高速水潤滑機械密封的兩相流熱振動現象

2019-03-29 05:09:28張國淵黨佳琦趙偉剛趙洋洋

航空學報 2019年3期

張國淵，黨佳琦，趙偉剛，趙洋洋

1. 西安電子科技大學機電工程學院，西安 710071 2. 中國航天科技集團公司西安航天動力研究所，西安 710100

對處在高速、低溫、低黏度介質下的下一代液體火箭發動機高速渦輪泵軸端機械密封的性能需求越來越苛刻，如低的泄漏量限制、工作穩定性、壽命可靠性以及可能的可重復適用性[1-2]。研究人員對此類密封的理論和試驗研究一直沒停止，內容涉及到密封的理論模型構建、性能預測、主動可控性方案等[3-4]，最重要的是開展多方位的性能測試試驗。這些試驗研究分多個階段展開，其中在實驗室條件下以水介質模擬低黏度介質工況、液氮模擬低溫工況對獲取此類密封的完整性能特征極為重要[5]；在試驗中發現的不同現象，將反映諸多在理論研究中不曾考慮的問題，有助于進一步促進理論模型的改進和完善。

在前期的試驗研究過程[1, 6]，針對水介質下的機械密封測試得到一些不期望的結果，如溫度結果的振蕩(稱之為熱振動現象)、難以明確地觀測和確定脫開轉速等，同時這些現象在我們執行的低溫介質試驗中也有所發現[2]。本文討論的是低黏度水介質作為模擬介質下的高速密封在運轉過程中出現的兩相流現象，其特征在于受到高速運轉過程端面摩擦而產生的熱量導致密封間隙內水介質出現較高溫升，當溫度超過了水介質的汽化溫度(以100 ℃為界限，不考慮局部壓力對汽化溫度的影響)會直接導致參與潤滑的液態水汽化為氣態；此時密封端面之間的潤滑狀態呈現一種氣液混合的兩相流潤滑狀態，兩相介質的屬性(如密封、黏度、可壓縮性等)與單項的液體介質存在明顯的差別，因此可能會使得密封的性能發生顯著的變化。

對于由于摩擦生熱而導致的密封間隙內流體屬性變化的相變問題研究，最早可追溯到20世紀70年代，美國以NASA為代表的研究機構針對低溫工程環境下的渦輪泵用密封在試驗中發現了這些現象[7]，并在隨后的研究中對此進行了一些研究[8-12]。如Hughes和Chao最早針對溫升造成的密封相變問題進行了討論，指出在密封間隙內該現象是一種常見現象，需要重視該相變對密封性能的影響[8]；Etsion等采用熱分析模型提出對于達到沸騰狀機械密封的性能分析方法和兩相流區域判定依據[9]；Arauz和San提出了低溫兩相流狀態下的密封性能計算模型，并開展模擬實驗對計算模型進行了驗證[10-11]；Oike等針對LH2液體火箭發動機渦輪泵，研究了其密封在兩相流下的性能，得到了兩相流的分布區域以及其流量特性[12]。同時對于相變理論模型的研究也拓展了到了其他間隙內流體的兩相流研究方面，如其他工程用密封、低溫軸承及油膜阻尼器等[13-14]。Zhang和Yan提出了針對低溫液氧工況下的動靜壓軸承兩相流潤滑模型[13]；Wang等針對密封的相變問題，基于流量連續模型提出了均質態下的密封兩相流求解的3D模型，并指出密封副對相變的影響作用[15]。國內顧永泉教授及其團隊也曾開展了對密封相變穩定性進行了研究，解決了20世紀70～80年代易汽化介質輸運泵的軸端密封問題[16-17]；隨后彭旭東等也對機械密封端面溫度變化引起的熱相變問題進行了理論研究，并討論了介質相變引起的密封穩定性[18-19]。

對于相變模型理論和試驗研究，仍是目前低溫推進領域極端環境下機械密封研究的重點；特別是最近十年，國內外航空航天工程的快速發展，特別是低溫推進相關技術的發展，使得對低黏度低溫下的密封及軸承等關鍵高速渦輪泵部件的研究受到重視，該方面的研究再次被提及并快速發展。新的研究中，研究人員不僅僅重視對相變對靜態性能(泄漏量、開啟力、摩擦特性等)的影響規律研究；也注意到在高速下如果產生相變，則對密封的動態性能(振動、穩定性、響應等)的影響更為嚴重，因此在研究單相流體下的密封的動力學行為正在逐漸發展到對氣液混合下密封的動力學行為研究方面上來。如Kaneko等開展了實驗研究，實驗獲知了密封的性能，并討論了在考慮粗糙度下密封動態性能變化規律[20]；Wu等基于CFD模型研究了環狀密封的瞬態動力學特征，其研究思路也為機械密封理論研究提供啟發[21]。同時試驗的研究也正在朝著實際的低溫低黏度模擬介質方面，如低黏度水潤滑、低溫液氮或者液氧的實際低溫介質下的工程基礎研究。

綜上，雖然在密封相變模型構建及驗證已經有了一定的研究結果，但在面向高速、低黏度、低溫等極端工程用機械密封的實驗基礎方面，相關的試驗結果仍然有限，本文將給出在高速水潤滑下的一組測試結果，包括端面溫升、端面摩擦力矩、以及為控制可能的端面溫升而進行的密封閉合力加載試驗；以期為相關的研究提供更多的可供參考的試驗結果，同時也可為相關理論模型的發展提供重要的對比數據。

1 實驗系統及實驗過程

1.1 實驗系統

高速水潤滑的密封試驗系統由傳動系統、密封系統和數據采集系統組成。傳動系統由變頻調速電機、增速箱、聯軸器、傳動軸和工藝軸承等組成。密封系統有工藝軸承、試驗密封、壓力源、密封腔和緩沖罐等組成。數據測量系統和采集系統采用計算機實時快速采集，能準確捕捉測量值的變化。實驗系統見文獻[1, 6]，其整體結構照片如圖1所示。

試驗過程中測量的參數有兩類，一類是系統運行的工況參數，包括試驗臺運轉速度ω、介質入口壓力Pi、介質入口溫度Ti、電磁加載裝置供電電流I；另一類是密封性能參數，主要包括端面液膜溫度(兩點)T1及T2、端面摩擦力F、泄漏量Q等。其中端面液膜溫度的測量方法為在靜環背部鉆一直徑為2 mm的孔，孔底距石墨環接觸端面約1 mm，將熱電偶埋入孔內，通過測量孔底部的溫度來近似測量液膜的溫度。摩擦力F通過摩擦力力矩測試單元獲取；電磁加載裝置用來實現對密封靜態補償力的調控，即可以用該裝置來改變密封的閉合力，基本原理見文獻[1]。數據采集系統為DEWE-3010，采樣頻率為6.4 kHz，按最高速50 000 r/min設定，滿足采樣定理。

圖1 實驗系統Fig.1 Test system

1.2 實驗對象及條件

密封腔體結構示意圖及傳感器布置位置見圖2所示。刻槽動環表面結構示意圖及試驗件如圖3所示，主要的參數為外徑55 mm，內徑45 mm，密封壩2 mm，槽深0.003 mm，槽數為30個，螺旋槽角為15°。實驗條件：介質為22 ℃去離子水，入口壓力為0～1.5 MPa，出口壓力為0.1 MPa(表壓)。

圖2 密封腔體結構及傳感器布置Fig.2 Seal cavity structure and sensor arrangement

圖3 動環表面結構及試驗件Fig.3 Surface structure of rotor ring and test sample

1.3 實驗過程

實驗研究中，將獲取快速啟動(即快速升速過程)、低黏度水潤滑、高速等3類典型極端工況下的密封性能，具體為

1) 考查在快速啟動過程機械密封性能(端面溫度、摩擦力及泄漏量)變化，以及密封的接觸到非接觸狀態的轉變過程。

2) 考察密封非接觸狀態下高速運轉時的端面溫升變化；觀察可能出現的兩相流現象和分析其對密封實際工作性能的影響。

3) 使密封工作在脫開轉速下，通過調節電磁加載裝置的電流，即改變閉合力的大小，來考察密封性能受密封閉合力的影響程度，特別是其對兩相流現象的作用效果。

2 結果分析

2.1 啟動過程端面溫度變化分析

圖4～圖9給出了4次升速過程的轉速ω、介質入口壓力Pi和溫度Ti、端面溫度T1和T2、端面摩擦力F以及泄漏量Q的測試結果。

4次升速過程的實驗流程如下：第1次升速過程從0開始(開機)，快速(5 s內)升速到6 000 r/min附近，然后較為平緩地升速至16 000 r/min，穩定后降速到6 000 r/min；第2次快速升速到16 000 r/min,隨后降速到6 000 r/min;第3次緩慢升速到16 000 r/min；最后再次降速到8 000 r/min，緩慢升速到16 000 r/min。圖4顯示了4次升速過程的時間t歷程和升速的快慢程度。

圖4 4次升速過程Fig.4 Four speed-up processes

從圖4可以看出，系統在啟動過程快速升速到6 000 r/min之后，4次升速過程分別為快速升速過程(第2次)和正常升速(第1次)以及2個緩慢升速過程(第3和4次)。升速過程從6 000～16 000 r/min，4次分別用時為58、32、132和140 s。4次重復升速過程的試驗設計將完整地考查密封的相變問題和穩定運轉性能。

圖5顯示了升速過程的入口溫度和壓力。在4次升速過程中，初始的入口供壓始終維持在1.0 MPa附近，并且入口水溫度維持在20～23 ℃(試驗設計溫度22 ℃)；表明試驗維持在穩定良好的輸入條件下，且入口溫度的波動不會對后續的兩相流(溫度閾值100 ℃)問題產生影響。

從圖6和圖7可以看出，處在升速過程的機械密封端面溫度部分已超過100 ℃，可見在端面之間可能存在兩相流狀態；本文將水介質發生汽化的現象以溫度100 ℃來確定，即高于該溫度則認為介質汽化，過程未考慮局部壓力對汽化溫度的影響。這樣處理的原因在于：① 整體液膜中的局部水膜壓力變化范圍較小，對水沸點的影響也較小；②局部的水膜壓力難以精確獲得；③ 實際工程中便于以此溫度值作為閾值實現對密封性能的主動控制。

圖5 升速過程入口壓力和溫度Fig.5 Inlet pressure and temperature at entering point during speed-up process

圖6 端面溫度T1隨轉速變化Fig.6 Variation of face temperature T1with rotational speed

從圖6和圖7可見溫度隨著轉速的增加出現劇烈的變化，最大幅度在30 ℃，端面的潤滑情況極為復雜。同時在第2次最為快速的升速過程，端面溫度較為變化平緩，并未出現明顯的溫度振蕩的現象；T1溫度在100 ℃附近，T2溫度在86 ℃附近。由于第2次快速升速過程用時最短，升速頻率變化更高，未觀測到溫度波動，可能的原因在于密封較快達到了脫開轉速，完整的液膜和較大的泄漏量帶走熱量，故而未造成端面間的溫升顯著變化；另外3次正常和緩慢升速過程均出現了低頻的溫度振蕩。結合圖4速度增加的頻率，可得出在升速過程溫度振蕩的頻率在0.5～2 Hz，或許與兩相流介質的屬性的變化存在較大的關系。

試驗結果也表明轉速高于12 000 r/min時，端面溫度顯著下降，說明液膜完整且具有較大的端面間隙液體流量，泄漏帶走了大量由于高速運轉產生的熱量；并且能保證密封的正常運轉需求，因此認為密封的臨界脫開轉速低于12 000 r/min。前期理論研究結果表明此類密封脫開轉速約為9 750 r/min[1]。理論計算的脫開轉速是基于全液體單相潤滑理論和機械密封模態分析結果，即動力學和摩擦學耦合機理下的脫開轉速，并未考慮出現介質相變、兩相流潤滑等因素，因此與試驗結果存在誤差。

圖7 端面溫度T2隨轉速變化Fig.7 Variation of face temperature T2with rotational speed

圖8給出了4次升速過程端面摩擦力F變化情況。從圖8可以看出，除了快速升速過程2之外，其他的升速過程中，隨著轉速的增加，端面摩擦力隨著轉速的增加而存在振蕩，最大的變化幅值接近60 N，也表明端面之間的摩擦狀況變化較為復雜，當轉速高于14 000 r/min后端面的摩擦較為穩定，約為55 N。摩擦狀態揭示了端面之間的接觸狀態，在可能的兩相流狀態下，可能出現的流體可壓縮屬性的變化，會使得端面處在接觸和脫開的轉變過程中。密封間隙中存在部分的氣體時，由于氣體所具有的高可壓縮性，使液膜剛度發生了很大的變化，從而影響到密封的間隙大小，間隙的變化會反過來影響密封的承載屬性，如此低頻的振蕩現象也說明了密封在該階段的不穩定性。

對于汽化現象，一般有兩類表現形式，即“蒸發”和“沸騰”。從圖6～圖8所呈現的現象分析，在本文所述的密封間隙環境下，是典型的沸騰現象；但此現象僅限于局部且隨著氣相混合率增加，會引起端面間隙增加，進而會導致較大泄漏量(間隙增加)；大的泄漏量將帶走更多的熱量，起到散熱降溫效果，反過來降低介質相變的可能。如此機械密封性能在該工況下便處在一個動態的循環中，表現在溫度、端面摩擦力等性能參數處在振蕩過程中，且該振蕩的頻率是與密封結構、介質屬性、溫度、壓力等多因素相關。

進一步地，在已有的研究中Hudelson使用微型加速度計對用于低溫液體中的波紋管密封副的運動做了測量[22]，觀察到了類似的動態不穩定性，認為這種不穩定性是由于密封副間的介質發生了相變而造成的，這個不穩定運動主要包括扭轉振蕩和關于某個直徑的搖擺。同時Hughes和Chao的研究也表明[8]，密封副間的液體膜會由于發生相變而具有負的軸向剛度。所有這些說明，此低頻振蕩是一種與密封系統的動力學和熱力學有關的自激振動現象，其產生和發展的規律還需要進一步研究。

圖8 端面摩擦力隨轉速變化Fig.8 Variation of face friction with rotational speed

圖9顯示了4次升速過程密封泄漏量Q的測試結果。從圖9可以看出，隨著轉速的增加，在速度低于6 000 r/min條件下，密封的泄漏以系統的靜態泄漏為主。轉速增加，泄漏量有所降低，在于端面溫度隨著轉速的增加而顯著增加，將導致端面間的流體屬性的變化，部分的液體流量被汽化為氣體，總體的液體泄漏量降低，當轉速超過14 000 r/min時，隨著轉速的增加，泄漏量出現顯著的增加，這是由于處在非接觸狀態下的密封，隨著轉速增加，動壓效應增加，會使得端面間隙增加，進而密封泄漏量會有所增加。

圖9 泄漏量隨轉速變化Fig.9 Variation of mass leakage with rotational speed

2.2 考慮汽化因素與否的試驗和計算結果對比

本文采用的理論模型為彈簧支撐的端面機械密封性能求解模型，詳見文獻[23]；該文獻給出了未考慮汽化兩相流存在情況下的密封性能模型及其求解方法。該模型包括了密封間隙流體的Reynolds方程、能量方程、潤滑介質的溫黏關系方程、端面力矩平衡方程等；采用有限差分方法耦合求解了該模型。基于此模型，密封的主要性能參數(液膜厚度、液膜壓力分布、液膜平均溫度、功耗、摩擦力矩、泄漏量等)隨幾何參數和工況參數的變化規律能被得到。

表1為端面溫度和摩擦力的計算值與試驗值的對比結果。由表1可以看出，總體的理論與試驗值相差較大，且隨著轉速的增加，差值具有逐漸變小的趨勢。可能的原因在于低速工況下存在較多的微凸體接觸，會導致更為嚴重的摩擦和溫升，且極易導致端面之間發生的汽化現象；隨著轉速增加，流體動壓效應增強，密封端面間流體潤滑狀態更為明顯，出現非接觸狀態，此時更符合理論計算時間隙一定的假設條件(即全液體動力潤滑模型條件)。因此理論和實驗的結果之間存在較大的誤差，特別是在較低的轉速情況下，誤差甚至超過了50%。可見密封性能求解理論模型非常有必要進一步發展以考慮端面之間的兩相流影響。

表1 溫度的計算值與試驗值Table 1 Theoretical and experimental temperatures

2.3 高速運轉過程中試驗結果分析

圖10～圖12給出了在轉速13 500和16 000 r/min下機械密封穩定運轉時候的端面溫度、摩擦力及泄漏量的測試結果。

圖10可以看出在轉速13 500 r/min下，端面溫度在40 ℃附近變化，表明端面潤滑情況較好，密封工作在非接觸狀態；隨著轉速的增加，在轉速16 000 r/min條件下，端面溫度變化較大，水介質下溫度超過了100 ℃，說明端面工作在氣液兩相流狀態下。同時，前期的理論研究結果也表明在非接觸端面密封下，高轉速會引起更高的端面溫升，特別是低黏度介質下溫升更為顯著[23]。

圖10 穩定轉速下的端面溫度Fig.10 Face temperature at stable rotational speed

圖11 穩定轉速下的端面摩擦力Fig.11 Face friction at stable rotational speed

圖12 穩定轉速下的泄漏量Fig.12 Leakage at stable rotational speed

從圖11可以看出，在轉速13 500 r/min下，端面會出現部分的接觸現象，表現在端面的摩擦力出現了短暫的增加，說明試驗過程中，端面在瞬間出現微凸體的接觸；而在轉速16 000 r/min下，端面摩擦力較為穩定，維持在47 N附近；與不存在微凸體下的13 500 r/min時的端面摩擦力(51 N)較為接近。同時，結果也表明在非接觸條件下，即存在完整液膜潤滑的情況下，端面摩擦力隨著轉速的增加，會有所降低；其原因在于端面轉速增加導致動壓效應的增加，會使得密封間隙有所增加，會降低可能的微凸體接觸和流體間的剪切效應。結合圖10的端面溫升的變化情況，可見在轉速13 500 r/min條件下的，端面摩擦力瞬間增加對應于端面溫升有一個較為明顯的增加；同時在16 000 r/min下，由于端面溫升超過100 ℃，端面存在氣體潤滑狀態，密封在運轉過程中，氣體介質體積的增加以及其可壓縮性影響可能導致了圖11中出現的最小的尖峰值的結果。

從圖12密封泄漏量的結果可以看出，轉速增加端面泄漏量降低，這是由于本實驗中測試得到的泄漏量為液體泄漏量，16 000 r/min下，部分的液體汽化后，其質量流量相應地降低，對應在圖12中的泄漏量較13 500 r/min低。此外泄漏量在13 500 r/min下，對應端面可能接觸的過程，當接觸出現時，對應時刻的泄漏量有明顯的降低的趨勢。同時，在初始的階段沒有嚴重的端面溫升情況下，即沒有端面的汽化發生時，經過密封端面的泄漏量差別不大。隨著高速運轉產生熱量，導致溫升后期，泄漏量的試驗結果表明水潤滑介質的汽化現象較為明顯。

2.4 加載電磁力下對兩相流的抑制

在供液壓力(入口壓力)為0.5 MPa、入口溫度22 ℃條件下，轉速設定為13 500 r/min，通過調節閉合力調控裝置的電流，考察閉合力對密封性能的影響。主動控制密封閉合力的電磁加載裝置的基本原理和標定參數等見文獻[1]，同時在文獻中也給出了調控裝置電流變化引起的電磁力和閉合力的曲線；表2給出了電磁加載裝置不同電流與密封閉合力的關系。

圖13給出了試驗中加載裝置電流I隨著時間變化曲線。從圖中可以看出在電流加載過程中轉速始終維持在13 500 r/min，保證了試驗過程的順利執行。整個電流加載的實驗過程持續了128 s，其中無電流持續近20 s，電流1、2、3和3.8 A 分別穩定持續10、8、13和8 s。

表2 不同電流下的閉合力Table 2 Closing force with different currents

圖14～17給出了在不同的閉合力下對應的端面溫度T1和T2、摩擦力以及泄漏量測試結果。從圖14和圖15可以看出，隨著密封閉合力的增加，密封端面溫度呈上升趨勢，且當閉合力較大時(高于1 815 N)，溫度超過100 ℃，過高的端面溫升使得水介質汽化，氣液混合狀態出現在密封端面，由于被密封流體的可壓縮性、黏度等屬性的變化，會產生兩相流的狀態，出現溫度振蕩的現象。

從圖16可以看出，隨著閉合力的增加，端面摩擦力出現較大的變化；當閉合力較小時，摩擦力較小，可預測此時端面處在良好的液體潤滑下，摩擦力隨著閉合力的增加而有所增加；但當閉合力為1 815 N(電流2 A)，端面摩擦力低于無電流時，其原因在于在非接觸狀態下，高閉合力引起的較高密封端面溫升將對流體屬性會產生影響，可能導致了端面間隙增加，進而使得端面摩擦力降低。當閉合力高于2 461 N(電流大于3 A)后，端面摩擦力顯著增加，在于閉合力使得密封間隙變小，較差的潤滑性能下可能存在部分的微凸體的接觸。同時大的摩擦力作用下，端面溫升變化較大，會使得端面間隙流體汽化，形成兩相流狀態，氣體具有高的可壓縮性和較差的潤滑能力，因此在試驗中表現出一定溫度和摩擦力的振蕩現象，這種現象也可以歸結是密封受相變影響的一種自激振動。