高温高速机械密封测试平台的设计与验证

0引言

机械密封是工业设备中常见的组件,用于防止流体或气体从旋转轴或其他运动部件周围的间隙泄漏。为了确保机械密封的可靠性和效率,制造商和研发部门经常使用机械密封测试试验台来进行各种性能测试和质量控制。机械密封测试试验台是一种用于测试和评估机械密封性能的专用设备,搭建适合的机械密封试验台是开发高质量机械密封的关键保障之一。

国外对于密封性能测试装置的探究起步较早,2005年,C. Rea^[1]设计了一套能够实时监测密封腔内温度和压力,并且可以定时检测泄漏情况的试验台。2011年,J. M. Darden等人^[2]通过调整阻尼刚度和转子动力学系数,对环形密封件与轴承流体油膜的相互作用进行了改良,从而提升了环形密封试验台的效能。2013年,G. Belforte等人^[3]开发了一种最高运行速度达300 mm/s的试验装置,该设备能够测试多种密封圈的摩擦力。国内对密封试验装置的研究虽然起步相对较晚,但发展迅速。2011年,高洪岩^[4]开发的新型机械密封试验台,其密封腔内径为139 mm,主要用于直径小于或等于90 mm的普通机械密封和新型非接触密封动密封性能试验。2016年,张庆孟^[5]研发了一套密封件性能检测系统,该系统能够自动化控制和检测试验流程,并实时记录和显示数据。2019年,孔令成等人^[6]设计了一套运行速度可达35 000 r/min的高速实验台,能满足航空发动机机械密封高速测试要求。2022年,刘杰等人^[7]设计了一套高速齿轮箱用机械密封测试系统,最高转速可达6 000 r/min,且运行过程无任何泄漏。

综上所述, 目前国内外密封试验装置多用于模拟高压、高转速密封工作场合,其密封形式多为径向密封,密封元件几何尺寸大都较小,且测试种类单一。而对于大尺寸多种类密封元件端面动密封性能试验测试及其密封试验装置国内外研究较少,密封试验装置设计还是以经验设计为主。本文针对我国1000 MW超超临界燃煤发电机组机械密封国产化需求,设计研制一台超超临界机组主锅炉给水泵机械密封性能测试装置,用于完成主锅炉给水泵机械密封件动密封性能测试分析,实现国产化替代。

1试验台的整体设计要求

为满足1 000 MW超超临界燃煤发电机组机械密封测试需求,高温高速机械密封测试试验台的设计技术参数如表1所示。

试验台最高可承受4.3 MPa的试验压力,最高转速可达6 000 r/min,机械密封直径为187 mm,为避免高温造成机械密封的失效,运行过程中始终保证机械密封的温度不超过50℃。

2试验台的组成

本文所设计的高温高速机械密封测试平台主要由机械系统、冷却系统和控制系统三部分组成。试验台的机械系统主要作用为带动主轴转动,为机械密封提供所需的工作转速。冷却系统主要保证机械密封在运行过程中温度始终处于50℃以下,防止高温造成机械密封失效。控制系统主要控制并采集机械密封运行过程中的温度、转速等参数,调节测试平台的转速、冷却介质的流量以及试验压力等。

2.1机械系统设计

高温高速机械密封测试平台的机械系统如图1所示,主要由电机、联轴器、增速箱、试验箱主体等组成。

机械系统的电主轴采用变频电机,考虑到机械密封初始启动扭矩较大以及满足增速器的启动扭矩要求,选择功率为90 kW,最高转速为3 000 r/min。为达到最高转速要求,选择增速比为0.5的增速箱,可将电主轴的速度提高至6000r/min。为防止增速箱的轴向窜动,采用人字形齿轮。同时,为了保证增速器齿轮箱处于较低的温度,采用外循环式润滑系统,增速箱的温度始终处于60℃以下。为保证密封腔在运行过程中有较好的同心度,主体采用焊接的形式连接在一起,并与变速箱的外壳采用螺栓连接。轴端处采用高性能油气密封件密封,运行前,向密封腔内通压缩空气以检测气密性。为了保证机械密封转子与定子的精度,轴端直径为166 mm,密封件转子采用悬臂的方式安装在轴端处,且尽量靠近支撑轴的位置进行安装,进一步保证机械密封的配合精度。为避免运行过程中流体对机械密封的轴向冲击,采用两套机械密封一起试验,平衡其冲击力。

2.2冷却系统设计

高温高速机械密封测试平台的冷却系统如图2所示,主要由储水罐、电磁流量阀、制冷机、高压型立式多级离心泵、压力表等组成。储水罐的体积为105m³,制冷机的名义制冷量为59 kW,立式增压泵的最大流量为2 m³/s。为进一步保证在天气较热环境下的制冷量,储水罐中安装有沉浸式冷凝器,进一步保证冷却介质的温度。

2.3控制系统设计

高温高速机械密封测试平台包括数据采集处理与监控等软硬件系统。硬件包括工控机、温度、压力 传感器、PLC及扩展模块、传感器输入电路、控制信号输出电路等;软件主要是计算机组态软件和PLC程序,主要控制液压油泵的启停、密封介质加载水泵的启停、各种控制阀的开关,实现电机自动调速,在线显示机封转数、机封温度、泄漏量、冷却水进出口水温、冷却水进出口压力等运行参数。控制系统如图3所示,操作界面如图4所示。

3试验台的调试与应用

高温高速机械密封测试平台设计制作完成后,选择规格分别为80、100、187 mm的机械密封进行试 验验证,试验过程严格按照API 682—2014要求进行。机械密封高温试验台现场试验照片如图5所示。

静态试验时,将两套SAFV1/210—ET4—A2机械密封按照试验装配图装入试验工装并架上高速机械密封试验台,连接管路,打开机械密封控制系统软件,将模拟密封腔中充满试验介质(水),调整试验压力至规定值 (4.3MPa)后,关闭进出水阀,保压时间15min,记录压力与泄漏量。运行试验时,延续静态试验过程,打开进出水阀,下调试验压力至0.2 MPa,检查启动扭矩有无异常,打开高速电机风冷机,增速器油浴润滑,检查油温、油压,打开机械密封控制系统软件,设定升降速均为30 r/s,逐步将转速提升至4711 r/min,在此期间观察振动有无异常;缓慢调节试验压力至工作压力(4.3 MPa),在此期间观察振动有无异常;连续运转100 h,每小时记录一次试验压力、温度、转速、泄漏量,泄压、降转速至停车。 试验过程介质温度的变化规律如图6所示。

如图6所示,机械密封在试验过程中介质温度始终处于50℃以下,满足实际工况需求。不同规格的机械密封测试结果也表明,试验台连续运行平稳,介质温度控制和压力控制达到了预期要求,并且机械密封在6000 r/min及以下时未发生泄漏现象,可满足高速高温机械密封测试的需求。

4结束语

本文设计的高温高速机械密封测试平台主要由机械系统、冷却系统和控制系统组成,可实现介质压力、转速等参数的自动调节,满足大直径、高线速度的机械密封测试需求。现场试验表明,机械密封转速精度达到±3 r/min,试验介质压力精度在试验压力的±3%,试验介质温度精度在±2℃,运行过程始终无任何泄漏,机械密封温度始终低于50℃,可避免高温对机械密封的破坏,满足API682—2014和GB/T14211—2019对机械密封的认证试验要求,填补了国内大直径、高线速度机械密封高温高速试验的空白。

[参考文献]

[1] REA C.Mechanicalseals—indefenseofthesealindus—try[J].world pumps,2005(464): 18—20.

[2] DARDEN JM,EARHARTEM.ModificationstoMarshall,sAnnularsealTest (MAsT)rigandfacilityforimproved rotordynamic coefficient testing of annular

sealsandfluidfilmbearings [C]//ANNAF 6thLiquid propulsion subcommittee Meeting,2011.

[3]BELFORTE G,BERTETTO A M,MAZZA L.Test rig forfrictionforcemeasurements inpneumaticcompo—nentsandseals[J].proceedingsoftheInstitution ofMechanicalEngineers,partJ.JournalofEngi—neeringTribology,2013,227(1):43—59.

[4]高洪岩.新型机械密封实验装置研发[D].青岛:中国石油大学(华东),2011.

[5]张庆孟.密封件性能试验装置检测系统的研究与开发[D].沈阳:东北大学,2017.

[6]孔令成,李焱鑫,唐超,等.一种高速密封试验台设计与验证[J].机械研究与应用,2019,32(5):121—123.

[7]刘杰,杨博峰,李香,等.高速齿轮箱用机械密封试验研究[J].液压气动与密封,2022,42(4):33—35.

2024年第22期第12篇