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Tribology Transactions, 48: 273-282, 2005

浮环密封在高压高速涡轮泵中泄漏和动特性系数的试验结果

摘要

实验在分别供给3.0、5.0、7.0MPa的压力，并且转轴的运转速度高达24800 rpm的工作情况下，呈现了一种表面光滑的短浮动环密封(D = 53.0毫米,L / D = 0.15)和一种圆孔形状的阻尼型浮动环密封(h / Cr = 3,gamma;= 0.34:圆孔面积与表面积之比) 的测试结果。测量数据包括泄漏量、偏位角、偏心率和动特性系数（例如刚度、阻尼和惯性）。当浮动环位置锁定时, 表面光滑的浮环密封的偏心率低于阻尼型浮动环密封。偏心角随着工作转速线性增加。阻尼型浮环密封的阻尼系数高于浮动环密封。在较低工作速度范围内，浮环密封的旋转频率低于阻尼型浮动密封，并伴有高偏心率。从这些测试结果中确定的设计参数将用于高压高速的液体火箭发动机涡轮泵密封系统中。

关键词：涡轮泵;浮动环密封;阻尼型浮动环密封;偏心率;泄漏;动特性系数

引言

在液体火箭发动机(LRE)的涡轮泵系统中,在设计过程中主要考虑的一点就是低温燃料的隔离。隔离低温燃料,传统的非接触式密封如缝隙密封、迷宫式密封和阻尼密封可用于叶轮进口和出口的地方。然而, 由于其径向间隙，非接触式密封会导致燃料的泄漏。因此,为了有良好的防泄漏表现 ,应该尽量减少的径向的密封间隙。但减少非接触式密封的径向间隙不仅由于转动、制造公差、转子的静挠度所限制,还会导致定子和转子之间产生摩擦效应。浮环密封可以用来减少径向间隙,避免或降低摩擦现象。图1给出了浮环密封的结构。“浮动环安装在转子与泵壳体之间,浮环的轴向运动是由夹紧螺母约束。当泵不工作时，浮动环与轴表面接触，在最大偏心位置上。当泵开始运行时,由回流液体产生的压力使浮动环贴到支撑环表面。同时，液体产生的动力在径向上相当于液膜轴承，使浮动环向转子的几何中心移动。当液体动力与摩擦力达到平衡时，浮动环的偏心率被锁定在这个位置上。然后,浮动环密封开始像一个简单的环形密封一样工作。因此,它可以保持最小径向间隙并且没有摩擦。

浮动环密封中浮动环自由移动方向x,y,theta;如图2中所示。然而,这种密封在锁定时可以被定义为一个偏心环形密封。浮环密封的响应是由线性模型描述形式的稳态转子偏心(ε0)影响的。

在以前对偏心影响的研究中，阿莱尔等人分析了短型偏心缝隙密封的动特性系数。他们的工作扩展了其先前通过增加扰动分析短圆型密封在大离心率(ε= 0.0-0.9)时的理论。同时,他们包括粗糙度影响和随着偏心率增大的摩擦系数。

图1-浮动环密封的安装结构

图2-浮动环密封的坐标

为了更可靠的获得在高压力和速度下的数据, 纳尔逊和Ngyun基于有限元法利用快速傅里叶变换提出了对光滑密封的分析结果以及显示了交叉耦合刚度和高偏心率(E/Crgt;0.7)。控制方程由总体流动模型和穆迪方程的摩擦系数推导。

为了分析研究，圣安德烈斯对照宽喜和川上先前的实验结果研究了广范围的离心率的动力参数。流体运动通过总体流动模型和穆迪方程的摩擦系数推导以应对为变量的流体性质和表面粗糙度等的影响。直接刚度和阻尼系数显示整个偏心率的常量值，交叉耦合刚度显示了操作敏感依赖偏心率εge;0.6。这些现象部分与纳尔逊和Ngyun的结果一致。

由于测量困难导致找到研究偏心密封技术的动特性参数的实验结果很不容易。马凯特等人在P=7.0MPa、omega;=24,800rpm的条件下测试了一个光滑密封(L/D= 0.45)对动态特性、旋转频率比和偏心率并对比了预测值。试验结果表明,动特性系数对离心率更敏感。

对浮环密封更多参数的研究，柯克预成型了一种准瞬态分析转子轴的反应和在层流密封的条件下浮动环的旋转扭矩的方法。尽管层流计算工具是有限的,但它是一种对泵密封设计和离心压缩机密封设计很有前途的应用理论。

铃木等人和池尾等人用直径50毫米的高压浮动环密封,在最大转速为25000rpm,最大密封氢气压力约15MPa的LE-7火箭发动机液态氧涡轮泵的轴封系统中进行可行性研究。此外，池尾等人研究了两相流动对浮动环密封的影响。在减少泄漏上,两相状态的影响可以分为流体阻流的影响和密封间隙区域内两相流动的影响。

本文研究泄漏流量、锁定位置、偏位角、偏心率和一个L/D = 0.15的浮动环在压力7.0 MPa以内和旋转速度高达24800 rpm的条件下的动特性系数。一种圆孔形状的阻尼型浮动环密封(h/Cr=3,gamma;=0.34)被用来研究减少泄漏,增加阻尼效应。将阻尼型浮动环的实验结果与上述浮动环的实验结果相对比。

表1-涡轮泵浮动环的几何结构和工况

测试设备描述

表1给出了浮动环密封的尺寸和操作环境。密封环的长度与轴直径比为0.15，产生的圆周流体速度与轴向流体速度相比非常小。由于在低温状态下的低粘度和高压工作条件，浮动环密封装置在涡轮泵轴向的雷诺数范围非常高,在100000以上。

密封单元由一个叶轮,支承环,夹紧螺母环组成。浮动环转子静止时，密封环在与转子表面接触，达到最大偏心位置。当转子开始转动后,液体压力在密封和转子的径向方向之间产生，迫使浮动环处于径向间隙位置上。

轴向压力在径向产生在支撑环与浮动环之间的摩擦力。在图3中,水动力和摩擦力之间的平衡取决于浮环密封的偏心率。

在涡轮泵操作之前,浮动环接触静态转子表面达到最大偏心位置。当涡轮泵开始运转,例如水动力(Fdyn), 摩擦力(Fmu;), 浮动环径向方向受到的重力(Wg)，进口/出口在轴向的密封压力(Fps , Fpr)及法向力(FN) 等力作用于浮动环上。由于浮动环的外圆面与夹紧螺母环的间隙远远大于内半径和转子之间的间隙，所以可以假定作用在浮动环外圆面的静水压力在圆周方向上是分布均匀的。因此,静水压力对浮环的影响可以被忽视。

图4显示了圆孔型浮动环的布置和阻尼型浮动环的尺寸（h/Cr =3，gamma;=0.34）。它们遵循源于蔡尔兹和金姆研究出的最优尺寸设计。

图3-浮动环的受力平衡

图4-圆孔的几何形状

在图5中,是基于Massmann和诺德曼提出的理论所设计的一个试验台。轴通过两端的滚珠轴承支撑，工作在第一模态下。每90◦装有一个弹性钢棒连接外壳和试验台的定子，只允许其在x、y方向上运动，不能倾斜或旋转运动。图6展示了试验台的装配图。图5的设计允许更换测试件。

壳体在x、y方向上的运动和两个密封环相对于轴的运动由高分辨率的涡流探头测量。在图7中,探针1固定在壳体末端，测量壳体与轴之间的相对运动；探针2与探针1测量的方式相同，测量壳体与密封环之间的相对运动。浮动环密封的偏心率和偏位角由密封环与轴在x和y方向上的运动计算得出。

流体温度在测试壳体的进入室和两个出水腔中测量。通过密封环的流体平均温度维持在25◦C。单独密封的压降近似于左右两个密封的平均压降。

测试是在压力和轴旋转速度分别从3.0到7.0 MPa、6200到24800 rpm的条件下实验的。在稳态条件下，用一个脉冲负载施加在壳体上。从探针1所得到的频率响应方程通过辅助变量法拟合成曲线方程以确定浮动环的动特性系数。探针2的信号记录浮动环锁定的位置。

图5-密封试验装置的示意图:(A)前视图和(B)侧视图

图6-浮动环的装配

浮动环的锁定检验

浮动环的锁定位置取决于涡轮泵的运转条件,浮动环的几何参数,支撑环与浮动环表面间的摩擦系数。因此,对于涡轮泵单元和浮动环的振动特征的分析, 是对预测浮动环的锁定位置、泄漏量、动特性系数的关键。

对于在高压液体火箭发动机涡轮泵中的浮动环密封，最需要考虑的是确定影响涡轮泵稳定运转的浮动环锁定位置。验证锁定位置,有必要了解密封入口压力与转速及涡轮泵中浮环密封的稳态条件的特性曲线。因为特性曲线不是给定的,需要用实验调查锁定位置和在压力和转速处于稳定状态的动态特性。

如前所述,一个浮动环可以在x,y,theta;方向上自由移动。在浮动环外径上被标记的两个垂直的槽用来检测浮动环是否旋转。在图8中，A范围显示浮动环在没有进口压力、旋转速度omega;= 6200 rpm时的摩擦现象。在被标记的槽处达到峰值点。然而在B范围，随着进口压力开始增加，浮动环不再转动。

测量脉冲响应用来验证浮动环是否在稳态条件下锁定。图9给出了测试壳体的脉冲响应(a)和密封环在P = 7.0 MPa和omega;= 18600 rpm 时在x方向的位置(b)。结果表明,壳体是振荡的，但密封环的反应几乎是不变的。

从这些测试结果中可以确认浮动环在稳态条件下会锁定在一个位置上，并且像是一个偏心环形密封。

图8-带有标记槽的浮动环信号

图9-在Delta;P = 7.0 MPa和omega;= 18600 rpm时壳体(A)和浮动环(B)的脉冲响应

测试结果

测试比较了浮动环密封和阻尼型密封的实验结果。测试矩阵包括3.0、5.0、7.0 MPa三种水压及6200、12400、18600、24800 rpm四种转速。

泄漏量

如图10所示,泄漏量随着压降增加而增加，随转速增大而减小。阻尼型密封的泄漏量大约比浮动环密封少10%。结果是由于增加了密封粗糙度而造成的影响。证实了圣安德烈斯提出的增加转轴速度会减少泄漏倾向的理论结果和马奎特等的测试结果及铃木等的测试结果。误差表示不确定性因素。

图10-浮动环密封（A）和阻尼型密封（B）的泄漏量

偏位角和偏心率

图11和12分别显示了的偏位角和偏心率对应不同转动速度的值。无论哪一类型的密封,偏位角由于摩擦力的增加,随着转速的增加线性增加。所有测试的密封环偏心率随着转速的增加和压降增加稍微降低。这意味着密封环接近轴的中心。阻尼型密封的整体偏心率高于浮动环密封,因为与泄漏流量相关的径向流体压力，阻尼型密封的小于浮动环密封。

图11-浮动环密封（A）和阻尼型密封（B）的偏位角

图12-浮动环密封（A）和阻尼型密封（B）的偏心率

直接刚度

如图13所示，直接刚度系数定义为Kxx和Kyy，它们对转速不敏感,但它们随着压力增加而增加。浮环环的直接刚度的值在0.7–1.0 times; 10⁷N/m范围内,阻尼型的值较其减少;由于阻尼型浮动环密封的粗糙度，阻尼型密封的泄漏和液体压力小于浮动环密封。在阿莱尔等人之前的研究中显示，随着摩擦力的增加，直接刚度有相对减少的趋势。在低摩擦区域,直接刚度对不同偏心率显示更敏感。在图13A中,浮动环密封的直接刚度值在低摩擦特性时高于在低速区时。

交叉耦合刚度

交叉耦合刚度定义为Kxy、Kyx，会随着转速的增加大幅增加,而对压降不敏感。这种倾向在阻尼型浮动环密封上更清楚，如图13所示,Kyx增加超过Kxy。由于偏心率与压降有关联，所以偏心率的影响不能清楚地被给出。整体上，阻尼型浮动环密封的偏心率高于浮动环密封,阻尼型浮动环密封的系数增加量超过浮动环密封。

阻尼

图14显示了对直接阻尼系数的实验。在浮动环密封的情况下,直接阻尼系数Cxx和Cyy, 随着转速的增加稍微减少,但它们对压降不敏感。阻尼型浮动环密封的值大约高于浮动环密封30%。交叉耦合阻尼系数随着转速的增加而增加,但它们对压降不

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