李勇凡 宋勇 郝木明 莊宿國 周芮 李天照 王陳寅 任寶杰 李小卒

摘要：以少量常壓煤油介質(zhì)條件下渦輪泵用球面裝配機械密封為對象，通過實驗測試分析端面磨損形成機理。設(shè)計實驗工裝，實現(xiàn)金屬環(huán)截面9點溫度矩陣和石墨環(huán)座3位置軸向位移的測試，得到兩種彈簧力條件下溫升和位移演變數(shù)據(jù)，并對磨損端面進行光學(xué)顯微觀測和徑向輪廓測量。結(jié)果表明：磨損深度以內(nèi)徑處最大，至靠近外徑處一定寬度內(nèi)無磨損；隨轉(zhuǎn)速的升高密封環(huán)軸向及徑向溫度梯度不斷增大；兩工況下密封環(huán)傾轉(zhuǎn)熱變形造成的端面間隙錐度約為2.5 mrad和7.5 mrad。對于該型式密封，有必要通過端面開設(shè)流體動壓槽以形成主動泵入潤滑等方法來改善流體靜壓潤滑效應(yīng)缺失造成的嚴重磨損。

關(guān)鍵詞：機械端面密封；電渦流位移傳感器；溫度梯度；磨損機理

中圖分類號：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

基金項目：

國家自然科學(xué)基金（51975585）

0 引言

渦輪泵是液體火箭發(fā)動機的核心動力機構(gòu)之一，機械端面密封作為其中的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件，其可靠性至關(guān)重要［1-3］。渦輪泵機械密封面臨啟動迅速、高速運行、轉(zhuǎn)軸振動等特殊動力學(xué)條件，根據(jù)在軸系中所處環(huán)節(jié)的不同，還可能包括潤滑不充分、冷卻條件差或者低溫、低黏、高壓等十分苛刻的介質(zhì)環(huán)境［4］。人們對渦輪泵機械密封已開展了十分廣泛的研究。

對于接觸式密封，賈謙等［5］測試了高轉(zhuǎn)速下液氮介質(zhì)機械密封的端面摩擦力和溫度演變過程，發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)端面出現(xiàn)層片狀脫落及磨損。趙偉剛等［6］針對低溫推進劑端面密封，通過對比運轉(zhuǎn)前后密封環(huán)端面樣貌，并結(jié)合仿真分析，探究了端面接觸應(yīng)力和溫度變化對密封磨損的影響。倪成良［4］以火箭發(fā)動機渦輪泵端面密封問題為背景，開展了軟質(zhì)密封材料與9Cr18鋼配副的摩擦學(xué)特性研究，分析了多個因素與磨損的關(guān)聯(lián)度。WANG等［7］研究了深冷環(huán)境下無定形碳涂層9Cr18密封環(huán)的摩擦磨損性能。針對石墨密封材料高溫條件下的摩擦行為和磨損特性，閆玉濤等［8］開展了材質(zhì)的銷-盤實驗和掃描電鏡觀測。

對于動壓型密封，王建磊等［9］進行了液氮介質(zhì)流體動壓型端面密封的快變升速及穩(wěn)定高轉(zhuǎn)速工況的實驗測試，分析了端面溫度、泄漏量、摩擦力、摩擦因數(shù)等參數(shù)的演變。ZHANG等［10-11］對不同介質(zhì)壓力下高速深冷流體動壓型機械密封進行了實驗研究，結(jié)果表明該種密封端面摩擦的穩(wěn)定性。張?。?2］、趙偉剛等［13］優(yōu)化設(shè)計了動靜壓結(jié)合型密封結(jié)構(gòu)以改善渦輪泵機械密封的磨損問題，分析了流體膜剛度和泄漏量受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律。

在其他方面，王建磊等［14］探究了N2O4環(huán)境下渦輪泵密封浸漬石墨環(huán)的磨損機理，指出石墨空隙內(nèi)氣蝕的影響；針對同樣的介質(zhì)條件，張峰等［15］指出密封環(huán)材質(zhì)導(dǎo)熱性對密封性能有關(guān)鍵影響。張樹強等［16］通過二維穩(wěn)態(tài)傳熱模型的仿真分析給出了端面變形和溫度特性受介質(zhì)回流量、材質(zhì)熱導(dǎo)率等參數(shù)的影響規(guī)律。趙偉剛等［17］針對火箭發(fā)動機渦輪泵機械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝相互分離的問題，提出了一種一體化設(shè)計流程，經(jīng)驗證可提高密封制造水平和運行可靠性。魏芳勝等［18］對鑲裝式靜環(huán)受熱壓工藝影響的石墨環(huán)不均勻脫出等問題進行了探究和分析。

根據(jù)上述調(diào)研，對渦輪泵機械密封的研究多針對其深冷介質(zhì)工況，開展以密封端面摩擦磨損特性為主的實驗測試或仿真分析工作；還提出了以改善潤滑效果、降低磨損為目的流體動壓型或動靜壓結(jié)合型的密封型式；此外，制造工藝等方面對密封性能的影響也均有所涉及，例如熱鑲裝式密封件。球面裝配機械密封由于具有自對中、無熱裝應(yīng)力、便于重復(fù)使用等優(yōu)勢，同樣是火箭發(fā)動機渦輪泵中常見的密封型式，其軟材質(zhì)環(huán)與環(huán)座為分體結(jié)構(gòu)，二者間采用球面配合方式。但是，該型式密封在渦輪泵中可用于少量常溫常壓煤油介質(zhì)環(huán)境，因而其冷卻及潤滑效果較差，容易發(fā)生嚴重磨損。由于未見公開報道的針對球面裝配機械密封的研究工作，本文針對該型式密封開展實驗研究，測試并分析密封環(huán)溫升以及熱變形誘發(fā)位移的演變過程，以期揭示其磨損機理。

1 被測密封及實驗工裝

被測試的球面裝配機械密封以及設(shè)計的實驗工裝如圖1所示。靜環(huán)為9Cr18不銹鋼材質(zhì)（金屬環(huán)），動環(huán)為M248石墨材質(zhì)（石墨環(huán)），石墨環(huán)與環(huán)座之間為球面配合的分體結(jié)構(gòu)，其彈性元件采用波形彈簧。石墨環(huán)端面內(nèi)外半徑分別為33.5 mm、37.5 mm。采用小孔噴油的方式向密封端面供給介質(zhì)，由密封腔上端噴入、下端流出，運轉(zhuǎn)時彈簧座上的反輸泵送環(huán)可從一定程度上抑制介質(zhì)從密封腔與旋轉(zhuǎn)件之間的間隙排走，被密封側(cè)與大氣連通、處于常壓環(huán)境。

為測量金屬環(huán)溫度，在金屬環(huán)背面布設(shè)加工了深度不同、徑向位置不同的測溫孔。在金屬環(huán)背部右側(cè)錯位布置了1～9號測溫點（圖2a），相當于在截斷面上形成了9點測溫矩陣（圖2b），且錯位布置的方式既可明顯降低集中布孔對環(huán)內(nèi)熱傳導(dǎo)的影響，又保證了安裝空間。此外，在環(huán)背部正下方和正上方各開設(shè)1個測溫點，用以評估周向溫度差別。密封環(huán)實物如圖2c、圖2d所示。

采用電渦流位移傳感器測量石墨環(huán)座的軸向位移。在半徑22.5 mm處周向布置3個位移傳感器（圖3），均正對石墨環(huán)座的測位移端面。根據(jù)測點1～3的軸向位移，可得石墨環(huán)座整體的3自由度運動情況，即軸向位移、繞x軸角向位移和繞y軸角向位移。若認為石墨環(huán)端面保持緊貼金屬環(huán)端面，則石墨環(huán)座橫向偏轉(zhuǎn)的過程即為與石墨環(huán)沿球面配合處相對運動的過程，此處認為其橫向偏轉(zhuǎn)以過球心的轉(zhuǎn)軸垂線為軸。然而，環(huán)座被測面中心與球心的距離為29 mm，結(jié)合實測值，環(huán)座與石墨環(huán)的角向相對運動不大于0.01 rad，則造成的被測面中心的軸向偏離不大于1.45 μm。因此，可近似認為石墨環(huán)座軸向位移和角向位移是解耦的。中心點O的軸向位移ΔzO可代表石墨環(huán)座整體的軸向運動，而ΔzO可由測點1～3的坐標（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）根據(jù)空間平面方程求得。

機械密封實驗臺、測試工裝、介質(zhì)供給系統(tǒng)及傳感器裝配如圖4所示。

2 測試工況條件

根據(jù)火箭發(fā)動機渦輪泵高轉(zhuǎn)速、迅速啟動的運轉(zhuǎn)特征，設(shè)定最大轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，0～10 000 r/min升速時長為3 s，10 000～0 r/min停機時長為18 s，設(shè)置轉(zhuǎn)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） （循環(huán)運行5組）。

為模擬少量煤油介質(zhì)環(huán)境，采用小孔噴油的供油方式，小孔直徑為0.5 mm，管路油壓設(shè)定為0.1 MPa（G），經(jīng)測量約30 ℃下噴油量約為150 mL/min，噴油形態(tài)如圖5所示。

分別采用單波形彈簧和雙波形彈簧開展測試。利用彈簧測力計測試動環(huán)組件高度-彈簧力關(guān)系曲線，在其工作高度44.1 mm位置處，彈簧力分別為127 N和207 N，對應(yīng)的端面彈簧比壓分別為0.1423 MPa和0.2320 MPa。兩種工況分別簡稱為工況A和工況B。

3 端面磨損特性

對運轉(zhuǎn)后的密封環(huán)端面進行顯微觀測和徑向輪廓測量，以評估端面的磨損情況。

圖6所示為密封環(huán)端面。工況A中，金屬環(huán)從內(nèi)徑至外徑劃痕程度逐漸減輕，有明顯變色，至靠近外徑處無明顯痕跡；石墨環(huán)端面靠近內(nèi)徑處有明顯磨損，向外徑方向逐漸變淺，至靠近外徑處無明顯痕跡。工況B中，整個金屬環(huán)端面出現(xiàn)非均勻分布的變黃、變藍、變黑等現(xiàn)象；石墨環(huán)端面出現(xiàn)較為嚴重的磨損，且有一定的層次。

圖7所示為端面徑向輪廓。金屬環(huán)端面的磨損深度較小，約小于0.5 μm，工況B出現(xiàn)約1.5 μm的高點，結(jié)合顯微照片可知為鑲碳。石墨環(huán)端面徑向輪廓呈內(nèi)徑處至端面中部磨損深度逐漸減小、中部至外徑處無磨損的特征，工況A最大磨損深度達5～7 μm，磨損擴展至自內(nèi)徑約2 mm處，工況B最大磨損深度達8～10 μm，磨損擴展至自內(nèi)徑約2.7 mm處。

上述現(xiàn)象表明端面磨損沿徑向呈明顯的非均勻分布，從內(nèi)徑處開始發(fā)展，至外徑處幾乎消失，工況B條件下金屬環(huán)變色程度及石墨環(huán)磨損程度均明顯加重。通過溫度及位移數(shù)據(jù)對該種磨損情況形成的機理進行分析。

4 溫度特征

圖8所示為金屬環(huán)上、右、下3處溫升變化，分別對應(yīng)測溫點11、5、10，為首次啟停數(shù)據(jù)。由圖可知，3處溫升的趨勢一致、數(shù)值較為接近，可間接表明所用測試方法的準確性，且密封環(huán)周向溫度分布較為均勻。

圖9所示為金屬環(huán)徑向溫升分布變化，為首次啟動及定轉(zhuǎn)速階段數(shù)據(jù)。由測溫點6、5、4，測點3、2、1，測點9、8、7得到3組實測數(shù)據(jù)，進而分別得到距離金屬環(huán)端面1 mm、5 mm、9 mm位置處的徑向溫度分布擬合數(shù)據(jù)（徑向范圍為34～ 37 mm），分別命名為位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。由圖可知，啟動初始階段3處位置的溫升停滯時間依次增大，反映了自升速開始熱量由端面向后端傳導(dǎo)的過程；3處位置之間的溫差逐漸變大，并在定轉(zhuǎn)速運行階段趨于穩(wěn)定，該特征可反映密封環(huán)內(nèi)部軸向溫度梯度的變化。13 s時位置Ⅰ溫升呈內(nèi)徑高外徑低分布，兩種工況下內(nèi)外徑溫度分別約為60 ℃和49 ℃、94 ℃和60 ℃。

上述數(shù)據(jù)表明，在密封環(huán)溫度升高的同時，環(huán)內(nèi)部的軸向及徑向溫度梯度均不斷增大，工況B的溫度梯度明顯大于工況A，與工況B條件下磨損深度和寬度均更大相對應(yīng)。結(jié)合磨損情況，說明在該種密封型式和介質(zhì)條件下會產(chǎn)生十分顯著的密封環(huán)傾轉(zhuǎn)熱變形，進而造成端面間隙的錐度過大，內(nèi)徑處接觸壓力過大，磨損由內(nèi)徑處開始迅5 位移特征

圖10所示為工況B條件下石墨環(huán)座軸向位移，為首次啟停數(shù)據(jù)。由圖10a可知，3處位移測點的原始數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)近似正弦波動，在升速初始階段，波動幅值可達約150 μm，隨轉(zhuǎn)速升高至最大值，波動幅值減小至約30 μm，在降速過程中，波動幅值又逐漸增大至約150 μm。在上述原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)空間平面方程可以求解得到石墨環(huán)座中心位置的軸向位移ΔzO（圖10b），ΔzO的變化過程與升速、定轉(zhuǎn)速、降速3個階段對應(yīng)良好。與此同時，ΔzO存在約15 μm的不規(guī)則波動，認為是電渦流精度、干擾信號、被測表面不平度等因素的綜合結(jié)果。

比較A、B兩種工況下首次啟動及定轉(zhuǎn)速階段的ΔzO（圖11）。由圖可知，在3～13 s的定轉(zhuǎn)速階段，工況A、B的ΔzO分別穩(wěn)定在約10 μm和30 μm位置處。結(jié)合磨損及溫度梯度變化情況，可進一步判定溫度非均勻分布導(dǎo)致石墨環(huán)及金屬環(huán)發(fā)生傾轉(zhuǎn)熱變形，由外徑至內(nèi)徑形成收斂型錐度，而靠近內(nèi)徑處接觸壓力的進一步增大又導(dǎo)致溫度梯度進一步加劇，熱變形也隨之加劇，直至達到一定的熱平衡狀態(tài)。因此，可近似認為石墨環(huán)座的軸向位移主要由密封環(huán)傾轉(zhuǎn)熱變形的“推動”所致，結(jié)合端面寬度，近似得到端面間隙錐度分別約為2.5 mrad和7.5 mrad，可進一步說明端面內(nèi)徑處發(fā)生嚴重磨損的誘因。

與此同時，根據(jù)3個位移測點的原始數(shù)據(jù)可得石墨環(huán)座繞x、y軸的角向偏轉(zhuǎn)量。以工況B為例，由圖12a可知，在升速階段，角偏差逐漸減小，定轉(zhuǎn)速階段角偏差處于一定值，降速階段角偏差恢復(fù)增大至接近初始值；圖12a左上子圖為初始0.4 s的數(shù)據(jù)，可見隨轉(zhuǎn)速的增大其波動周期逐漸減小，x、y向角偏差的相位差約為1/4周期；圖12a左下子圖為定轉(zhuǎn)速某處0.02 s的數(shù)據(jù)，可見其波動周期約為6 ms，與1×104 r/min一致。

圖12b和圖12c所示為石墨環(huán)座總體角偏差和角偏差相位角的變化，均由x向和y向角偏差計算得到?？傮w角偏差和轉(zhuǎn)速具有高度相關(guān)性，靜止狀態(tài)下石墨環(huán)座因裝配精度、彈簧和輔助密封圈角向傾轉(zhuǎn)力矩等因素而數(shù)值較大；隨轉(zhuǎn)速的增大，該角偏差在離心力作用下減小至一較小值；由于彈簧、輔助密封圈等部件的角向力矩可能一直存在，因此隨著停機過程，角偏差又還原至一較大值。角偏差相位角呈0—π2—0— -π2—0…周期性變化。

比較A、B兩種工況下首次啟動及定轉(zhuǎn)速階段的總體角偏差，如圖13所示。由圖可知，工況A條件下，角偏差在升速初期從初始位置短時小幅增大，然后隨著轉(zhuǎn)速的增大迅速下降至約1 mrad，在達到最大轉(zhuǎn)速的臨界時刻階躍上升至約3.5 mrad并近似保持穩(wěn)定；工況B條件下角偏差的演變過程類似，但是在臨界時刻的階躍十分微小，且在定轉(zhuǎn)速階段的角偏差穩(wěn)定值僅約為1 mrad。這表明在較大彈簧力作用下，石墨環(huán)座角向運動的阻尼更大，使得石墨環(huán)座從初始角向位置更為平穩(wěn)地過渡至一較小值。

石墨環(huán)座角向運動情況雖然無法直接反映密封環(huán)的變形和位移特征，但是可以說明本文所采用的測試方法和位移數(shù)據(jù)處理方法的準確性。

此外，需要說明的是，對于該密封而言，由于介質(zhì)條件為常壓，且被測件無瑕疵、端面貼合良好，因此，除非發(fā)生密封環(huán)碎裂等嚴重故障，

否則不會發(fā)生泄漏。在實際測試過程中，的確未從端面內(nèi)徑處觀察到泄漏甚至潤濕的情況，因此，泄漏量的測試結(jié)果為零，如圖14所示。這也同時表明端面處潤滑效果差，與前述密封環(huán)溫升、端面傾轉(zhuǎn)熱變形及磨損特性相對應(yīng)。

6 結(jié)論

本文開展了常壓環(huán)境、小孔噴油潤滑條件下，渦輪泵用球面裝配機械密封端面磨損、密封環(huán)溫升、石墨環(huán)座位移等特征量的實驗測試工作，根據(jù)測試結(jié)果對磨損形成機理進行分析。

隨著轉(zhuǎn)速的升高，密封環(huán)的軸向及角向溫度梯度不斷增大，會誘發(fā)密封環(huán)出現(xiàn)傾轉(zhuǎn)熱變形，形成收斂型端面間隙，進而造成內(nèi)徑處接觸壓力和摩擦生熱量增大。當密封達到端面處摩擦生熱-環(huán)內(nèi)部溫度梯度-與介質(zhì)間對流傳熱-密封環(huán)傾轉(zhuǎn)熱變形等多因素耦合的平衡狀態(tài)時，將在靠近端面內(nèi)徑處形成持續(xù)磨損，而靠近端面外徑處甚至處于非接觸狀態(tài)。

文中兩種工況下的端面間隙錐度約為2.5 mrad和7.5 mrad，明顯大于通常條件下接觸式機械密封端面間隙錐度的數(shù)量級，表明了接觸式機械密封對流體靜壓潤滑的依賴性。對于本文實驗對象，可從密封環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以限制傾轉(zhuǎn)熱變形，以及端面槽型設(shè)計以形成主動泵入潤滑兩方面進行改進。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：李勇凡，男，1991年生，博士。研究方向為機械端面密封、液膜密封。E-mail： liyongfan15@163.com。

郝木明（通信作者），男，1964年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為流體動密封。E-mail： haomm@upc.edu.cn。