火箭渦輪泵機械密封研究綜述

尹，，，，，，

(1.清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京 100084；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；3.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076；4.浙江工業(yè)大學機械工程學院，杭州 310032)

火箭渦輪泵機械密封研究綜述

尹源1，廖傳軍2，王志峰3，彭旭東4，黃偉峰1，劉向鋒1，劉瑩1

(1.清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京100084；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；3.北京精密機電控制設備研究所，北京100076；4.浙江工業(yè)大學機械工程學院，杭州310032)

機械密封作為一種適合在苛刻工況下使用的軸封形式，在火箭各類渦輪泵中得到了廣泛應用。渦輪泵的特殊性給機械密封的應用帶來了一系列問題。對火箭渦輪泵機械密封方面的研究概況進行簡述。首先從高速旋轉軸系中的機械密封動力學方面，介紹了高速工況下軸系與機械密封的耦合關系和機械密封主動控制的嘗試；然后對火箭渦輪泵機械密封中的摩擦磨損與潤滑問題進行了介紹，涉及高速摩擦磨損下的可靠性、熱力耦合與變形問題、材料配副、流體膜形成機理與端面幾何特征優(yōu)化等各方面問題；最后介紹了渦輪泵帶壓長期貯存的工作特點造成的靜態(tài)慢滲問題。

機械密封; 渦輪泵; 動力學; 摩擦學

Abstract：As a type of shaft seal suitable for harsh conditions, mechanical face seal is widely used in turbopumps. A series of problems are brought by the special features of turbopump. Firstly, concerning the dynamics of mechanical face seal in high-speed shafting, the researches on the coupling between shafting and seal are introduced, along with the development of active control on mechanical face seal. Then, the researches on friction, wear and lubrication are introduced, considering multiple problems including reliability under high-speed wear, thermal-mechanical coupling, material matching, fluid lubrication mechanism and geometric optimization. Finally the problem of leakage under static load, resulted from the long-time storage of mechanical face seal on the turbopump, is introduced.

Keywords：Mechanical face seal; Turbopump; Dynamics; Tribology

0 引言

渦輪泵是液體火箭發(fā)動機、燃氣液壓伺服系統(tǒng)等的核心動力元件，其旋轉軸密封的可靠性至關重要?；鸺郎u輪泵中常用的旋轉軸密封形式主要包括迷宮密封、唇形密封、浮環(huán)密封、機械密封等基本密封形式及它們的組合[1-2]。其中機械密封是一種在渦輪泵高參數運行工況下綜合性能良好的軸端密封形式。

機械密封的基本理論在其他領域已經進行了大量研究。但在應用于渦輪泵時，機械密封需要在高壓、高速、高溫(或低溫)、強振動等苛刻工況條件下工作[2-3]，這使得密封的工作機理和工作特性與常規(guī)機械密封存在明顯的不同和特殊性。渦輪泵機械密封需要特別關注高速運轉并存在強烈振動條件下的機械密封動態(tài)特性，以及苛刻工況下的密封端面摩擦磨損特性。此外，由于渦輪泵實際工作時間占比很少，長期處于帶壓貯存狀態(tài)，機械密封的靜態(tài)慢滲特性尤為重要。

本文從渦輪泵高速旋轉軸系中的機械密封動力學、密封摩擦磨損與潤滑和密封靜態(tài)慢滲3個方面，對已有的研究成果進行綜合性簡述。

1 渦輪泵高速旋轉軸系中的機械密封動力學

為分析機械密封的動態(tài)特性，Shapiro等[4]分別獨立求解潤滑方程和運動方程，準靜態(tài)地求解了一種飛機引擎軸端氣體密封的動態(tài)特性。Miller等[5]提出了一種同步求解潤滑方程和動力學方程的方法。這些方法完整地求解密封在瞬態(tài)過程中的運動學狀態(tài)和壓強分布狀態(tài)隨時間的變化，消耗的計算資源非常大。更加節(jié)約計算資源的是由Miller等[6-7]引入機械密封領域的小擾動法。小擾動法的方程組中沒有時間項，可以用較少的資源消耗計算出氣膜的動態(tài)剛度和阻尼，并用于與軸系動力學的耦合分析。Miller等的研究主要面向干氣密封等非接觸式機械密封。

渦輪泵軸系具有較高的運行速度，已有的研究表明，當機械密封安裝在高速甚至超高速旋轉的軸上時，其工作會受到軸系動力學特性的影響[8-10]。反過來，機械密封也作為軸系中的一個轉子影響著整個軸系的動力學特性[11-13]。

對機械密封工作受軸系動力學特性影響這一問題的研究最早在1994年由Lee等[8]開展。他們利用轉子動力學中常用的傳遞矩陣方法，研究了將軸、流體膜、副密封等諸多因素耦合考慮的完整動力學系統(tǒng)。以動環(huán)浮動型機械密封為分析對象，針對追隨性(以幅值減少比率和相位差作為考察參數)將耦合分析結果與已有的針對機械密封獨立分析的結果進行了對比，發(fā)現在某些工況下耦合分析結果和獨立分析結果存在很大差別。

1996年，Wileman等[9]研究了機械密封偏心對轉子動力學特性的影響。他們研究了一種雙浮動動環(huán)密封，從理論上推導了它們所受的力和力矩與徑向位移的線性化關系，得到了偏擺和徑向兩種動力學模式存在耦合現象的結論。2004年，Wileman[10]研究了軸同步渦動對機械密封的影響，研究對象仍是雙浮動動環(huán)密封。其對多種特殊情形(包括動環(huán)與渦動軸剛性連接且靜環(huán)浮動、動環(huán)浮動且靜環(huán)偏心等)進行了討論。結果表明，軸的同步渦動會對雙浮動環(huán)密封的穩(wěn)態(tài)性能產生顯著的影響；對于動環(huán)與軸剛性連接且靜環(huán)浮動的情形，密封對軸的渦動更加敏感。

徐華等[11]研究了機械密封對轉子軸承系統(tǒng)動力學特性的影響，在研究中他們將機械密封視為具有線性剛度和阻尼特性的元件。他們的結論是，機械密封限制了轉子軸承系統(tǒng)橫向振動的轉角變化，從而導致臨界轉速提高且不平衡響應降低。

張楠等[12]對渦輪泵輪子-石墨密封系統(tǒng)的振動特性進行了研究，建立了渦輪泵轉子-密封系統(tǒng)的耦合動力學方程，并求解了系統(tǒng)的不平衡力響應。他們的研究結果表明：一方面密封的摩擦作用會減小轉子的振動幅值；另一方面會強化轉子的彎扭耦合作用，使振動頻率特征復雜化并帶來失穩(wěn)危險。

董衛(wèi)紅等[13]建立了高速渦輪泵轉子系統(tǒng)動力學集成模型，這一模型描述了密封裝置、軸承、軸向平衡裝置等多種摩擦學元件相耦合的動力學特性，見圖1[13]。郭軍剛等[14]針對超高速渦輪泵機械密封的工作狀況和失效機理研究了其動力學穩(wěn)定性和密封端面磨損換熱特性，并對特定的機械密封形式和參數進行了分析，從而得到其工作性能參數，并得出了若干失效因素的針對性設計方案。

除通過設計密封本身的動力學性能來維持其穩(wěn)定工作外，學者們還通過在機械密封中設計主動控制裝置來引入對密封狀態(tài)的主動調節(jié)，以保持密封處于良好的工作狀態(tài)下。

Wolff等[15]開發(fā)了一種用于液氧渦輪泵上的具有主動控制功能的機械密封。將一個密封環(huán)安裝在壓電晶體上，調整施加在壓電晶體上的電壓來改變錐角，實現對密封靜壓效應的改變，從而起到明顯的調節(jié)效果。其以熱電偶測得的溫度作為反饋量，形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，實驗表明這一控制系統(tǒng)可以賦予密封良好的抵御擾動能力。

Green[16]對機械密封的故障診斷及在其基礎上開展的主動控制做了非常詳細的闡述。在故障診斷上提出了“三種表征”——波形、功率譜和角位移軌道，并在此基礎上通過控制浮動環(huán)背部壓力的方法對機械密封進行主動調節(jié)。其實驗結果示意圖如圖2[16]所示。

張國淵等[17-18]研究了通過磁力加載進行主動調控的高速渦輪泵軸端機械密封，提出了系統(tǒng)的機械密封主動控制設計方法，并在密封實驗系統(tǒng)上開展了主動控制實驗。實驗表明其控制手段具有良好的效果，且控制理論與實驗結果可以較好地吻合。

現有的渦輪泵機械密封動力學研究成果中，主要集中在機械密封單獨的一般動力學方面，機械密封與軸系動力學的相互影響已開始得到研究，并已經形成了一些通過線性模型實現耦合的方法。此外，已有多種采用主動控制影響渦輪泵機械密封動力學特性的研究報道，這無疑是一種值得關注的技術手段，但其實際的調控能力以及在機械密封結構中加裝調控設備的影響尚不明確。

2 渦輪泵機械密封端面潤滑與摩擦磨損

機械密封的工作性能和可靠性與其端面潤滑狀態(tài)和摩擦磨損相關。渦輪泵運行工況條件苛刻，機械密封端面的潤滑與摩擦磨損會表現出一定的特殊性。由于極高的摩擦線速度、極高(或極低)的介質溫度(影響變形、相變、材料性能等)等因素，渦輪泵機械密封中的摩擦作用非常復雜，若設計、制造、維護和使用不當，可能導致機械密封迅速耗損，可靠性下降。野坂正隆等[19]在液體火箭發(fā)動機渦輪泵中，采用了超低溫下不發(fā)生變形的密封結構形式，并在密封上安裝了防止靜環(huán)振動用的氟塑料防振器，從而獲得穩(wěn)定的密封性能，并進行了預負荷對密封性能的影響和密封耐久性試驗。野坂正隆等[20]進一步研究了渦輪泵機械密封的啟動轉矩和靜態(tài)泄漏特性，并根據由密封面的磨損形狀測得的傾斜量來闡明轉矩和靜態(tài)密封性能的穩(wěn)定條件，同時測量機械密封高速運轉時的摩擦損失功耗，研究密封面的推力，闡明運轉時動態(tài)密封性能的穩(wěn)定條件。鈴木峰男等[21]開展了液氧渦輪泵軸密封的密封性能與耐久性的實驗研究，實驗表明密封系統(tǒng)中機械端面密封在16500r/min的高轉速下工作7000s的磨損深度不到10μm，滿足使用要求。

張淑敏等[22]采用有限元方法分析了超高速燃氣渦輪泵機械密封(見圖3[22])，并進行了實驗驗證。他們將密封環(huán)最高溫度和最大應力作為校核的準則，計算結果表明即使轉速高達100000r/min密封仍能正常工作，并在其實驗設備上進行了實驗驗證。

張嘉禾等[23]針對受限空間下需要密封兩種介質的超高速密封工況提出了一種新的機械密封形式。他們設計的機械密封裝置由兩個獨立的機械密封組成，兩者之間充滿冷卻水。數值模擬結果表明，在轉速為50000r/min的超高速下，以10L/min的冷卻水流量可將密封裝置的最高溫度降到107℃，并且與冷卻水接觸的界面上溫度均在100℃以下，不會發(fā)生冷卻水的汽化。張樹強等[24]建立了渦輪泵用機械密封的二維穩(wěn)態(tài)傳熱數值模型。利用該模型對密封端面的溫度分布等一系列熱系統(tǒng)問題進行了參數研究，并發(fā)現在高參數工況下密封端面極容易發(fā)生液膜汽化，而采用高導熱系數的摩擦副材料可以有效避免這一問題產生。

江志斌等[25]就已有的高速高壓機械密封的摩擦副材料選擇方法進行了小結。在高速高壓下，摩擦面局部瞬間溫度有時可達幾百攝氏度，從而對摩擦副材料提出了導熱性、熱硬性和自潤滑性的要求，并且需要從材料選擇和結構設計上避免熱變形。

為適應密封向高速化方向發(fā)展的需求，減低密封的摩擦磨損，非接觸式的機械密封逐漸被廣泛應用于渦輪泵。美國等研發(fā)出了專用于液氫液氧渦輪泵上的非接觸式機械密封[26]。

Dirusso[27]研究了一種用于渦輪泵的螺旋槽干氣密封。分析表明，通過在有限的空間范圍內對螺旋槽的設計進行優(yōu)化，可以使密封工作在非接觸狀況下，得到優(yōu)化設計后的膜厚和承載能力。如圖4，Glienicke等[28]對高壓、高速下的多種端面槽形(螺旋槽、T形槽、V形槽等)的表現進行了數值模擬和實驗研究，表明了在高壓、高速下在端面形成穩(wěn)定的全膜潤滑以消除接觸是可行的。Zheng等[29]在上述研究的基礎上提出了一種大直徑并且流體膜具有高角向剛度的渦輪泵機械密封(見圖5[29])。其動環(huán)采用如圖5所示的雙螺旋槽，靜環(huán)則開出通槽并設置小孔。他們對該密封的泄漏和動態(tài)特性進行了數值模擬，驗證了其性能達到設計目標。

Young等[30]分析了采用激光加工出端面波度的碳化硅密封環(huán)在高速(轉速最高達5550r/min)高壓(壓力最高達20.9MPa)下的表現，研究結果表明該密封性能優(yōu)秀。盡管其并非用于渦輪泵，但由于有類似的工況，仍對渦輪泵機械密封設計具有參考價值。Berard等[31]對大直徑自適應雙向旋轉螺旋槽進行了分析和改進，在密封環(huán)下方安裝耐高溫永磁體以避免起動和停車過程中的接觸。

劉忠等[32]針對不同黏度的低溫工作介質對雙螺旋槽密封進行了參數優(yōu)化。結果表明，介質黏度不同時，最優(yōu)設計有明顯的差異。低溫工作介質是渦輪泵密封中常遇到的情況(液氧、液氫等)，因而這一工作具有借鑒意義。陳杰等[33]對用于液氧/煤油發(fā)動機的非接觸式螺旋槽密封的性能進行了數值分析，并以最大化氣膜剛度為目標對密封的幾何參數進行了優(yōu)化。理論研究結果得到了實驗驗證。

趙偉剛等[34]對用于液氧泵的動靜壓混合式密封的關鍵技術——進行了詳細的介紹，包括介質選擇和端面幾何參數優(yōu)化，并提出了較優(yōu)的參數范圍。

總體而言，已有很多研究人員開展了渦輪泵機械密封潤滑機理和摩擦磨損問題的研究，在密封的傳熱、變形、材料匹配、端面槽形等方面獲得較為豐富的研究成果。為進一步研究渦輪泵機械密封的性能演化和可靠性等重要內容，尚需在密封混合潤滑和邊界潤滑、密封端面磨損規(guī)律及其與密封表面形貌之間的關聯等方面繼續(xù)開展研究。

3 渦輪泵機械密封的靜態(tài)慢滲

與常見的泵用機械密封相比，渦輪泵機械密封工作特點之一是經常處于帶壓長期貯存狀態(tài)，在此過程中，密封常發(fā)生隨貯存時間增長而泄漏異常的狀況，在某些場合下可能帶來嚴重的安全隱患。

Lebeck[35-36]考慮機械密封端面的波度、錐度和粗糙度，建立了機械密封泄漏模型。孫見君等[37]基于分形理論建立了泄漏通道模型。這些泄漏模型對于一般的機械密封提出，尚不足以準確描述渦輪泵機械密封長時間靜壓貯存的慢滲現象。包超英[2]將多孔介質模型應用于密封環(huán)，從而建立起了滲漏模型，這個模型中并未考慮長期貯存的時間效應。

針對渦輪泵機械密封特有的長時間貯存問題，吳勛等考察了作為靜壓慢滲失效主要因素的密封環(huán)變形問題，對安裝在靜環(huán)座上的石墨靜環(huán)在多種工況下的變形進行了實驗研究。研究表明長期靜壓貯存會導致石墨環(huán)端面產生較大的波度和錐度，從而使泄漏量增大[38]。隨后進一步開展了有限元仿真研究，并進行了可靠性分析，得到了不同貯存時間之后密封組件應力-應變和石墨環(huán)變形結果[39-40]。

白東安等[41]研究了渦輪泵機械密封的泄漏量超標對發(fā)動機可靠性的影響。在模擬計算和實驗驗證的基礎上，得出試車過程可以減小密封組件變形，從而減少泄漏量的結論。

上述研究對渦輪泵機械密封發(fā)生靜態(tài)慢滲的機理及其主要影響因素進行了初步分析。但總體而言，相關研究還非常少，慢滲機理還遠未研究清楚，亟須開展深入研究。

4 總結與展望

1)機械密封動力學方面的現有研究成果盡管尚不豐富，但基本揭示了高速軸系中機械密封動力學的關鍵問題所在，即軸系動力學與機械密封動力學發(fā)生耦合。一些在一般機械密封動力學中無需考慮的問題(如徑向位移等)需要被納入耦合系統(tǒng)中加以考慮?，F有的模型通過線性化處理，以簡化的方式初步實現了耦合。未來有望采用非線性方法進行耦合以建立更準確的耦合模型，并為研究多種非線性現象(例如裂紋、軸承游隙、密封氣膜剛度等)提供可能。此外，通過在機械密封原本的動力學系統(tǒng)上附加額外的主動控制，人或智能控制系統(tǒng)介入機械密封的動力學行為將成為可能。但從目前情況來看，控制系統(tǒng)的性能，包括存在對密封原有性能的犧牲仍待評估。

2)在渦輪泵機械密封的潤滑和摩擦磨損方面，已有較多研究，在密封的傳熱、變形、材料匹配、端面槽形等方面獲得了較為豐富的研究成果。后續(xù)研究一方面有望在密封混合潤滑和邊界潤滑問題上取得進一步的成果，這將對機械密封在極小膜厚運行的工況給出更準確的解釋；另一方面密封端面磨損規(guī)律與密封表面形貌之間有望建立關聯，這將為機械密封的可靠性評估提供堅實的理論依據。

3)靜態(tài)慢滲問題是渦輪泵機械密封的特有問題，但對渦輪泵機械密封的實際使用性能影響巨大?，F有的研究成果對其發(fā)生機理和影響因素進行了一定分析，但目前研究成果還非常少，且其機理還遠未研究清楚，亟須開展深入研究。

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AReviewofMechanicalFaceSealinRocketTurbopump

YINYuan1,LIAOChuan-jun2,WANGZhi-feng3,PENGXu-dong4,HUANGWei-feng1,LIUXiang-feng1,LIUYing1

(1.StateKeyLaboratoryofTribology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.BeijingInstituteofAstronauticalSystemsEngineering,Beijing100076,China;3.BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandElectronicControlEquipment,Beijing100076,China;4.CollegeofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)

V19

A

2096-4080(2017)03-0054-07

2017-05-23；

2017-07-04

國家科技支撐計劃課題(2015BAA08B02)

尹源(1993-)，男，博士，主要研究方向為機械密封。E-mail：thuyinyuan@126.com