高溫高速機(jī)械密封測試平臺的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

0引言

機(jī)械密封是工業(yè)設(shè)備中常見的組件,用于防止流體或氣體從旋轉(zhuǎn)軸或其他運(yùn)動(dòng)部件周圍的間隙泄漏。為了確保機(jī)械密封的可靠性和效率,制造商和研發(fā)部門經(jīng)常使用機(jī)械密封測試試驗(yàn)臺來進(jìn)行各種性能測試和質(zhì)量控制。機(jī)械密封測試試驗(yàn)臺是一種用于測試和評估機(jī)械密封性能的專用設(shè)備,搭建適合的機(jī)械密封試驗(yàn)臺是開發(fā)高質(zhì)量機(jī)械密封的關(guān)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(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測密封腔內(nèi)溫度和壓力,并且可以定時(shí)檢測泄漏情況的試驗(yàn)臺。2011年,J. M. Darden等人^[2]通過調(diào)整阻尼剛度和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)系數(shù),對環(huán)形密封件與軸承流體油膜的相互作用進(jìn)行了改良,從而提升了環(huán)形密封試驗(yàn)臺的效能。2013年,G. Belforte等人^[3]開發(fā)了一種最高運(yùn)行速度達(dá)300 mm/s的試驗(yàn)裝置,該設(shè)備能夠測試多種密封圈的摩擦力。國內(nèi)對密封試驗(yàn)裝置的研究雖然起步相對較晚,但發(fā)展迅速。2011年,高洪巖^[4]開發(fā)的新型機(jī)械密封試驗(yàn)臺,其密封腔內(nèi)徑為139 mm,主要用于直徑小于或等于90 mm的普通機(jī)械密封和新型非接觸密封動(dòng)密封性能試驗(yàn)。2016年,張慶孟^[5]研發(fā)了一套密封件性能檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠自動(dòng)化控制和檢測試驗(yàn)流程,并實(shí)時(shí)記錄和顯示數(shù)據(jù)。2019年,孔令成等人^[6]設(shè)計(jì)了一套運(yùn)行速度可達(dá)35 000 r/min的高速實(shí)驗(yàn)臺,能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械密封高速測試要求。2022年,劉杰等人^[7]設(shè)計(jì)了一套高速齒輪箱用機(jī)械密封測試系統(tǒng),最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min,且運(yùn)行過程無任何泄漏。

綜上所述, 目前國內(nèi)外密封試驗(yàn)裝置多用于模擬高壓、高轉(zhuǎn)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(dòng)密封性能試驗(yàn)測試及其密封試驗(yàn)裝置國內(nèi)外研究較少,密封試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)還是以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主。本文針對我國1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組機(jī)械密封國產(chǎn)化需求,設(shè)計(jì)研制一臺超超臨界機(jī)組主鍋爐給水泵機(jī)械密封性能測試裝置,用于完成主鍋爐給水泵機(jī)械密封件動(dòng)密封性能測試分析,實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代。

1試驗(yàn)臺的整體設(shè)計(jì)要求

為滿足1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組機(jī)械密封測試需求,高溫高速機(jī)械密封測試試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)臺最高可承受4.3 MPa的試驗(yàn)壓力,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min,機(jī)械密封直徑為187 mm,為避免高溫造成機(jī)械密封的失效,運(yùn)行過程中始終保證機(jī)械密封的溫度不超過50℃。

2試驗(yàn)臺的組成

本文所設(shè)計(jì)的高溫高速機(jī)械密封測試平臺主要由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)臺的機(jī)械系統(tǒng)主要作用為帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng),為機(jī)械密封提供所需的工作轉(zhuǎn)速。冷卻系統(tǒng)主要保證機(jī)械密封在運(yùn)行過程中溫度始終處于50℃以下,防止高溫造成機(jī)械密封失效?？刂葡到y(tǒng)主要控制并采集機(jī)械密封運(yùn)行過程中的溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù),調(diào)節(jié)測試平臺的轉(zhuǎn)速、冷卻介質(zhì)的流量以及試驗(yàn)壓力等。

2.1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫高速機(jī)械密封測試平臺的機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示,主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、增速箱、試驗(yàn)箱主體等組成。

機(jī)械系統(tǒng)的電主軸采用變頻電機(jī),考慮到機(jī)械密封初始啟動(dòng)扭矩較大以及滿足增速器的啟動(dòng)扭矩要求,選擇功率為90 kW,最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。為達(dá)到最高轉(zhuǎn)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6000r/min。為防止增速箱的軸向竄動(dòng),采用人字形齒輪。同時(shí),為了保證增速器齒輪箱處于較低的溫度,采用外循環(huán)式潤滑系統(tǒng),增速箱的溫度始終處于60℃以下。為保證密封腔在運(yùn)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(yùn)行前,向密封腔內(nèi)通壓縮空氣以檢測氣密性。為了保證機(jī)械密封轉(zhuǎn)子與定子的精度,軸端直徑為166 mm,密封件轉(zhuǎn)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(jìn)行安裝,進(jìn)一步保證機(jī)械密封的配合精度。為避免運(yùn)行過程中流體對機(jī)械密封的軸向沖擊,采用兩套機(jī)械密封一起試驗(yàn),平衡其沖擊力。

2.2冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫高速機(jī)械密封測試平臺的冷卻系統(tǒng)如圖2所示,主要由儲水罐、電磁流量閥、制冷機(jī)、高壓型立式多級離心泵、壓力表等組成。儲水罐的體積為105m³,制冷機(jī)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(jìn)一步保證在天氣較熱環(huán)境下的制冷量,儲水罐中安裝有沉浸式冷凝器,進(jìn)一步保證冷卻介質(zhì)的溫度。

2.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫高速機(jī)械密封測試平臺包括數(shù)據(jù)采集處理與監(jiān)控等軟硬件系統(tǒng)。硬件包括工控機(jī)、溫度、壓力 傳感器、PLC及擴(kuò)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(jì)算機(jī)組態(tài)軟件和PLC程序,主要控制液壓油泵的啟停、密封介質(zhì)加載水泵的啟停、各種控制閥的開關(guān),實(shí)現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)速,在線顯示機(jī)封轉(zhuǎn)數(shù)、機(jī)封溫度、泄漏量、冷卻水進(jìn)出口水溫、冷卻水進(jìn)出口壓力等運(yùn)行參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示,操作界面如圖4所示。

3試驗(yàn)臺的調(diào)試與應(yīng)用

高溫高速機(jī)械密封測試平臺設(shè)計(jì)制作完成后,選擇規(guī)格分別為80、100、187 mm的機(jī)械密封進(jìn)行試 驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照API 682—2014要求進(jìn)行。機(jī)械密封高溫試驗(yàn)臺現(xiàn)場試驗(yàn)照片如圖5所示。

靜態(tài)試驗(yàn)時(shí),將兩套SAFV1/210—ET4—A2機(jī)械密封按照試驗(yàn)裝配圖裝入試驗(yàn)工裝并架上高速機(jī)械密封試驗(yàn)臺,連接管路,打開機(jī)械密封控制系統(tǒng)軟件,將模擬密封腔中充滿試驗(yàn)介質(zhì)(水),調(diào)整試驗(yàn)壓力至規(guī)定值 (4.3MPa)后,關(guān)閉進(jìn)出水閥,保壓時(shí)間15min,記錄壓力與泄漏量。運(yùn)行試驗(yàn)時(shí),延續(xù)靜態(tài)試驗(yàn)過程,打開進(jìn)出水閥,下調(diào)試驗(yàn)壓力至0.2 MPa,檢查啟動(dòng)扭矩有無異常,打開高速電機(jī)風(fēng)冷機(jī),增速器油浴潤滑,檢查油溫、油壓,打開機(jī)械密封控制系統(tǒng)軟件,設(shè)定升降速均為30 r/s,逐步將轉(zhuǎn)速提升至4711 r/min,在此期間觀察振動(dòng)有無異常;緩慢調(diào)節(jié)試驗(yàn)壓力至工作壓力(4.3 MPa),在此期間觀察振動(dòng)有無異常;連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100 h,每小時(shí)記錄一次試驗(yàn)壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、泄漏量,泄壓、降轉(zhuǎn)速至停車。 試驗(yàn)過程介質(zhì)溫度的變化規(guī)律如圖6所示。

如圖6所示,機(jī)械密封在試驗(yàn)過程中介質(zhì)溫度始終處于50℃以下,滿足實(shí)際工況需求。不同規(guī)格的機(jī)械密封測試結(jié)果也表明,試驗(yàn)臺連續(xù)運(yùn)行平穩(wěn),介質(zhì)溫度控制和壓力控制達(dá)到了預(yù)期要求,并且機(jī)械密封在6000 r/min及以下時(shí)未發(fā)生泄漏現(xiàn)象,可滿足高速高溫機(jī)械密封測試的需求。

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的高溫高速機(jī)械密封測試平臺主要由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成,可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié),滿足大直徑、高線速度的機(jī)械密封測試需求?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明,機(jī)械密封轉(zhuǎn)速精度達(dá)到±3 r/min,試驗(yàn)介質(zhì)壓力精度在試驗(yàn)壓力的±3%,試驗(yàn)介質(zhì)溫度精度在±2℃,運(yùn)行過程始終無任何泄漏,機(jī)械密封溫度始終低于50℃,可避免高溫對機(jī)械密封的破壞,滿足API682—2014和GB/T14211—2019對機(jī)械密封的認(rèn)證試驗(yàn)要求,填補(bǔ)了國內(nèi)大直徑、高線速度機(jī)械密封高溫高速試驗(yàn)的空白。

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2024年第22期第12篇