机械密封是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在液体压力和补偿机构弹力(或磁)的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。机械密封有着工作可靠、泄漏量少、使用寿命长、适用范广等优点,在工业中获得了广泛的应用,由于核电和宇航的需要,高参数机械密封发展较快。机械密封作为液体火箭发动机涡轮泵的重要组件,起着隔离介质和压力腔的作用,具有高转速、高压力、高振动及介质特殊等特点。

某氧化剂泵端面密封的石墨材料因厂家原因不再生产,某次发动机涡轮泵试车中搭载了新型石墨材料,工作中出现了油腔压力异常,Ⅱ级密封严重磨损的问题,磨损过程造成参数波动。对该故障现象进行了研究,对故障机理进行试验验证,提出了改进措施。

某预研项目中涡轮泵机械密封布局见图1所示。

图1 涡轮泵机械密封结构图
Fig.1 Structure of mechanical seal in turbopump

为保证绝对密封,在氧化剂泵和涡轮之间设置了两级机械密封装置,用于隔离氧化剂N₂O₄与高温燃气。其中Ⅰ级密封采用弹簧式密封,Ⅱ级密封焊接波纹管密封,摩擦副采用石墨静环配对9Cr18动环。Ⅰ级密封和Ⅱ级密封之间为润滑油腔,该腔为封闭腔,工作时加注有性能稳定的润滑油,主要起润滑作用。

涡轮泵机械密封的设计参数见表1。

表1 涡轮泵机械密封设计参数
Tab.1 Design parameters of mechanical seal inturbopump

图 2为涡轮泵试车中油腔压力变化曲线,机械密封正常工作时油腔压力约为0.8 MPa,在该项目研制试车中涡轮泵工作19 s时油腔压力p₂瞬间达到5 MPa,说明此时Ⅰ级密封出现不稳定工作。涡轮泵分解后发现Ⅰ级密封静环石墨磨损严重,Ⅱ级密封弹性元件失弹,对磨金属动环密封面出现0.8 mm深环形沟槽。

图2 涡轮泵试车中油腔压力变化曲线
Fig.2 Pressure curve of oil chamber in a turbopump test

Ⅱ级密封破坏机理如下:液态N₂O₄作为液体火箭发动机涡轮泵常用氧化剂,具有强氧化性、高饱和蒸汽压、易挥发,沸点只有21.15 ℃,其饱和蒸汽压在100 ℃时达到2 MPa。

工作中Ⅰ级端面密封一旦出现微量N₂O₄泄漏到油腔,泄漏的N₂O₄在密封副摩擦热的作用下,迅速汽化膨胀,油腔压力p₂出现高压,使Ⅱ级密封端面比压增大,运转试验验证p₂压力达到3 MPa以上时将破坏Ⅱ级密封摩擦副液膜,石墨环在高比压、高温、干摩擦下将对磨动环磨出沟槽,使密封破坏,压力也将随之泄出。

本文所述的双端面密封为自润滑接触式平面机械密封,在工作过程中,由于摩擦,密封面处大量的热量,就会造成摩擦副温度急剧升高,密封面发生半干摩擦或者干摩擦,可能会造成石墨环烧损或者热烈,引起端面密封不稳定工作,甚至失效。图7为端面密封石墨环温度应力示意图。

端面摩擦热的传热方向如图7所示时有最大张应力在端面上,见式(1):

(σ_x)_max=(Eαfp_cvl)/(2λ)(1)

式中:λ为导热系数,W/(m·K); E为弹性模量,Pa; α为线膨胀系数,1/K; f为摩擦系数; p_c为端面密封比压,MPa; v为线速度,m/s; l为摩擦副厚度,mm。

图7 端面密封石墨环温度应力分布
Fig.7 Temperature stress distribution of graphite sealing ring

在相同的工作条件下,2#石墨密封面最大张应力是1#和3#石墨的2.5倍左右,相比而言2#石墨密封面更加容易发生变形、出现干摩擦。

在试车过程中,端面密封在摩擦副端面产生大量的摩擦热,2#石墨导热系数较小,在工作转速下Ⅰ级密封摩擦副出现半干摩擦或者干摩擦,大量摩擦热聚集在密封端面,密封端面无法形成稳定的转移润滑膜,动静环端面摩擦磨损严重,端面温度急剧升高,使Ⅰ级密封前介质局部温度高于该处介质压力下的饱和蒸汽压温度,进而使端面部分汽化,Ⅰ级密封处于混合润滑状态,端面间局部产生高压,导致整个密封端面大面积汽化,摩擦副瞬间开启,介质泄漏至油腔。

Ⅱ级密封采用焊接波纹管机械密封,密封正常工作时性能良好,泄漏的介质被阻隔在油腔中,出现瞬间汽化,介质在油腔迅速汽化膨胀,造成油腔压力p₂压力瞬间异常升高,Ⅱ级密封端面比压瞬间增大,为正常比压的3-5倍。由摩擦功率公式(2)可得,密封摩擦功率与比压成正比,比压越大,摩擦功率越大

N₌f·p_c·v·A(2)

式中:N为摩擦功率,kW; f为摩擦系数; p_c为端面密封比压,MPa; v为线速度,m/s; A为摩擦副环带面积,mm²。

Ⅱ级密封摩擦副在高比压、高转速、高温、干摩擦条件下,石墨环短时间内将对磨动环磨出沟槽,使Ⅱ级密封破坏,油腔高压p₂瞬间得到释放。

1)试车中Ⅰ级端面密封工作不稳定,造成介质泄漏至油腔,介质在密封副摩擦热的作用下迅速汽化膨胀,产生高压破坏机械密封。介质运转试验复现了试车中的密封故障,原因是端面石墨材料工作中不稳定导致氧化剂泄漏引起。

2)石墨材料的导热性能对机械密封工作起着重要作用,提高石墨材料的导热性能可以提高密封工作稳定性; 利用钼合金动环良好的导热性与石墨材料配对,可以弥补石墨材料导热性能和组织结构上的不足,避免端面密封泄漏故障。