高溫高速機械密封測試平臺的設計與驗證

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

關鍵詞：機械密封；測試平臺；高溫；高速

中圖分類號：TH13" " 文獻標志碼：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

機械密封是工業設備中常見的組件，用于防止流體或氣體從旋轉軸或其他運動部件周圍的間隙泄漏。為了確保機械密封的可靠性和效率，制造商和研發部門經常使用機械密封測試試驗臺來進行各種性能測試和質量控制。機械密封測試試驗臺是一種用于測試和評估機械密封性能的專用設備，搭建適合的機械密封試驗臺是開發高質量機械密封的關鍵保障之一。

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

綜上所述，目前國內外密封試驗裝置多用于模擬高壓、高轉速密封工作場合，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外研究較少，密封試驗裝置設計還是以經驗設計為主。本文針對我國1 000 MW超超臨界燃煤發電機組機械密封國產化需求，設計研制一臺超超臨界機組主鍋爐給水泵機械密封性能測試裝置，用于完成主鍋爐給水泵機械密封件動密封性能測試分析，實現國產化替代。

1" " 試驗臺的整體設計要求

為滿足1 000 MW超超臨界燃煤發電機組機械密封測試需求，高溫高速機械密封測試試驗臺的設計技術參數如表1所示。

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

2" " 試驗臺的組成

本文所設計的高溫高速機械密封測試平臺主要由機械系統、冷卻系統和控制系統三部分組成。試驗臺的機械系統主要作用為帶動主軸轉動，為機械密封提供所需的工作轉速。冷卻系統主要保證機械密封在運行過程中溫度始終處于50 ℃以下，防止高溫造成機械密封失效?？刂葡到y主要控制并采集機械密封運行過程中的溫度、轉速等參數，調節測試平臺的轉速、冷卻介質的流量以及試驗壓力等。

2.1" " 機械系統設計

高溫高速機械密封測試平臺的機械系統如圖1所示，主要由電機、聯軸器、增速箱、試驗箱主體等組成。

機械系統的電主軸采用變頻電機，考慮到機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，最高轉速為3 000 r/min。為達到最高轉速要求，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，采用外循環式潤滑系統，增速箱的溫度始終處于60 ℃以下。為保證密封腔在運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，運行前，向密封腔內通壓縮空氣以檢測氣密性。為了保證機械密封轉子與定子的精度，軸端直徑為166 mm，密封件轉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行安裝，進一步保證機械密封的配合精度。為避免運行過程中流體對機械密封的軸向沖擊，采用兩套機械密封一起試驗，平衡其沖擊力。

2.2" " 冷卻系統設計

高溫高速機械密封測試平臺的冷卻系統如圖2所示，主要由儲水罐、電磁流量閥、制冷機、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。為進一步保證在天氣較熱環境下的制冷量，儲水罐中安裝有沉浸式冷凝器，進一步保證冷卻介質的溫度。

2.3" " 控制系統設計

高溫高速機械密封測試平臺包括數據采集處理與監控等軟硬件系統。硬件包括工控機、溫度、壓力傳感器、PLC及擴展模塊、傳感器輸入電路、控制信號輸出電路等；軟件主要是計算機組態軟件和PLC程序，主要控制液壓油泵的啟停、密封介質加載水泵的啟停、各種控制閥的開關，實現電機自動調速，在線顯示機封轉數、機封溫度、泄漏量、冷卻水進出口水溫、冷卻水進出口壓力等運行參數?？刂葡到y如圖3所示，操作界面如圖4所示。

3" " 試驗臺的調試與應用

高溫高速機械密封測試平臺設計制作完成后，選擇規格分別為80、100、187 mm的機械密封進行試驗驗證，試驗過程嚴格按照API 682—2014要求進行。機械密封高溫試驗臺現場試驗照片如圖5所示。

靜態試驗時，將兩套SAFV1/210-ET4-A2機械密封按照試驗裝配圖裝入試驗工裝并架上高速機械密封試驗臺，連接管路，打開機械密封控制系統軟件，將模擬密封腔中充滿試驗介質（水），調整試驗壓力至規定值（4.3 MPa）后，關閉進出水閥，保壓時間15 min，記錄壓力與泄漏量。運行試驗時，延續靜態試驗過程，打開進出水閥，下調試驗壓力至0.2 MPa，檢查啟動扭矩有無異常，打開高速電機風冷機，增速器油浴潤滑，檢查油溫、油壓，打開機械密封控制系統軟件，設定升降速均為30 r/s，逐步將轉速提升至4 711 r/min，在此期間觀察振動有無異常；緩慢調節試驗壓力至工作壓力（4.3 MPa），在此期間觀察振動有無異常；連續運轉100 h，每小時記錄一次試驗壓力、溫度、轉速、泄漏量，泄壓、降轉速至停車。試驗過程介質溫度的變化規律如圖6所示。

如圖6所示，機械密封在試驗過程中介質溫度始終處于50 ℃以下，滿足實際工況需求。不同規格的機械密封測試結果也表明，試驗臺連續運行平穩，介質溫度控制和壓力控制達到了預期要求，并且機械密封在6 000 r/min及以下時未發生泄漏現象，可滿足高速高溫機械密封測試的需求。

4" " 結束語

本文設計的高溫高速機械密封測試平臺主要由機械系統、冷卻系統和控制系統組成，可實現介質壓力、轉速等參數的自動調節，滿足大直徑、高線速度的機械密封測試需求。現場試驗表明，機械密封轉速精度達到±3 r/min，試驗介質壓力精度在試驗壓力的±3%，試驗介質溫度精度在±2 ℃，運行過程始終無任何泄漏，機械密封溫度始終低于50 ℃，可避免高溫對機械密封的破壞，滿足API 682—2014和GB/T 14211—2019對機械密封的認證試驗要求，填補了國內大直徑、高線速度機械密封高溫高速試驗的空白。

[參考文獻]

[1] REA C.Mechanical seals-in defense of the seal indus-try[J].World Pumps，2005（464）：18-20.

[2] DARDEN J M，EARHART E M.Modifications to Marshall's Annular Seal Test （MAST） rig and facility for improved rotordynamic coefficient testing of annular seals and fluid film bearings[C]//ANNAF 6th Liquid Propulsion Subcommittee Meeting，2011.

[3] BELFORTE G，BERTETTO A M，MAZZA L.Test rig for friction force measurements in pneumatic compo-nents and seals[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part J.Journal of Engi-neering Tribology，2013，227（1）：43-59.

[4] 高洪巖.新型機械密封實驗裝置研發[D].青島：中國石油大學（華東），2011.

[5] 張慶孟.密封件性能試驗裝置檢測系統的研究與開發[D].沈陽：東北大學，2017.

[6] 孔令成，李焱鑫，唐超，等.一種高速密封試驗臺設計與驗證[J].機械研究與應用，2019，32（5）：121-123.

[7] 劉杰，楊博峰，李香，等.高速齒輪箱用機械密封試驗研究[J].液壓氣動與密封，2022，42（4）：33-35.

收稿日期：2024-06-11

作者簡介：焦雨時（1984—），男，河北滄州人，工程師，從事機械密封裝置研發與產業化工作。