Http:^turbo-jour.cftn Vol.62, 2020,No.6
Chinese Journal of Turtxjmachinery
**基金项目：国家重点研发计划项目(2018YFB2000800)
马润梅 赵 祥 李双喜 陈潇竹 杨海超
(北京4LX 大学)
摘 要：密封的泄漏特性是对密封性能的关键表征。本文试验研究了应用于某高速发动机的气体环瓣式浮环密封
在改变转速、密封压差、周向弹簧比压条件下的泄漏特性以及不同弹簧比压下的磨损情况。试验结果表明，密封 环泄漏量随压力升高而线性增长，但随转速增加，泄漏量略有降低；随着周向弹簧比压增加，泄漏量存在极小 值，在4~5N/m 的范围内，泄漏量较小；弹簧比压增大，密封环与转子(又称跑道)表面之间磨损加剧，严重情况
下会发生石墨环和转子表面之间的粘着磨损，在满足泄漏要求的前提下应选用小的弹簧力。为了研究环瓣式浮动 环密封中三处泄漏点对总密封性能的影响，试验测定了主、次密封和搭接头三处泄漏点的静态泄漏量，其中主密 封泄漏量占比最大约70%；次密封约为20%；搭接头处的泄漏量最小。研究表明，使用前预跑合能明显提高浮环 的密封性能。
关键词：环瓣式；浮环；试验研究；泄漏特性；弹簧比压；磨损
中图分类号：TB42；TK05 文章编号：1006-8155-(2020)06-0075-07
文献标志码：A
DOI ： 10.16492/j.fjjs.2020.06.0009
Experimental Study on Leakage Characteristics of High
Speed Gas Split Floating Ring Seal
Run-mei Ma Xiang Zhao Shuang-xi Li Xiao-zhu Chen Hai-chao Yang
(Beijing University of Chemical Technology)
Abstract : The leakage characteristic split is the key characterization of sealing performance. In this paper, the leakage
characteristics of the gas split floating ring seal applied to a high speed engine under the conditions of changing the speed, seal pressure difference and circumferential spring specific pressure as well as the wear condition under different spring specific pressure are experimentally studied. The experimental results show that the leakage of the seal ring increases linearly with the
increase of the pressure, but decreases slightly with the increase of the rotating speed; with the increase of the specific pressure of the circumferential spring, there is a minimum value of the leakage, and the leakage is small in the range of 4~5N/m; with the increase of the specific pressure of the spring, the wear between the seal ring and the surface of the rotor (also known
as the runway)is intensified.In serious cases,adhesion wear will occur between graphite ring and rotor surface.On the premise of meeting the leakage requirements,small spring force should be selec
ted.In order to study the influence of three leakage points on the total sealing performance of annular split floating ring seal,the static leakage of three leakage points of primary seal,secondary seal and lap joint was tested.The main seal leakgae accounted for the largest proportion,about70%; the secondary seal leakgae,about20%;and the lap joint leakage was the smallest.The results show that the floating ring seal performance can be obviously improved by pre running in before use.
Keywords：Split Type,Floating Ring,Experimental Study,Leakage Characteristics,Spring Specific Pressure,Wear
0引言
随着高转速、大压差旋转设备的发展，密封面临着更加苛刻的工作环境。大推力氢氧发动机隔离用气的大量使用使浮动环不再满足需求m，从而促使了低泄漏量、高可靠性的新型密封结构的研究和发展。环瓣式浮环密封作为一种径向非接触密封和轴向端面密封相结合的新型密封形式，相较于干气密封阴和迷宫密封I，环瓣式浮环密封具有结构简单、加工成本较低、稳定性高等优点，在石油化工和航空航天等高新领域的使用越来越广泛。在提高环瓣式浮环密封的密封性和稳定性方面，国内外学者做了大量的研究。20世纪七八十年代,NASA在Rayleigh阶梯密封垫的基础上做了大量的研究，对浮动环密封的材料、结构参数、跑道形状等各方面做出分析和试验阴;Alessio Pescosolido191等人测试了分
瓣石墨环在径向轴偏移、角度偏移以及二者同时存在下的密封性能，得到了不同偏移情况对密封泄漏和磨损的影响;Mihai Arghix™等人通过理论和数值分析，研究了转速、几何参数和工况对泄漏量和摩擦功耗的影响。国内对环瓣式浮环密封的研究起步较晚，研究较少。刘廷武问等人针对不同瓣数的石墨环进行试验，得到了双环的密封性能更优良，并指出搭接接头是分瓣石墨密封环设计中的重要环节；苏令问通过理论数值分析和试验验证等方法，分析了浅槽环瓣式浮环的密封性能和动态特性，为环瓣浮环的参数优化提供参考；王飞回等人采用定阻力的方法对环瓣浮环的结构参数进行优化，得到了浅槽槽深、宽等尺寸对密封性能的影响；王伟醐等人采用关联计算的方法分析了环瓣浮环的动态泄漏量，为减少泄漏和密封装置设计提供了参考；郑利胜M通过数值模拟，对圆周石墨环进行了稳态热分析与热-结构耦合分析，给出了石墨环的工作状态；邵山中叭通过有限元模拟分析了转子跳动对石墨圆周密封的应力、摩擦磨损以及泄漏量的影响；其他关于整体式浮环"呦和石墨材料120如的研究为环瓣式浮环密封的发展提供一定的指导意义。
国内外的学者对环瓣式浮环密封的研究主要集中在结构设计和理论数值分析，在周向弹簧比压对泄漏率的影响和各泄漏点泄漏率方面的试验研究较少。为此，本文针对应用在发动机上的高速气体三瓣式浮环密封，通过试验，测量三瓣浮环在不同工况下的泄漏量以及各泄漏点在总泄漏量中的占比，分析不同弹簧比压下的泄漏特性和摩擦磨损特性，为环瓣式浮环密封的研究和设计提供参考。
1密封结构
环瓣式浮环密封由结构相同的若干高精度石墨环瓣搭接组成圆环，靠外圆周槽内的周向弹簧箍紧在跑道上，形成圆周密封（主密封）。侧面设置压缩弹簧，石墨环在压缩弹簧和介质压力的共同作用下贴紧在密封压盖上，形成端面密封（次密封）。密封原理如图1所示。石墨环内侧开设有环槽和沿周向均匀分布的横槽（见图2），以保证密封面之间充有一定量介质，起到润滑作用，减轻密封接触面之间的摩擦。三瓣浮环密封石墨环如图3所示。
1.石墨环;
2.密封腔体;
3.压缩弹簧;
4.压盖;
5.防转销;
6.箍紧弹簧。
图1密封原理图
Fig.1Sealing principle diagram
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图2石墨环瓣图
Fig.2Graphite split ring model
图3石墨环实物图
Fig.3Graphite ring physical diagram
2工作原理
环瓣式浮环密封的受力如图4所示。由于介质压力和弹簧力的作用，石墨环在静止或转速较低时会箍紧在跑道上，形成接触密封；正常工作时，石墨环和跑道处于高速的相对旋转状态，在楔形效应和浅槽处的阶梯效应的共同作用下而产生流体动压力，减少主密封面接触压力，减轻密封的摩擦磨损。
图4三瓣环受力分解图
Fig.4Force decomposition diagram of three split ring
浮动环处于平衡状态时受力应该满足如下平衡方程：
Fc+Fz=Fo+Fc+F$(1)
泄漏率F f=^F y(2)式中，几为浮动环受到的气膜反力；F z为跑道的支撑力,N；几为密封环径向方向受到的介质压力,N；Fc为周向弹簧对密封环的作用力,N；F f为密封次密封面与密封压盖的摩擦力,N；巧为压缩弹簧及介质压力产生的轴向力,N；“为石墨环端面与密封压盖的摩擦系数。
Fc+几称为开启力，几+Fc+F，称为开启阻力。静止时，石墨环和跑道之间存在很小的密封间隙，形成有一定厚度的气膜。旋转时，间隙中的气体在跑道的带动下产生周向的速度矢量，从而在楔形效应和阶梯效应下产生流体动压力，增大气膜反力，跑道与石墨环之间的密封间隙有增大趋势，减轻主密封面处的接触压力。最终，浮动环会在转速变化、压力波动、转子振动等外部干扰下，而达到动态平衡，如式(1)所示，形成动态密封间隙。既能保证小的密封间隙，最小化介质泄漏；又能减少发热和磨损，延长密封件的寿命。
3泄漏特性
环瓣式浮环密封的泄漏通道有三个，包括主密封、次密封以及搭接头，如图5所示。主密封为圆周密封，密封结构为石墨环内表面上的密封唇，在介质压力和周向弹簧的作用下抱紧跑道。次密封为端面
密封，工作时贴紧密封压盖。正常情况下，主、次密封的润滑状态均为边界摩擦，在迈尔提出的在边界摩擦状态下的泄漏量公式的基础上，根据环瓣浮环密封的结构特点，修正的主、次密封的泄漏公式分别如式⑶⑷所示冋。
图5环瓣式浮动环密封三维结构图
Fig.5Three-dimensional structure diagram of split
floating ring seal
G|=6iT/yp础x]04⑶
Jl
G?=锂翼込xl(T⑷
其中,D为密封环内径;A为次密封外径；VP为密封压差;Th血为主、次密封间隙;Z据为主、次密封速度系数；马,4为主、次密封压力。
4试验
4.1试验装置
设计试验装置并搭建试验系统。密封试验装置结构图如图6所示，装置由高速变频电机、联轴器、轴承腔、密封组件等组成。图7所示是现场试验台。
1.高速变频电机;
2.高速双膜片联轴养;
3.轴承腔;
4.密封组件
N1,N2.油气进口;N3.介质进口;N4.油气出口;N5.内侧泄漏口N6.介质出口、压力表接口;N7.泄漏收集测量口。
图6试验装置结构图
Fig.6Experiment device structure diagram
图7试验装置图
Fig.7Experiment device
4.2试验参数
试验用环瓣式浮动环结构参数如表1所示，试验操作参数如表2所示。
表1结构参数
Tab.1Seal structure parameters
结构尺寸参数结构尺寸参数
周向弹簧槽径/mm69内槽类型正弦曲线环形沟槽瓣环内径/mm57单瓣角度/（-）118
瓣环外径/mm71.4谕数量/个3
瓣环宽度/mm 6.2连接方式禅形搭接
表2操作参数
Tab.2Operation parameters
参数数值参数数值
介质空气密度/(kg/m3) 1.205
进口压力（表压）ZMPa0-0.2粘度/(Pa・s) 1.81x10~5
出口压力（表压）ZMPa0转速/(r/min)0-20000
介质温度/K293周向弹簧力ZN0.6~1.2
4.3试验内容
4.3.1泄漏量
试验测量不同压力下密封的静态泄漏量，并采用密封脂封堵不同的泄漏点，得到各泄漏点的泄漏量；进行变转速、变周向弹簧力试验，获得密封在动态参数下的泄漏量。
4.3.2磨损
试验前后，在酒精溶液中超声清洗石墨环，并干
燥，采用精度为O.lmg的电子天平测量石墨环质量，获得试验前后质量差，得到磨损量。采用三维影像仪观测主密封面表面形貌。
5密封性能
根据试验数据分析压力、转速、周向弹簧比压对环瓣浮环泄漏的影响，得到密封性能的变化趋势。为便于对比分析，将测得密封泄漏量除以浮环周长，得到单位周长的密封泄漏量。
5.1工况参数对泄漏量的影响
5.1.1压力
转子静止时，环瓣式浮环泄漏量随操作压差的变化如图8所示，图中两条曲线分别代表浮环跑合前后的密封性能。可以看出，密封泄漏量随着压差的增大线性增加，经过短时间的跑合后，密封性能有所增强，泄漏量降低10%左右。实际接触时，石墨环和跑道表面微凸体相互接触，在周向弹簧和介质压力的作用下产生变形，对流体起到阻碍作用；压力升高，密封两侧的压
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图8压力对泄漏率的影响
Fig.8Effect of pressure on leakage of seals
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差增大，流体驱动力增强，泄漏也逐渐变多。经过磨合，石墨环表面较软的微凸体在跑道表面较硬的微凸体的碰撞下出现变形和断裂，断裂的石墨颗粒在跑道表面形成“填隙效应”和“覆盖效应”，使两者的贴合度得到改善，对流体的阻碍作用增强，故泄漏率有所降低，如图9所示。
(a)填隙效应
(b)覆盖效应
图9表面微凸体形貌图
Fig9Surface asperity topography
图10是环瓣式浮环三处泄漏点的泄漏量随压力的变化。三个泄漏点的泄漏量均随着压力的增高而逐渐增加。其中，主密封泄漏约占70%；次密封约为20%；搭接头泄漏面积小且避免了贯穿性的间隙，约为10%。分析表明，主密封的泄漏主要由石墨环内表面和跑道表面之间的贴合程度所决定，应严格控制石墨环相对于跑道的不圆度，经过运转跑合能明显减少主密封的泄漏量；次密封为端面密封，提高次密封面和密封端盖的平整度和光洁度能一定程度上提高密封性能。
用力/MPa
图10各泄漏点静态泄漏率
Fig.10Static leakage rate of each leakage point
5.1.2转速对泄漏量的影响
转速对密封泄漏的影响如图11所示。可以看出，转速升高，泄漏开始略有降低，而后趋于平缓稳定。
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转速x107(r/min)
图11转速对密封泄漏率的影响
Fig.11Effect of speed on leakage ratio of seals
石墨环内表面开设有环槽和横槽，在跑道旋转时，横槽处的阶梯效应和楔形效应促使高速流体在浅槽处产生高压，对气体的轴向泄漏起到一定的影响。随着转速的升高，内表面产生的压力逐渐增强，使得密封环开启力增加，但仍小于开启阻力，主密封间隙变化不明显。因此，在轻微动压效应的阻碍作用下，泄漏量有减小趋势。
5.2周向弹簧比压对泄漏量的影响
图12所示是密封泄漏随周向弹簧比压的变化。可以看出，泄漏随着周向弹簧比压的增大存在极小值，单位长度上的弹簧比压在4~5N/m的范围内，密封性能较好。出现这种趋势主要是因为弹簧力较小时，随着弹簧力的增加，石墨环和跑道之间的接触压力增大，表面微凸体发生较大的弹塑性变形，实际接触面积增加，石墨环和跑道的贴合程度逐渐变好，更好的阻止了泄漏；弹簧力继续增加，表面微凸体之间的碰撞和破裂情况严重，石墨环内表面和跑道之间的磨损加剧，密封面表面形貌变差，泄漏量增加；当弹簧力增大到一定程度时，石墨环内表面快速磨损，大量石墨细粉对表面微凸体产生覆盖效应，并逐渐填补了泄漏通道，泄漏量有轻微变小趋势。
图12周向弹簧力对密封泄漏率的影响Fig.12Effect of circumferential spring force on seal
leakage rate
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