油氣混相回流泵送密封結(jié)構(gòu)開啟過程試驗分析

李慶展，李雙喜，鄭 嬈，鐘劍鋒，李世聰，廖浩然

（1.北京化工大學(xué)流體密封技術(shù)研究中心，北京100029；2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

油氣混相回流泵送密封是近些年國際上發(fā)展的1 種基于油氣混相潤滑技術(shù)，是以氣體密封油液的新型動壓密封，適用于高轉(zhuǎn)速和油氣混相介質(zhì)的工況，實現(xiàn)氣封液[1]和零泄漏[2-3]。OG-RPS 技術(shù)對航空發(fā)動機、液體火箭發(fā)動機等重要設(shè)備[4-5]上的密封結(jié)構(gòu)有參考和借鑒意義。目前，關(guān)于OG-RPS 的研究偏少，其他動壓密封的研究成果可為之提供參考。在理論分析方面，F(xiàn)aria 等[6]用有限元法分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對端面泄漏率等穩(wěn)態(tài)性能的影響；陳匯龍等[7]采用空化模型[8]模擬內(nèi)流場特性，研究工況參數(shù)對密封泄漏特性的影響；郝木明等[9]對泵出型螺旋槽機械密封端面間隙氣液兩相流進行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)液相介質(zhì)會在密封結(jié)構(gòu)端面內(nèi)徑處發(fā)生少量泄漏。此外，眾多學(xué)者還研究了密封結(jié)構(gòu)操作參數(shù)[10-11]和結(jié)構(gòu)參數(shù)[12]對密封泄漏特性的影響，將研究方向轉(zhuǎn)向參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面。陳匯龍等[13]以泄漏量為優(yōu)化目標，利用響應(yīng)面法對密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，給出最優(yōu)參數(shù)取值范圍；丁雪興等[14]對比分析2 種不同槽型的液體上游泵送密封結(jié)構(gòu)，通過計算2 種槽型的密封泄漏量，得出較優(yōu)的槽型結(jié)構(gòu)；李歡等[15]對油氣兩相動壓密封結(jié)構(gòu)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)進行正交優(yōu)化設(shè)計，得到穩(wěn)態(tài)工況下的最優(yōu)動壓槽結(jié)構(gòu)參數(shù)。在試驗研究方面，王曉彥等[16]對中間開槽、雙列同向及雙列反向3 種槽型的密封結(jié)構(gòu)進行不同工況下的水介質(zhì)試驗，得到泄漏量與密封參數(shù)之間的關(guān)系；李小芬等[17]、李歡[18]采用噴油試驗驗證了動壓密封在油氣兩相介質(zhì)工況下應(yīng)用的可行性。

上述研究主要集中在單相、穩(wěn)態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計方面，對混相介質(zhì)密封及其試驗的研究偏少。本文針對油氣混相介質(zhì)，研究4 種典型結(jié)構(gòu)的OG-RPS 開啟過程的動態(tài)泄漏特性，基于動態(tài)泄漏特性分析密封結(jié)構(gòu)開啟狀態(tài)，揭示操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對OG-RPS結(jié)構(gòu)開啟過程的動態(tài)泄漏特性的影響規(guī)律，得出優(yōu)選的密封結(jié)構(gòu)參數(shù)和動態(tài)泄漏率變化規(guī)律。

1 密封結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)說明

OG-RPS 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。動環(huán)和靜環(huán)的接觸部分為密封端面，是介質(zhì)泄漏的通道。密封腔內(nèi)為高壓油氣混相介質(zhì)，密封腔外為低壓空氣。動環(huán)的密封結(jié)構(gòu)端面上開設(shè)螺旋槽，螺旋槽結(jié)構(gòu)如圖2 所示。螺旋槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括槽數(shù)、槽深和槽壩比（無量綱）。螺旋槽采用激光加工，加工完成的OG-RPS 動環(huán)密封結(jié)構(gòu)端面分為槽區(qū)、堰區(qū)和壩區(qū)。

圖1 OG-RPS 結(jié)構(gòu)

圖2 螺旋槽結(jié)構(gòu)

1.2 密封參數(shù)

密封的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)分別見表1、2。

2 工作原理

OG-RPS 結(jié)構(gòu)啟動時，當密封結(jié)構(gòu)動環(huán)轉(zhuǎn)速逐漸提高時，動環(huán)密封結(jié)構(gòu)端面螺旋槽區(qū)流體的黏性剪切力逐漸增大，逐漸平衡密封結(jié)構(gòu)端面內(nèi)、外側(cè)的壓力差，從而阻止密封介質(zhì)從高壓側(cè)流向低壓側(cè)。當動環(huán)轉(zhuǎn)速足夠高時，螺旋槽能將泄漏到低壓側(cè)的密封流體泵送回高壓側(cè)（即回流泵送），同時流體受迫流動，在槽區(qū)形成高壓流體，形成密封結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)的端面動壓開啟力，迫使密封結(jié)構(gòu)端面開啟。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 操作參數(shù)

密封受力分析如圖3所示。PI為密封腔內(nèi)壓力，PO為密封腔外壓力。密封端面的總閉合力FTC及總開啟力FTO為

圖3 密封受力分析

式中：FS為彈簧力和O 形圈摩擦的綜合作用力；FI為密封腔內(nèi)壓力對密封結(jié)構(gòu)端面的閉合力；FO為密封結(jié)構(gòu)腔外壓力對密封結(jié)構(gòu)端面的閉合力；FMO為運轉(zhuǎn)時密封結(jié)構(gòu)端面的動壓開啟力；FSO為密封結(jié)構(gòu)端面的靜壓開啟力。

密封結(jié)構(gòu)端面開啟前

密封結(jié)構(gòu)端面開啟后

3 試驗裝置

研制了1 種新型試驗裝置，搭建試驗系統(tǒng)，模擬直升機發(fā)動機油氣混相工況進行試驗，密封試驗裝置模型和試驗臺如圖4、5 所示。

圖4 OG-RPS 試驗裝置

圖5 OG-RPS 試驗臺

為了保證試驗的準確性，需要注意：（1）盡量減小試驗誤差，尤其是安裝誤差；（2）控制彈簧壓量保證彈簧力的一致性；（3）保證聯(lián)軸器的調(diào)整精度，避免振動過于劇烈，干擾試驗結(jié)果；（4）軸承必須選用高精密高速軸承，保證試驗過程中軸承不會失效，并且監(jiān)測軸承溫度。本試驗裝置的創(chuàng)新性：（1）采用高速軸承將油氣混相介質(zhì)充分混合；（2）泄漏測量腔體采用高強度可視化工程塑料制成，便于觀察油液泄漏情況和密封結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)情況。

在試驗前，N1 接泄漏采集測量裝置，N4 接壓力傳感器。試驗時，N2 通入潤滑油，N3 接入高壓氣，N5為油氣混相介質(zhì)出口。由于密封結(jié)構(gòu)的高速旋轉(zhuǎn)，潤滑油和高壓氣在圖4 中的3 腔中形成油氣混相介質(zhì)。微小流量測量的準確性是試驗成敗的關(guān)鍵，本試驗采用自主研發(fā)的基于排水法和差壓傳感器的機械密封微小流量泄漏量測量系統(tǒng)[19]（如圖6 所示），測量相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的密封泄漏量，測量精度可達1.692 μg/s。密封泄漏量非常小，在試驗中采用排水法測量，通過將泄漏量測量轉(zhuǎn)換為細長水管的高度測量，采用差壓傳感器測量細長水管內(nèi)的水位高度變化，計算得出密封泄漏率。測量正值泄漏量（氣體外泄）時，關(guān)閉電磁閥SV1、SV4、SV6、SV7，打 開 電 磁 閥SV2、SV3、SV5；測量負值泄漏量（大氣倒吸）時，關(guān)閉電磁閥SV2、SV4、SV6，打開電磁閥SV1、SV3、SV5、SV7。

運轉(zhuǎn)試驗對4 種結(jié)構(gòu)依次進行，具體見表3，其余試驗條件見表1、2。試驗分為靜態(tài)氣密封檢測和運轉(zhuǎn)試驗，在試驗過程中分別改變密封腔內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)速、槽深、槽數(shù)及槽壩比，測量OG-RPS 結(jié)構(gòu)開啟過程的動態(tài)泄漏量，得出OG-RPS 結(jié)構(gòu)開啟過程的密封泄漏特性。在運轉(zhuǎn)試驗前、后分別進行靜態(tài)氣密性檢測，對比分析OG-RPS 結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)開啟過程對密封性能的影響。

圖6 測量系統(tǒng)

表3 4 種典型密封結(jié)構(gòu)

4 結(jié)果與分析

4.1 開啟過程動態(tài)泄漏特性對比分析

試驗時首先設(shè)置腔內(nèi)壓力為0.03 MPa，分別對4種典型密封結(jié)構(gòu)進行運轉(zhuǎn)試驗，試驗過程中通過增加動環(huán)轉(zhuǎn)速增加密封結(jié)構(gòu)端面線速度，加速運轉(zhuǎn)過程中密封結(jié)構(gòu)逐漸開啟，測量密封開啟過程的動態(tài)泄漏量；改變腔內(nèi)壓力，重復(fù)上述操作。

試驗結(jié)果如圖7 所示。密封結(jié)構(gòu)端面開啟過程中，由于螺旋槽的回流泵送作用，密封動態(tài)泄漏率出現(xiàn)由正值到負值的變化現(xiàn)象，泄漏率為正值時，密封介質(zhì)向腔外泄漏，泄漏率為負值時，外部大氣和密封介質(zhì)被泵送至密封腔內(nèi)。

圖7 不同壓力下的密封開啟過程動態(tài)泄漏率

結(jié)合圖7 中（a）、（b）、（c）可知，不同壓力運轉(zhuǎn)試驗時的密封結(jié)構(gòu)單位周長動態(tài)泄漏率變化趨勢基本相同，即隨著密封端面平均線速度的增大，密封結(jié)構(gòu)單位周長動態(tài)泄漏率先增大再逐漸減小。以圖6（a）中S4 曲線為例具體說明密封結(jié)構(gòu)的動態(tài)泄漏率變化趨勢。單位周長動態(tài)泄漏率的變化可分為3 個明顯的變化階段：（1）當動態(tài)泄漏率隨速度增大而增大時，此時密封結(jié)構(gòu)端面未開啟，密封結(jié)構(gòu)端面處于接觸摩擦狀態(tài)；（2）當動態(tài)泄漏率達到極大值以后，泄漏率開始隨速度增大而減小，但數(shù)值仍為正值，此時密封的回流泵送作用開始抵消密封介質(zhì)向外泄漏，密封結(jié)構(gòu)端面處于不完全開啟的過渡階段，密封結(jié)構(gòu)端面容易發(fā)生碰摩；（3）隨著線速度繼續(xù)增大，回流泵送作用越來越強，并完全抵消密封介質(zhì)向外泄漏，密封泄漏率由正值向負值變化，泄漏率繼續(xù)減小，此時密封結(jié)構(gòu)完全開啟，密封結(jié)構(gòu)端面處于非接觸運轉(zhuǎn)狀態(tài)。密封動態(tài)泄漏率變化的3 個階段分別對應(yīng)密封開啟過程的3 個狀態(tài)：未開啟狀態(tài)（State 1）、不完全開啟狀態(tài)（State 2）和完全開啟狀態(tài)（State 3），通過密封動態(tài)泄漏率的變化可有效監(jiān)控密封結(jié)構(gòu)的開啟狀態(tài)。

4.2 基于動態(tài)泄漏特性的開啟特性對比分析

基于OG-RPS 結(jié)構(gòu)動態(tài)泄漏特性，分析4 種結(jié)構(gòu)的OG-RPS 開啟特性。為方便分析，定義VSt1為OG-RPS 開始開啟時的端面平均線速度；VSt3為OG-RPS 完全開啟時的端面平均線速度；ΔV 為State 2階段的端面平均線速度跨度，以圖7（a）中S4 曲線為例

ΔV 數(shù)值越大，OG-RPS 結(jié)構(gòu)跨越State 2 越困難，OG-RPS 越容易發(fā)生碰摩，進而導(dǎo)致密封失效；VSt3數(shù)值越大，OG-RPS 結(jié)構(gòu)完全開啟越困難；VSt1數(shù)值越大，OG-RPS 結(jié)構(gòu)開始開啟越困難。而OG-RPS結(jié)構(gòu)開啟越困難，OG-RPS 結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生摩擦磨損甚至導(dǎo)致密封失效，在實際應(yīng)用中更希望密封端面容易開啟，即VSt1、VSt3和ΔV 的數(shù)值越小越好?；亓鞅盟蛣訅好芊獾拈_啟困難程度與密封結(jié)構(gòu)端面的開啟力大小有關(guān)，開啟力越大，密封結(jié)構(gòu)端面越容易開啟，而密封結(jié)構(gòu)端面螺旋槽的結(jié)構(gòu)決定了密封結(jié)構(gòu)端面開啟力的大小。

OG-RPS 結(jié)構(gòu)開啟線速度變化如圖8 所示。從圖8（a）中可見，OG-RPS 結(jié)構(gòu)開始開啟時的端面平均線速度隨壓力增大而增大，4 種典型密封結(jié)構(gòu)開始開啟時的端面平均線速度從大到小依次是：S2、S4、S3、S1，其中S1 開始開啟時的端面平均線速度約為S2 的24.73%～24.99%，約為S3 的50%～53.03%，約為S4 的32.76%～41.26%。從圖8（b）中可見，OG-RPS 結(jié)構(gòu)完全開啟時的端面平均線速度隨壓力增大而增大，4 種典型密封結(jié)構(gòu)完全開啟時的端面平均線速度從大到小依次是：S2、S4、S3、S1，其中S1 完全開啟時的端面平均線速度約為S2 的26.97%～28.26%，約為S3 的56.38%～63.01%，約為S4 的45.23%～48.99%。從從圖8（c）中可見，ΔV 隨壓力增大基本不變，4 種典型結(jié)構(gòu)的ΔV 從大到小依次是：S2、S4、S3、S1，其中S1 的ΔV 約為S2 的28.57%～31.90%，約為S3 的66.67%～73.11%，約為S4 的55.08%～58.61%。由此可以得出在4 種典型密封結(jié)構(gòu)中，S1 的結(jié)構(gòu)參數(shù)能有效降低密封結(jié)構(gòu)的開啟速度和開啟難度，即槽數(shù)為12 個的OG-RPS 結(jié)構(gòu)的開啟性能比槽數(shù)為8 個的更好，槽深為5 μm 的OG-RPS 結(jié)構(gòu)的開啟性能比槽深為10 μm 的更好，槽壩比為0.7的OG-RPS 結(jié)構(gòu)的開啟性能比槽壩比為0.8 的更好。

圖8 OG-RPS 結(jié)構(gòu)開啟線速度變化

基于以上關(guān)于OG-RPS 結(jié)構(gòu)動態(tài)開啟特性對比分析可得，密封的優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)是槽數(shù)為12 個，槽深為5 μm，槽壩比為0.7，此時密封端面的流體剪切力最大，密封端面開啟力最大，密封的開啟難度最小。

4.3 摩擦磨損情況對比分析

通過編程設(shè)置試驗的載荷步和時間步，每種結(jié)構(gòu)累計運轉(zhuǎn)時間為15600 s。通過密封結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)前后的靜態(tài)氣密性檢測對比和運轉(zhuǎn)前后的動環(huán)、靜環(huán)表面質(zhì)量對比判斷密封結(jié)構(gòu)的摩擦磨損情況。在試驗運轉(zhuǎn)前，在0.03～0.07 MPa 范圍內(nèi)改變腔內(nèi)壓力，分別測量在不同壓力下的密封結(jié)構(gòu)靜態(tài)泄漏量；改變結(jié)構(gòu)形式，重復(fù)上述步驟，得出不同結(jié)構(gòu)形式下的密封靜態(tài)泄漏率隨壓力的變化趨勢。在運轉(zhuǎn)試驗結(jié)束后，再次進行靜態(tài)氣密性檢測。試驗得到壓力對密封靜態(tài)泄漏率的影響如圖9 所示。

圖9 壓力對密封靜態(tài)泄漏率的影響

從圖中可見，不同結(jié)構(gòu)的密封靜態(tài)泄漏率變化趨勢相同，都隨壓力增大而增大；密封“跑合”效果明顯，“跑合”后摩擦副接觸更加緊密，密封運轉(zhuǎn)后靜態(tài)泄漏率較運轉(zhuǎn)前的偏小；對比分析S1 和S2 可得，槽數(shù)為12 個的OG-RPS 比槽數(shù)為8 個的泄漏率??；對比分析S1 和S3 可得，槽深為5 μm 的OG-RPS 的泄漏率比槽深為10 μm 的小；對比分析S1 和S4 可得，槽壩比為0.7 的OG-RPS 的泄漏率比槽壩比為0.8 的小。S3 和S4 運轉(zhuǎn)前后靜態(tài)泄漏率相差較大的原因是：S3槽深較深、S4 槽壩比較大，導(dǎo)致運轉(zhuǎn)后槽內(nèi)儲油較多，在一定程度上能夠阻止氣體泄漏。

從宏觀上看，4 種密封結(jié)構(gòu)的動環(huán)、靜環(huán)密封端面幾乎無磨損，試驗后密封端面質(zhì)量較好，如圖10 所示。

圖10 OG-RPS 試驗前后動環(huán)、靜環(huán)表面宏觀形貌

采用光學(xué)表面形貌儀將試驗前后動靜環(huán)同一位置放大50 倍觀察其微觀形貌，運轉(zhuǎn)后4 種密封結(jié)構(gòu)的動環(huán)、靜環(huán)密封結(jié)構(gòu)端面上存在油漬，但是無明顯的磨損情況，如圖11 所示。

綜合密封結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)前后氣密性檢測對比結(jié)果和運轉(zhuǎn)前后的動環(huán)、靜環(huán)表面質(zhì)量和微觀形貌對比結(jié)果可知，在運轉(zhuǎn)試驗后密封結(jié)構(gòu)端面無明顯磨損情況，動、靜環(huán)密封結(jié)構(gòu)端面磨合較好，4 種典型密封結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的試驗都取得了成功。

圖11 OG-RPS 試驗前、后動環(huán)、靜環(huán)微觀形貌

5 結(jié)論

（1）在4 種典型結(jié)構(gòu)參數(shù)下的運轉(zhuǎn)試驗都取得了成功，但密封性能和開啟性能有所不同；

（2）OG-RPS 的泄漏率變化分為3 個明顯的階段，分別對應(yīng)密封結(jié)構(gòu)開啟過程的3 個狀態(tài)，通過泄漏率變化可有效監(jiān)測密封結(jié)構(gòu)開啟過程；

（3）隨著密封端面平均線速度的增大，在密封結(jié)構(gòu)未開啟狀態(tài)時密封泄漏量逐漸增大，泄漏量為正值；在密封結(jié)構(gòu)不完全開啟狀態(tài)時密封泄漏量逐漸減小，泄漏量為正值；在密封結(jié)構(gòu)完全開啟狀態(tài)時密封泄漏量逐漸減小，泄漏量為負值；

（4）基于OG-RPS 的泄漏特性和開啟特性分析，槽數(shù)為12 個、槽深為5 μm、槽壩比為0.7 的結(jié)構(gòu)參數(shù)能有效降低密封結(jié)構(gòu)的泄漏率、開啟速度和開啟難度。