賈宇寧 李雙喜 張敬博 宋玉鵬

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 北京 100029)

靜壓式干氣密封是一種新型的密封形式，其通過(guò)氣體靜壓效應(yīng)在密封環(huán)兩端面間形成氣膜，使密封端面相互分離，氣體將腔體內(nèi)介質(zhì)與大氣環(huán)境隔離，從而達(dá)到密封的效果。相較于傳統(tǒng)動(dòng)壓式干氣密封而言，靜壓式干氣密封可以實(shí)現(xiàn)高開(kāi)啟力、高剛度、低泄漏率等效果。溫度是影響密封性能的主要因素之一[1]，密封在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，密封環(huán)端面會(huì)產(chǎn)生一定熱量，密封環(huán)異常的溫度變化會(huì)直接影響密封工作狀態(tài)。同時(shí)，由于裝配時(shí)存在軸不對(duì)中等問(wèn)題，密封環(huán)在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生碰磨。當(dāng)密封環(huán)發(fā)生碰磨時(shí)，密封環(huán)相互接觸摩擦，密封環(huán)熱量會(huì)急劇增加。如果通過(guò)溫度場(chǎng)能判斷密封的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，則可以在密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)快速地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而快速地進(jìn)行處理，避免密封的損壞。

SAMANT等[2]使用Ansys軟件對(duì)機(jī)械密封環(huán)進(jìn)行了熱-固耦合分析，得到殘余應(yīng)力引起的平面度偏差。LAI等[3]和YOUNG等[4]通過(guò)建立機(jī)械密封耦合模型，預(yù)測(cè)密封環(huán)變形、溫度、泄漏量和端面液膜厚度。朱學(xué)明等[5]通過(guò)分析機(jī)械密封環(huán)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，提出了2種解決辦法，通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)接觸耦合法更符合工程實(shí)際。THOMAS等[6]利用數(shù)值模擬的方法，針對(duì)熱彈性流體非接觸機(jī)械密封，建立了二維流固熱耦合數(shù)值模型，研究了端面變形對(duì)間隙幾何形狀和密封性能的影響。LUAN和KHONSARI[7]對(duì)機(jī)械密封湍流耦合進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了動(dòng)靜環(huán)接觸面的產(chǎn)熱、內(nèi)部導(dǎo)熱以及外部對(duì)流傳熱，計(jì)算了密封環(huán)外的對(duì)流換熱系數(shù)。BRUNETIRE和MODOLO[8]利用CFD對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)壓機(jī)械密封進(jìn)行了數(shù)值分析，通過(guò)一系列模擬找到了流體與材料熱傳導(dǎo)的比值，從而找到了固體溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。魏琳宗[9]利用Ansys軟件，分析了密封間隙的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，以及密封環(huán)的熱變形和彈性變形，通過(guò)相互迭代，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械密封流-固-熱耦合分析。陳志、劉偉等人[10-11]通過(guò)數(shù)值分析的方式，分析了動(dòng)壓干氣密封的溫度場(chǎng)，從而為動(dòng)壓干氣密封研究提供了一定理論依據(jù)。鄭建科[12]和朱維兵等[13-14]利用Ansys軟件，針對(duì)多種工況下的靜壓式干氣密封進(jìn)行了端面溫度場(chǎng)分析及變形分析。WANG等[15]通過(guò)耦合傳熱法，模擬了動(dòng)壓密封環(huán)的非等溫流場(chǎng)，對(duì)氦氣干氣密封與空氣干氣密封熱流體力學(xué)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和比較。BLASIAK等[16]通過(guò)解析法求解熱方程，基于第一類和第二類貝塞爾函數(shù)，定義密封圈溫度分布和液膜之間的關(guān)系，確定了操作參數(shù)對(duì)溫度變異性的影響。HUANG等[17]通過(guò)建立流場(chǎng)與密封組件的數(shù)值模型，利用耦合迭代的方法建立了在線數(shù)值TSFI模型，通過(guò)試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了模型有效性，分析了密封力學(xué)變形、熱變形和溫度場(chǎng)。隨后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了研究結(jié)果。陸俊杰等[18]利用試驗(yàn)的方法，通過(guò)LabVIEW對(duì)密封端面編寫程序，通過(guò)相符的傳感器和測(cè)試技術(shù)，測(cè)量了干氣密封端面的溫度。NELSON[19]通過(guò)有限元方法，分析了動(dòng)壓密封環(huán)的摩擦學(xué)行為，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

前人針對(duì)機(jī)械密封或動(dòng)壓密封溫度和熱變形相關(guān)性能進(jìn)行過(guò)很多研究，但針對(duì)靜壓式干氣密封溫度場(chǎng)對(duì)密封性能的影響研究，以及靜壓密封在異常摩擦狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分析較為欠缺。通過(guò)溫度場(chǎng)判定密封運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)研究，也尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。本文作者首先通過(guò)數(shù)值模擬的方式，分析了靜壓式干氣密封溫度場(chǎng)在不同膜厚、不同轉(zhuǎn)速以及不同腔內(nèi)環(huán)境下的變化規(guī)律；然后分析了靜壓式干氣密封溫度場(chǎng)對(duì)密封性能的影響，最后通過(guò)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，并創(chuàng)新性地提出基于溫度的密封環(huán)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法?；跍囟葓?chǎng)判斷密封運(yùn)行狀態(tài)，可以更快速地判別密封是否運(yùn)行在異常接觸條件下，從而快速提出應(yīng)對(duì)措施，減少了因密封失效而造成的損失。該研究為密封環(huán)溫度場(chǎng)分布與密封工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新的思路和方法。

1 靜壓式干氣密封結(jié)構(gòu)和原理

靜壓式干氣密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。密封外壓為腔內(nèi)壓力，密封內(nèi)壓為大氣壓。當(dāng)密封工作時(shí)，壓力為ps的調(diào)控氣進(jìn)入密封，先在靜環(huán)上部端面與彈簧共同組成閉合力。隨后氣體繼續(xù)向下，通過(guò)一定數(shù)量、均勻分布且直徑相同的節(jié)流孔后進(jìn)入密封端面，利用靜壓效應(yīng)在端面形成開(kāi)啟力。由于開(kāi)啟力在密封端面未開(kāi)啟前大于閉合力，故兩密封端面在氣體的作用下實(shí)現(xiàn)分離。開(kāi)啟力隨著密封膜厚的增加而減少，開(kāi)啟力最終與閉合力平衡，密封環(huán)端面間形成一層微米級(jí)的穩(wěn)定氣膜，如圖2(a)所示。但當(dāng)密封運(yùn)轉(zhuǎn)異常時(shí)，如密封氣壓分布不均或小孔發(fā)生堵塞等原因，則會(huì)造成密封端面氣膜剛度不足，致使密封端面氣膜分布不均，發(fā)生密封環(huán)接觸等事故，如圖2(b)所示。

圖1 靜壓式干氣密封結(jié)構(gòu)

圖2 靜壓式干氣密封運(yùn)行工況狀態(tài)

2 密封溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.1 計(jì)算假設(shè)

由于靜壓型干氣密封邊界條件較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行以下合理假設(shè)：

(1)假設(shè)溫度場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，即達(dá)到穩(wěn)定后密封動(dòng)靜環(huán)溫度不隨時(shí)間變化；

(2)假設(shè)密封動(dòng)靜環(huán)端面熱流密度均勻分布；

(3)密封環(huán)材料性質(zhì)受溫度影響較小，因此可以假設(shè)密封動(dòng)靜環(huán)材料性質(zhì)不隨溫度變化。

基于以上假設(shè)，正常工況條件下密封環(huán)熱量主要來(lái)源于動(dòng)靜環(huán)端面間氣膜產(chǎn)生的黏性剪切熱Qv，異常接觸工況條件下密封環(huán)熱量主要來(lái)源于動(dòng)靜環(huán)端面間的摩擦熱Qb。此外在2種工況下，熱量來(lái)源還包括輔助密封O形圈的摩擦熱以及彈簧的振動(dòng)熱等，但是這部分熱量很小，計(jì)算時(shí)可以忽略。熱量耗散包括動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣的強(qiáng)制對(duì)流換熱QA1、QA2，靜環(huán)與空氣的弱對(duì)流換熱QB，靜環(huán)傳遞給靜環(huán)座的熱量QC，流體膜帶走的熱量QD1、QD2，動(dòng)環(huán)傳遞給動(dòng)環(huán)座的熱量QE。根據(jù)靜壓式干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖，靜壓式干氣密封熱邊界條件如圖3和表1所示。

圖3 靜壓式干氣密封熱邊界示意

表1 靜壓式干氣密封熱邊界條件

正常工況熱平衡公式如式(1)所示，異常接觸工況熱平衡公式如式(2)所示。

Qv=QA+QB+QC+QD1+QD2+QE

(1)

Qb=QA+QB+QC+QD1+QD2+QE

(2)

由于密封內(nèi)外徑處泄漏量為10-5g/s量級(jí)，泄漏量較少，因此介質(zhì)帶走的熱量可以忽略。靜環(huán)傳遞給靜環(huán)座的熱量和動(dòng)環(huán)傳遞給動(dòng)環(huán)座的熱量相較于其他熱量較少，均可忽略。忽略小量后，正常工況熱平衡公式如式(3)所示，異常接觸工況熱平衡公式如式(4)所示。

Qv=QA+QB

(3)

Qb=QA+QB

(4)

2.2 黏性剪切熱計(jì)算

根據(jù)前文所述，靜壓式干氣密封在正常工況條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主要熱量來(lái)源于密封端面氣膜所產(chǎn)生的黏性剪切熱Qv，其通過(guò)解析法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[21],黏性剪切熱的計(jì)算公式為

Qv1=qv×Af

(5)

由于動(dòng)靜環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，所以熱流密度在2個(gè)環(huán)上分配不同，因此需對(duì)動(dòng)靜環(huán)進(jìn)行熱量分配計(jì)算。

2.3 密封環(huán)熱量分配

根據(jù)文獻(xiàn)[21],密封環(huán)熱量分配采用熱穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式為

(6)

式中：h1為密封環(huán)軸向厚度，mm；y為距離端面的距離，mm；λ為密封環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

由于兩密封環(huán)材料相同，且端面處兩環(huán)溫度相同，因此當(dāng)y=0時(shí)，可得：

(7)

式中：qr、hr為動(dòng)環(huán)系數(shù)；qs、hs為靜環(huán)系數(shù)。

因此可得動(dòng)靜環(huán)熱流密度分別為

(8)

2.4 摩擦熱計(jì)算

根據(jù)前文所述，靜壓式干氣密封在接觸工況條件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主要熱量來(lái)源于密封端面的摩擦熱Qb，其通過(guò)解析法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

Qb=qv×f×pcr×n

(9)

2.5 對(duì)流換熱計(jì)算

根據(jù)流體物性及流動(dòng)的形式，對(duì)不同的對(duì)流換熱邊界采用不同公式計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)。其中，動(dòng)環(huán)與空氣的對(duì)流換熱由于旋轉(zhuǎn)流和軸向流的雙重作用，因此計(jì)算公式按式(10)。在密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，靜環(huán)保持靜止?fàn)顟B(tài)，因此靜環(huán)與空氣流動(dòng)不存在旋轉(zhuǎn)流，為自然對(duì)流，計(jì)算公式按式(11)。

(10)

(11)

式中：λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d0為動(dòng)環(huán)外直徑，mm；Ree為密封介質(zhì)旋轉(zhuǎn)攪拌影響的雷諾數(shù)；Ref為橫向熱流影響的雷諾數(shù)；Pr為普朗特常數(shù)；Ta為泰勒數(shù)；Ss為密封環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸之間的間隙。

3 密封溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

利用上述邊界條件對(duì)靜壓式干氣密封進(jìn)行計(jì)算。密封結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)、相關(guān)材料屬性及密封介質(zhì)物性參數(shù)如表2—4所示。

表2 靜壓式干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)

表3 靜壓式干氣密封環(huán)材料屬性

表4 靜壓式干氣密封介質(zhì)物性參數(shù)

基于上述條件計(jì)算的溫度云圖和密封環(huán)端面溫度細(xì)節(jié)圖分別如圖4、5所示?？梢?jiàn)，密封環(huán)最高溫度位置位于密封環(huán)端面處，兩密封環(huán)端面處溫度基本一致。因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，以下均以兩密封環(huán)端面處最高溫度為研究對(duì)象。

圖4 密封環(huán)溫度云圖

圖5 密封環(huán)端面溫度細(xì)節(jié)圖

3.1 不同轉(zhuǎn)速對(duì)端面溫度的影響

3.1.1 正常工況

根據(jù)密封運(yùn)轉(zhuǎn)工況，在不同膜厚下對(duì)密封環(huán)在不同轉(zhuǎn)速下的溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同膜厚下轉(zhuǎn)速對(duì)密封環(huán)端面溫度的影響

隨著轉(zhuǎn)速的增加，密封環(huán)端面溫度逐漸升高。由于密封環(huán)的主要熱量來(lái)源——黏性剪切熱與轉(zhuǎn)速呈二次方正相關(guān)，而密封環(huán)散熱主要的影響因素——對(duì)流換熱的系數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系較小。因此在高轉(zhuǎn)速條件下，溫升會(huì)更快，密封環(huán)端面溫度更高。但是高轉(zhuǎn)速條件下，密封環(huán)附近的對(duì)流換熱系數(shù)也隨之增加，散熱性能更好，因此密封環(huán)端面并沒(méi)有產(chǎn)生較大溫升，而是保持在一定的范圍內(nèi)。

3.1.2 異常接觸工況

異常接觸工況下，由于端面間不存在氣膜，表4所列空氣的物性參數(shù)將不再適用。由于端面間摩擦產(chǎn)生的摩擦熱將比黏性剪切熱更多，因此，密封環(huán)端面溫升更加明顯。根據(jù)密封運(yùn)轉(zhuǎn)工況，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下異常工況的密封環(huán)溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬。異常接觸工況與正常工況密封環(huán)端面溫度對(duì)比如圖7所示。

圖7 異常接觸工況與正常工況密封環(huán)溫度的對(duì)比

由圖7可見(jiàn)，在正常工況下密封環(huán)的溫升比接觸工況下的溫升高得多，異常工況條件下密封環(huán)溫升幅度甚至達(dá)到600 ℃以上。由于異常接觸工況與正常工況熱量產(chǎn)生方式有所不同，因此產(chǎn)生的熱量也不相同。兩環(huán)接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱遠(yuǎn)大于兩環(huán)正常工作時(shí)產(chǎn)生的黏性剪切熱，而密封環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)外界散熱的對(duì)流換熱幾乎保持不變。因此密封環(huán)端面會(huì)產(chǎn)生更多熱量，溫度也會(huì)急劇增長(zhǎng)。

3.2 不同膜厚對(duì)端面溫度的影響

根據(jù)密封運(yùn)轉(zhuǎn)工況，對(duì)正常工況條件下，不同膜厚的密封環(huán)溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬。不同膜厚對(duì)密封環(huán)端面溫度的影響趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下膜厚對(duì)密封環(huán)端面溫度的影響

隨著膜厚的增加，密封環(huán)溫度逐漸減少。由于密封環(huán)主要熱量來(lái)源——?dú)饽ゐば约羟袩崤c氣膜厚度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，隨著氣膜厚度的增加，密封環(huán)所產(chǎn)生的熱量會(huì)相對(duì)較小，而密封環(huán)散熱主要的影響因素——對(duì)流換熱系數(shù)不受氣膜厚度影響，因此溫升會(huì)相對(duì)較小。

由于在相同的其他工況條件下，進(jìn)氣壓力越大，膜厚越小，因此該規(guī)律也可以進(jìn)一步引申為進(jìn)氣壓力對(duì)于密封環(huán)端面溫度的影響：隨著進(jìn)氣壓力的增加，密封環(huán)溫度逐漸減少。

3.3 不同腔內(nèi)溫度對(duì)端面溫度的影響

密封實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，腔內(nèi)介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的溫度。根據(jù)實(shí)際密封運(yùn)轉(zhuǎn)工況，對(duì)不同腔內(nèi)溫度情況下的密封環(huán)溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別分析了正常工況和異常接觸工況下不同腔內(nèi)溫度對(duì)密封環(huán)溫度的影響，結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下腔內(nèi)溫度對(duì)端面溫升的影響(正常工況)

圖10 不同轉(zhuǎn)速下腔內(nèi)溫度對(duì)端面溫升的影響(異常接觸工況)

腔內(nèi)溫度的上升，即密封環(huán)所處環(huán)境溫度上升。當(dāng)密封環(huán)在更高溫環(huán)境下運(yùn)行，端面必然會(huì)產(chǎn)生更高的溫度，因此這里討論腔內(nèi)溫度與密封環(huán)端面溫度之間的差值更為合理。隨著腔內(nèi)溫度的增加，正常工況下密封環(huán)端面溫度受腔內(nèi)溫度影響較小，其與腔內(nèi)溫度的溫差平穩(wěn)上升。而異常接觸工況受腔內(nèi)溫度影響較大。雖然密封環(huán)端面與腔內(nèi)溫差呈明顯下降趨勢(shì)，但溫升數(shù)值仍明顯大于正常工況。正常工況條件下，空氣在不同腔內(nèi)溫度條件下，物性有一定的差距，但相差不大，因此會(huì)產(chǎn)生較小的升溫幅度。而異常接觸工況條件下，熱量產(chǎn)生的主要來(lái)源為摩擦熱，隨著腔內(nèi)溫度的增加，腔內(nèi)溫度也通過(guò)與密封環(huán)其他面的接觸，間接影響密封環(huán)端面溫度。隨著溫度的升高，腔內(nèi)熱源的影響逐漸變小，因此與腔內(nèi)的溫差逐漸減少。但是即便異常工況條件下溫差逐漸減小，相較于正常工況依舊會(huì)產(chǎn)生較大的溫升。

3.4 不同腔內(nèi)壓力對(duì)端面溫度的影響

密封運(yùn)行過(guò)程中，腔內(nèi)介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的壓力，腔內(nèi)壓力對(duì)于密封環(huán)溫度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)實(shí)際密封運(yùn)轉(zhuǎn)工況，分別在不同腔內(nèi)壓力條件下，對(duì)正常工況和異常接觸工況條件下的密封環(huán)溫度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

隨著腔內(nèi)壓力的增加，正常工況與異常接觸工況下的密封環(huán)端面溫度均有不同程度的下降，但下降趨勢(shì)都并不明顯。在不同壓力條件下，空氣物性會(huì)有一定差距，傳熱系數(shù)會(huì)逐漸增加，傳熱效率提高，因此密封環(huán)端面溫度下降。正常工況條件下，由于端面間氣膜的存在，隨著空氣壓力的增加，傳熱系數(shù)逐漸增加，但增幅不大，所以密封環(huán)溫度不會(huì)有很明顯的下降。而異常接觸工況主要生熱來(lái)源為摩擦熱，摩擦熱主要受兩密封環(huán)旋轉(zhuǎn)影響，因此端面溫度受腔內(nèi)壓力影響不大。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下腔內(nèi)壓力對(duì)端面溫升的影響(正常工況)

圖12 不同轉(zhuǎn)速下腔內(nèi)壓力對(duì)端面溫升的影響(異常接觸工況)

4 密封環(huán)端面溫度對(duì)密封性能的影響

對(duì)于靜壓式干氣密封，密封的開(kāi)啟力、剛度，泄漏率是重要的性能指標(biāo)，而密封環(huán)端面溫度的變化對(duì)密封性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。文中針對(duì)相同膜厚、相同進(jìn)氣壓力和腔內(nèi)壓力工況，研究了不同密封環(huán)端面溫度對(duì)密封性能的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取進(jìn)氣壓力為0.4 MPa，腔內(nèi)壓力分別為0.2和0.3 MPa進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖13—15所示。

圖13 端面溫度對(duì)開(kāi)啟力的影響

圖14 端面溫度對(duì)泄漏量的影響

圖15 端面溫度對(duì)氣膜剛度的影響

可見(jiàn)，隨著端面溫度的逐漸升高，密封開(kāi)啟力緩慢上升，而泄漏量和氣膜剛度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于溫度對(duì)氣體性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此會(huì)對(duì)密封性能產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)密封環(huán)運(yùn)行環(huán)境的方法控制密封環(huán)端面溫度，從而使密封環(huán)發(fā)揮最優(yōu)密封性能。

5 密封運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

由于異常接觸狀態(tài)下，密封環(huán)端面溫度比正常工作條件下溫度高得多，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中可以使用溫度監(jiān)測(cè)的方法對(duì)密封環(huán)的接觸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證密封裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

目前針對(duì)密封裝置的溫度測(cè)量主要有2種方式，分別是接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫[20]。接觸式測(cè)溫主要是采用熱電偶或熱電阻等方式進(jìn)行測(cè)量，將熱電偶或熱電阻埋入密封靜環(huán)摩擦面一側(cè)，距離端面越近測(cè)量越準(zhǔn)確。但由于密封環(huán)兩端面間氣膜較小，無(wú)法將測(cè)溫元件貼在其表面進(jìn)行測(cè)溫，這是接觸式溫度測(cè)量方法的缺點(diǎn)。非接觸式溫度測(cè)量主要方式有聲波測(cè)溫與紅外成像測(cè)溫。聲波測(cè)溫主要是采取密封端面摩擦所產(chǎn)生的聲波，并經(jīng)過(guò)一定處理，得到密封面接觸的信息。但是由于靜壓密封為非接觸式密封，密封環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)幾乎不會(huì)接觸，且密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲較大，如何分辨聲波信息目前依舊是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。紅外成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)端面溫度的連續(xù)與實(shí)時(shí)測(cè)量，可以解決高速旋轉(zhuǎn)部件的表面測(cè)溫問(wèn)題。紅外熱成像儀設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，且測(cè)溫儀體積較小，可以隨時(shí)測(cè)量與傳輸溫度云圖，是目前比較新穎的測(cè)量方式，也是一種比較合適的測(cè)溫方式。

具體監(jiān)測(cè)方法為：通過(guò)在腔內(nèi)腔體上安裝紅外測(cè)溫元件，當(dāng)密封環(huán)溫度急劇上升且遠(yuǎn)大于腔內(nèi)溫度時(shí)，則可視為密封環(huán)損壞。隨后通過(guò)溫度變送器將溫度數(shù)據(jù)信號(hào)輸送到總控臺(tái)，并迅速報(bào)警。這種方法可以有效增加密封環(huán)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)效率，為實(shí)際工程的安全生產(chǎn)提供一定保障。

為驗(yàn)證可行性，文中搭建了相關(guān)試驗(yàn)裝置，如圖16所示，架設(shè)熱成像儀在固定位置，通過(guò)腔體的視窗進(jìn)行測(cè)溫?？紤]試驗(yàn)裝置實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)條件與時(shí)間成本等多方面因素，文中在不同轉(zhuǎn)速和壓力條件下，在運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)與運(yùn)轉(zhuǎn)第5 min時(shí)分別對(duì)密封環(huán)間的縫隙進(jìn)行溫度測(cè)量。這樣可以初步找到密封環(huán)溫度變化規(guī)律，也可以節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，提高效率。

圖16 試驗(yàn)裝置

在1 200 r/min轉(zhuǎn)速條件下，正常工況下試驗(yàn)測(cè)量的2組圖像如圖17所示，異常接觸工況試驗(yàn)測(cè)量的2組圖像如圖18所示?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)5 min的運(yùn)轉(zhuǎn)，正常工況下溫升幅度約12%，異常接觸工況下溫升幅度約為20%。

圖17 不同運(yùn)行時(shí)間時(shí)熱成像溫度對(duì)比(正常工況)

圖18 不同運(yùn)行時(shí)間熱成像溫度對(duì)比(異常接觸工況)

由于密封環(huán)氣膜溫度無(wú)法直接在運(yùn)行過(guò)程中測(cè)量，所以以兩環(huán)中間縫隙溫度為主要測(cè)量對(duì)象，此處溫度視為密封環(huán)端面溫度。由于試驗(yàn)環(huán)境溫度變化以及試驗(yàn)自身誤差，所以導(dǎo)致數(shù)據(jù)有一定誤差，誤差棒圖如圖19所示。為驗(yàn)證理論值的正確性，將正常工況試驗(yàn)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖20所示?？梢?jiàn)，試驗(yàn)值變化規(guī)律與模擬值規(guī)律基本保持一致。

圖19 密封環(huán)溫度變化(誤差棒圖)

圖20 密封環(huán)溫度變化理論值試驗(yàn)值對(duì)比

隨后，經(jīng)過(guò)多次在不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)氣壓力下的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。由于試驗(yàn)受到多種因素影響，所以密封環(huán)溫度略有差異，但誤差保持在合理范圍。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，密封環(huán)溫度試驗(yàn)值變化規(guī)律如圖21和圖22所示?？梢?jiàn)，正常工況條件下密封環(huán)溫升隨轉(zhuǎn)速逐漸升高，而異常接觸工況下升溫幅度明顯大于正常工況。

圖21 密封環(huán)溫度變化(異常工況和正常工況)

圖22 密封環(huán)溫度變化(正常工況)

根據(jù)模擬及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)際工程運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)密封環(huán)溫度升溫較慢，可視為密封環(huán)運(yùn)行在正常工況條件；相反，當(dāng)密封環(huán)溫度急劇增大時(shí)，可視為密封環(huán)運(yùn)行于異常接觸工況，密封環(huán)發(fā)生接觸摩擦。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫升的方法，可以更有效地判定密封環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)，更快速地發(fā)現(xiàn)密封環(huán)異常運(yùn)行狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1)對(duì)于靜壓式干氣密封而言，膜厚增加會(huì)使密封環(huán)端面溫度小幅下降，轉(zhuǎn)速增加會(huì)使密封環(huán)端面溫度大幅升高。

(2)密封環(huán)的溫度也會(huì)受到腔內(nèi)環(huán)境的影響，腔體壓力的升高會(huì)使密封端面溫度緩慢下降，腔體溫度的升高會(huì)使端面溫度緩慢上升。

(3)紅外測(cè)溫裝置體積較小，實(shí)時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，可應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控密封環(huán)溫度的方式，可以實(shí)現(xiàn)密封運(yùn)行狀態(tài)高效率監(jiān)控，提高了密封運(yùn)行的工程應(yīng)用效率。