摘要：搭建性能可靠的機(jī)械密封測試平臺是研制高溫高速機(jī)械密封裝置的前提保證。針對研發(fā)高溫高速機(jī)械密封裝置的需求，設(shè)計了一套由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的高溫高速機(jī)械密封測試平臺，經(jīng)試驗驗證，其最高承受壓力可達(dá)4.3 MPa，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6 000 r/min，運(yùn)行過程中機(jī)械密封溫度不超過50 ℃，且無泄漏，可滿足高溫高速機(jī)械密封測試要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；測試平臺；高溫；高速

中圖分類號：TH13" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0047-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.012

0" " 引言

機(jī)械密封是工業(yè)設(shè)備中常見的組件，用于防止流體或氣體從旋轉(zhuǎn)軸或其他運(yùn)動部件周圍的間隙泄漏。為了確保機(jī)械密封的可靠性和效率，制造商和研發(fā)部門經(jīng)常使用機(jī)械密封測試試驗臺來進(jìn)行各種性能測試和質(zhì)量控制。機(jī)械密封測試試驗臺是一種用于測試和評估機(jī)械密封性能的專用設(shè)備，搭建適合的機(jī)械密封試驗臺是開發(fā)高質(zhì)量機(jī)械密封的關(guān)鍵保障之一。

國外對于密封性能測試裝置的探究起步較早，2005年，C. Rea[1]設(shè)計了一套能夠?qū)崟r監(jiān)測密封腔內(nèi)溫度和壓力，并且可以定時檢測泄漏情況的試驗臺。2011年，J. M. Darden等人[2]通過調(diào)整阻尼剛度和轉(zhuǎn)子動力學(xué)系數(shù)，對環(huán)形密封件與軸承流體油膜的相互作用進(jìn)行了改良，從而提升了環(huán)形密封試驗臺的效能。2013年，G. Belforte等人[3]開發(fā)了一種最高運(yùn)行速度達(dá)300 mm/s的試驗裝置，該設(shè)備能夠測試多種密封圈的摩擦力。國內(nèi)對密封試驗裝置的研究雖然起步相對較晚，但發(fā)展迅速。2011年，高洪巖[4]開發(fā)的新型機(jī)械密封試驗臺，其密封腔內(nèi)徑為139 mm，主要用于直徑小于或等于90 mm的普通機(jī)械密封和新型非接觸密封動密封性能試驗。2016年，張慶孟[5]研發(fā)了一套密封件性能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動化控制和檢測試驗流程，并實時記錄和顯示數(shù)據(jù)。2019年，孔令成等人[6]設(shè)計了一套運(yùn)行速度可達(dá)35 000 r/min的高速實驗臺，能滿足航空發(fā)動機(jī)機(jī)械密封高速測試要求。2022年，劉杰等人[7]設(shè)計了一套高速齒輪箱用機(jī)械密封測試系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，且運(yùn)行過程無任何泄漏。

綜上所述，目前國內(nèi)外密封試驗裝置多用于模擬高壓、高轉(zhuǎn)速密封工作場合，其密封形式多為徑向密封，密封元件幾何尺寸大都較小，且測試種類單一。而對于大尺寸多種類密封元件端面動密封性能試驗測試及其密封試驗裝置國內(nèi)外研究較少，密封試驗裝置設(shè)計還是以經(jīng)驗設(shè)計為主。本文針對我國1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組機(jī)械密封國產(chǎn)化需求，設(shè)計研制一臺超超臨界機(jī)組主鍋爐給水泵機(jī)械密封性能測試裝置，用于完成主鍋爐給水泵機(jī)械密封件動密封性能測試分析，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。

1" " 試驗臺的整體設(shè)計要求

為滿足1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組機(jī)械密封測試需求，高溫高速機(jī)械密封測試試驗臺的設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗臺最高可承受4.3 MPa的試驗壓力，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，機(jī)械密封直徑為187 mm，為避免高溫造成機(jī)械密封的失效，運(yùn)行過程中始終保證機(jī)械密封的溫度不超過50 ℃。

2" " 試驗臺的組成

本文所設(shè)計的高溫高速機(jī)械密封測試平臺主要由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。試驗臺的機(jī)械系統(tǒng)主要作用為帶動主軸轉(zhuǎn)動，為機(jī)械密封提供所需的工作轉(zhuǎn)速。冷卻系統(tǒng)主要保證機(jī)械密封在運(yùn)行過程中溫度始終處于50 ℃以下，防止高溫造成機(jī)械密封失效?？刂葡到y(tǒng)主要控制并采集機(jī)械密封運(yùn)行過程中的溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，調(diào)節(jié)測試平臺的轉(zhuǎn)速、冷卻介質(zhì)的流量以及試驗壓力等。

2.1" " 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

高溫高速機(jī)械密封測試平臺的機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示，主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、增速箱、試驗箱主體等組成。

機(jī)械系統(tǒng)的電主軸采用變頻電機(jī)，考慮到機(jī)械密封初始啟動扭矩較大以及滿足增速器的啟動扭矩要求，選擇功率為90 kW，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。為達(dá)到最高轉(zhuǎn)速要求，選擇增速比為0.5的增速箱，可將電主軸的速度提高至6 000 r/min。為防止增速箱的軸向竄動，采用人字形齒輪。同時，為了保證增速器齒輪箱處于較低的溫度，采用外循環(huán)式潤滑系統(tǒng)，增速箱的溫度始終處于60 ℃以下。為保證密封腔在運(yùn)行過程中有較好的同心度，主體采用焊接的形式連接在一起，并與變速箱的外殼采用螺栓連接。軸端處采用高性能油氣密封件密封，運(yùn)行前，向密封腔內(nèi)通壓縮空氣以檢測氣密性。為了保證機(jī)械密封轉(zhuǎn)子與定子的精度，軸端直徑為166 mm，密封件轉(zhuǎn)子采用懸臂的方式安裝在軸端處，且盡量靠近支撐軸的位置進(jìn)行安裝，進(jìn)一步保證機(jī)械密封的配合精度。為避免運(yùn)行過程中流體對機(jī)械密封的軸向沖擊，采用兩套機(jī)械密封一起試驗，平衡其沖擊力。

2.2" " 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

高溫高速機(jī)械密封測試平臺的冷卻系統(tǒng)如圖2所示，主要由儲水罐、電磁流量閥、制冷機(jī)、高壓型立式多級離心泵、壓力表等組成。儲水罐的體積為105 m3，制冷機(jī)的名義制冷量為59 kW，立式增壓泵的最大流量為2 m3/s。為進(jìn)一步保證在天氣較熱環(huán)境下的制冷量，儲水罐中安裝有沉浸式冷凝器，進(jìn)一步保證冷卻介質(zhì)的溫度。

2.3" " 控制系統(tǒng)設(shè)計

高溫高速機(jī)械密封測試平臺包括數(shù)據(jù)采集處理與監(jiān)控等軟硬件系統(tǒng)。硬件包括工控機(jī)、溫度、壓力傳感器、PLC及擴(kuò)展模塊、傳感器輸入電路、控制信號輸出電路等；軟件主要是計算機(jī)組態(tài)軟件和PLC程序，主要控制液壓油泵的啟停、密封介質(zhì)加載水泵的啟停、各種控制閥的開關(guān)，實現(xiàn)電機(jī)自動調(diào)速，在線顯示機(jī)封轉(zhuǎn)數(shù)、機(jī)封溫度、泄漏量、冷卻水進(jìn)出口水溫、冷卻水進(jìn)出口壓力等運(yùn)行參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示，操作界面如圖4所示。

3" " 試驗臺的調(diào)試與應(yīng)用

高溫高速機(jī)械密封測試平臺設(shè)計制作完成后，選擇規(guī)格分別為80、100、187 mm的機(jī)械密封進(jìn)行試驗驗證，試驗過程嚴(yán)格按照API 682—2014要求進(jìn)行。機(jī)械密封高溫試驗臺現(xiàn)場試驗照片如圖5所示。

靜態(tài)試驗時，將兩套SAFV1/210-ET4-A2機(jī)械密封按照試驗裝配圖裝入試驗工裝并架上高速機(jī)械密封試驗臺，連接管路，打開機(jī)械密封控制系統(tǒng)軟件，將模擬密封腔中充滿試驗介質(zhì)（水），調(diào)整試驗壓力至規(guī)定值（4.3 MPa）后，關(guān)閉進(jìn)出水閥，保壓時間15 min，記錄壓力與泄漏量。運(yùn)行試驗時，延續(xù)靜態(tài)試驗過程，打開進(jìn)出水閥，下調(diào)試驗壓力至0.2 MPa，檢查啟動扭矩有無異常，打開高速電機(jī)風(fēng)冷機(jī)，增速器油浴潤滑，檢查油溫、油壓，打開機(jī)械密封控制系統(tǒng)軟件，設(shè)定升降速均為30 r/s，逐步將轉(zhuǎn)速提升至4 711 r/min，在此期間觀察振動有無異常；緩慢調(diào)節(jié)試驗壓力至工作壓力（4.3 MPa），在此期間觀察振動有無異常；連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100 h，每小時記錄一次試驗壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、泄漏量，泄壓、降轉(zhuǎn)速至停車。試驗過程介質(zhì)溫度的變化規(guī)律如圖6所示。

如圖6所示，機(jī)械密封在試驗過程中介質(zhì)溫度始終處于50 ℃以下，滿足實際工況需求。不同規(guī)格的機(jī)械密封測試結(jié)果也表明，試驗臺連續(xù)運(yùn)行平穩(wěn)，介質(zhì)溫度控制和壓力控制達(dá)到了預(yù)期要求，并且機(jī)械密封在6 000 r/min及以下時未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，可滿足高速高溫機(jī)械密封測試的需求。

4" " 結(jié)束語

本文設(shè)計的高溫高速機(jī)械密封測試平臺主要由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)介質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，滿足大直徑、高線速度的機(jī)械密封測試需求?，F(xiàn)場試驗表明，機(jī)械密封轉(zhuǎn)速精度達(dá)到±3 r/min，試驗介質(zhì)壓力精度在試驗壓力的±3%，試驗介質(zhì)溫度精度在±2 ℃，運(yùn)行過程始終無任何泄漏，機(jī)械密封溫度始終低于50 ℃，可避免高溫對機(jī)械密封的破壞，滿足API 682—2014和GB/T 14211—2019對機(jī)械密封的認(rèn)證試驗要求，填補(bǔ)了國內(nèi)大直徑、高線速度機(jī)械密封高溫高速試驗的空白。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡介：焦雨時（1984—），男，河北滄州人，工程師，從事機(jī)械密封裝置研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作。