=2—4 MPa when n=10000 r·min-1

3.2 壓力一定，不同轉(zhuǎn)速下動環(huán)溫度分布

選取壓力p=3 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速n=6000～10000 r·min-1的動環(huán)端面溫度分布情況，如圖5所示。將原始數(shù)據(jù)圖處理后，放入同一張坐標(biāo)軸下，如圖6所示，利于對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察、比較和分析。

由圖6可知：當(dāng)壓力p=3 MPa時(shí)，端面溫度隨著轉(zhuǎn)速的提高而上升，基本呈線性關(guān)系，端面外徑、根徑和內(nèi)徑溫度也同時(shí)升高，變化趨勢具有一致性。在端面上溫度的分布同樣為根徑溫度大于內(nèi)徑溫度大于外徑溫度。由于p=3 MPa時(shí)，n=6000～10000 r·min-1的變工況下，干氣密封系統(tǒng)動靜環(huán)處于非接觸狀態(tài)，動環(huán)螺旋槽不斷壓縮槽內(nèi)氣體，在槽根部氣體壓力達(dá)到最大，因此根徑區(qū)域同樣為壓力變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此大壓降引起熱耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因，導(dǎo)致根徑處的溫度處于最高點(diǎn)；同時(shí)外徑溫度為最低，說明動環(huán)端面外徑的線速度最大，因此外徑的對流換熱速率最快，把端面更多熱量傳遞給了周圍介質(zhì)。

圖5 p=3 MPa時(shí)，n=6000～10000 r·min-1端面溫度數(shù)據(jù) Fig.5 Face temperature data in n=6000—10000 r·min-1when p=3 MPa

對圖4和圖6比較分析可知：在不同壓力和不同轉(zhuǎn)速的條件下，端面溫度分布中，根徑溫度始終最高，并且隨著壓力和轉(zhuǎn)速的升高而上升，這說明動靜環(huán)非接觸狀態(tài)下，槽根部壓力達(dá)到了最高（即動壓效應(yīng)），因此大壓降引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因，最終導(dǎo)致根徑溫度最高。這與先前考慮熱耗散變形下微尺度氣膜流動特性研究和溫度場計(jì)算[10-11]，得到的理論結(jié)果吻合，通過測試技術(shù)和分析，驗(yàn)證了本文理論的正確性，以及根徑區(qū)域?yàn)闇囟茸罡唿c(diǎn)。

圖6 p=3 MPa時(shí)，n=6000～10000 r·min-1端面 溫度分布圖 Fig.6 Face temperature distribution in n=6000—10000 r·min-1when p=3 MPa

4 密封端面啟停階段溫度場測試與分析

4.1 啟動階段端面溫度分布及分析

由圖7可知：密封系統(tǒng)在啟動階段動環(huán)端面的溫度分布與在變工況條件下的端面溫度分布不一樣。啟動階段：外徑溫度為最高，根徑溫度大于內(nèi)徑溫度。這是由于在干氣密封啟動階段，動環(huán)和靜環(huán)處于貼合狀態(tài)，因此在接觸狀態(tài)下，動環(huán)螺旋槽根部的壓力與內(nèi)外徑壓力一致，沒有壓降，因此以固體壁面間摩擦所產(chǎn)生的溫升為主要原因。根據(jù)徑向位置的不同，外徑線速度最快，導(dǎo)致切向剪切力為最大，所以產(chǎn)生的溫度也必然為最高。

圖7 啟動階段端面溫度場分布圖 Fig.7 Face temperature distribution when starting phase

4.2 停止階段端面溫度分布及分析

在測試過程中，測試完n=10000 r·min-1和p=4 MPa的端面溫度后，將轉(zhuǎn)速和壓力開始下調(diào)，使干氣密封處于停止階段并繼續(xù)測試，如圖8所示。

圖8 停止階段端面溫度場分布圖 Fig.8 Face temperature distribution when stopping phase

由圖8可知：在停止階段，端面溫度分布有兩 種。在停止階段，動靜環(huán)將從分離狀態(tài)逐漸貼合，因此溫度分布有變化。溫度分布可以分為兩個(gè)階段：

第1階段，根徑溫度大于內(nèi)徑溫度大于外徑溫度。從n=10000 r·min-1和p=4 MPa工況開始降速降壓，由于動環(huán)螺旋槽對氣體繼續(xù)壓縮并且在槽根部的壓力仍為最大，保持了動壓效應(yīng)，動靜環(huán)端面處于分離狀態(tài)。壓力最高點(diǎn)和溫度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在根徑位置，這說明在非接觸狀態(tài)，根部的大壓降引起的熱耗散所產(chǎn)生的溫升為主要因素。

第2階段，外徑溫度大于根徑溫度大于內(nèi)徑溫度。隨著降壓和降速的持續(xù)，動壓效應(yīng)消失，動靜環(huán)開始貼合。從非接觸狀態(tài)過渡到了接觸狀態(tài)，根部壓降不存在后，以固體壁面間摩擦為主要原因，因此外徑溫度最高。

對圖7和圖8比較分析可知：當(dāng)動靜環(huán)貼合時(shí)，動環(huán)螺旋槽根部沒有了壓降，因此在接觸狀態(tài)下以固體壁面間摩擦為主要原因，同時(shí)，啟停階段的溫度分布和原因也佐證了動靜環(huán)處于非接觸狀態(tài)下，螺旋槽根部的壓力達(dá)到最大值，以大壓降熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因，導(dǎo)致根徑溫度最高。

5 結(jié) 論

（1）針對壓縮機(jī)用雙端面螺旋槽干氣密封，采用相應(yīng)的軟件、硬件和測試技術(shù)，對高工況下的動環(huán)端面溫度進(jìn)行了測試分析。

（2）高速高壓下，動環(huán)端面溫度分布為根徑大于內(nèi)徑大于外徑，壓力最高點(diǎn)和溫度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在槽根部，說明在非接觸狀態(tài)下，大壓降引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因。

（3）啟停階段端面溫度分布有所不同，說明在接觸狀態(tài)下，以固體壁面間的摩擦產(chǎn)熱為主要原因，同時(shí)也佐證了動靜環(huán)在非接觸狀態(tài)下，以大壓降引起的熱能耗散所產(chǎn)生的溫升為主要原因。

（4）動環(huán)端面的溫度分布情況和原因驗(yàn)證了先前考慮熱耗散對氣膜流動特性的研究與分析，證明了槽根部為溫度最高點(diǎn)。也為今后考慮熱耗散影響下的槽形優(yōu)化提供了依據(jù)。

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