一种高速密封试验台设计与验证

一种高速密封试验台设计与验证
孔令成; 李焱鑫; 唐超; 慕伟
【期刊名称】《《机械研究与应用》》
【年(卷),期】2019(032)005
【总页数】3页(P121-123)
【关键词】密封; 试验台; 高速
【作者】孔令成; 李焱鑫; 唐超; 慕伟
【作者单位】中国航空发动机集团航空发动机动力传输重点实验室辽宁沈阳110000
【正文语种】中文
【中图分类】TK402
0 引言
随着航空发动机技术的发展，各型密封装置的工作条件也愈发苛刻。

如某型发动机齿轮轴转速接近30 000 r/min，其轴端采用石墨密封装置进行封严，密封装置的摩擦线速度达80 m/s。

如此苛刻的工作环境要求密封装置不断改进，以提高其性能满足更高的使用工况，改进设计的密封装置或者新研制的密封装置都需要在试验台上开展性能及可靠性试验验证，为其在发动机上的使用提供依据。

随着密封技术的进步，对试验台的能力要求也进一步提升，现有的试验设备已经逐渐无法满足试验需求，迫切需要性能指标高、测试手段丰富、工作稳定可靠的试验设备。

在密封试验台的设计研究方面，国外的NASAGlenn Research Center研制出密
封试验台，工况条件可达到进气温度815 ℃，压力1.723 MPa，转速最高约45 000 r/min [1-3]，该研究主要针对高温高转速的气路密封试验。

国内研究方面，
一些高校和科研机构建设了一些密封试验设备[4-8]，但国内的试验设备普遍仅具
备一个较为突出的性能指标，很少具备对主轴转速，润滑系统、空气系统的温度、压力条件均能大范围模拟的试验设备，且国内的试验设备测试参数相对单一，缺乏对于试验台运行的监测手段。

笔者研究了一种高速密封试验台，该试验台能够模拟发动机高转速的工作环境，具备润滑系统、空气系统加温能力，能够模拟不同压力、温度条件下的轴承腔环境。

具备红外测温功能、扭矩测量功能、振动监测、流量测量等测试能力，具有操作简便、测试参数多样等特点。

1 试验台组成及原理
系统原理如图1所示。

图1 试验台系统原理图
高速密封试验台由机械系统、润滑系统、空气系统和电气系统四个系统构成。

试验器的机械系统部分由电主轴驱动，带动试验台主轴运转，提供密封试验件所需的工作转速。

润滑系统为机械系统提供润滑油，满足轴承以及密封试验件的冷却润滑需求。

空气系统为机械系统提供高温状态的压缩空气，模拟发动轴承腔环境。

电气系统控制各个系统协调运行，完成各个试验状态的调节。

2 试验台的设计
2.1 机械系统
高速密封试验台机械系统主要由电主轴、测扭器、联轴节和试验器主体等组成，结构如图2所示。

图2 高速密封试验台机械系统结构1.试验器主体 2.联轴器 3.测扭器 4.联轴器 5.电主轴
机械系统电主轴功率为30 kW，启动扭矩达到16 N·m，最高转速35 000 r/min，测扭器测量的扭矩范围为0～20 N·m。

在试验器主体设计过程中为保证轴承支点位置具备较高同轴度，同时考虑到引气密封的问题，减少漏气面，主体采用整体铸造的结构形式，即保证了安装精度又提高了密封性。

轴端处采用高性能油气密封环，密封环内部通入压缩空气，能够适应不同的轴承腔压力环境，密封可靠性高。

密封试验件转子采用悬臂的方式安装在轴端处，且尽量贴近支撑轴承安装，以提高试验件转、静子安装配合精度，在密封试验件转子附近安装红外温度传感器测量试验过程中密封试验件转子表面温度情况。

试验台主体结构如图3所示。

图3 试验台主体结构图
试验腔内部为高温、高转速环境，综合考虑结构和受载情况，选用FAG耐高温陶
瓷轴承作为试验台主体支点轴承。

考虑到轴承工作转速较高，在两处轴承安装位置设置四处温度传感器监测试验过程中轴承温度情况。

此外，在轴承安装位置设置加速度传感器监测试验台主体振动情况。

2.2 润滑系统
润滑系统由试验润滑系统、设备润滑系统和回油系统组成。

试验润滑系统为试验件提供不同温度、不同压力状态的润滑油，供油压力可达1.0 MPa，流量5 L/min，滑油最高可加温至150 ℃。

设备润滑系统为试验台主体支点轴承提供润滑油，供
油压力(0.1～0.5)MPa，供油流量最大25 L/min。

回油系统最大回油流量80
L/min，达到供油总流量3倍以上，保证了回油的畅通。

2.3 空气系统
空气系统为试验腔提供高温压缩空气，模拟发动机内部温度、压力环境。

空气系统由气源、过滤器、调节阀门、流量计等部分组成。

空气系统供气压力：常压～0.6 MPa，最大供气流量：0.12 kg/s，供气温度：室温～300 ℃。

2.4 电气系统
电气系统主要由控制部分和测试部分组成。

控制系统的核心单元可编程序控制器，用于控制润滑系统，机械系统和空气系统的运行。

并对系统中的温度、压力、流量、液位等进行控制和调节，满足试验使用要求。

同时完成系统的状态和数据管理，故障管理等。

测试系统包含数据采集系统和振动系统。

数据采集系统采集系统中的温度，压力，流量等信号，并在数采主机中完成数据的处理和存档。

振动系统用于分析试验台的振动状态，为试验台的安全运行提供保护。

同时，测试系统通过网络传输的方式将采集到的数据发送给控制系统，为系统的控制、连锁、报警等功能提供数据支持。

3 试验台调试与数据分析
试验台主体运转情况如图4所示，试验过程中主体运转平稳，最高运行转速为35 019 r/min。

系统振动最大值出现在主轴转速30 000 r/min附近，最大振动值为1.5 g。

主体支点轴承外圈温度随着主轴转速的升高略有上升，最高温度未超过25 ℃。

试验台主体运行良好。

试验润滑系统加温调试情况如图5所示，供油压力设定0.25 MPa，从加温开始至试验滑油温度达到150 ℃，加温用时8 min，最大超调9.4 ℃，超调至稳定状态用时7 min，稳定后的控制精度在±0.5 ℃以内，加温速率为15 ℃/min。

试验润滑系统整体工作稳定。

图4 试验台主体运转调试情况
图5 试验润滑加温调试情况
空气系统加温调试情况如图6所示，进气压力设定为0.2 MPa。

在该供气压力条件下，进气温度由常温升高至300 ℃，用时1 h 10 min。

图6 空气系统加温调试情况
安装机械密封试验件，分别在主体转速18 000 r/min，试验供油85 ℃和主体转
速27 000 r/min，试验供油115 ℃状态各运行1 h。

试验供油喷射到机械密封试验件转子外表面，模拟发动机实际供油环境。

试验过程测量机械密封试验件转子温度情况，如图7所示。

测量显示在主体转速18 000 r/min，试验供油85 ℃状态，试验件转子温度基本稳定在108 ℃。

在主体转速27 000 r/min，试验供油115 ℃状态，试验件转子温度基本稳定在138 ℃。

图7 机械密封试验件转子温度测量情况
高转速状态试验件转、静子间摩擦发热量增大，导致试验件转子温度升高。

两种试验状态试验件转子表面温度均比供油温度高约23 ℃，该温度为试验件转、静子间摩擦发热量引起的。

在试验过程中，机械密封试验件在初期磨合过程中，有少量滑油渗漏，渗漏量不超过5 mL，随着磨合的完成，进入试验状态后，试验件再无漏油情况发生。

4 结语
研制了一种高速密封试验台，该试验台具备性能参数高、测量手段丰富的特点。

试验台调试结果表明，性能指标满足设计要求，试验台整体运行稳定可靠，各系统参数测量准确，试验台各系统匹配良好。

该试验台的研制能够满足多种航空发动机轴承腔密封装置的性能及可靠性验证试验，对航空发动机密封技术的进步有重要的意义。

参考文献:
【相关文献】
[1] Proctor, M.P. and Delgado, I.R. Leakage and power loss test results for competing turbine engine seals[R],GT-2004-53935,Vienna, Austria,2004.
[2] Delgado, I.R. and Proctor, M.P. Continued Investigation of Leakage and Power Loss Test Results for Competing Turbine Engine Seals[R], AIAA-2006-4754,Sacramento,
US,2006.
[3] Proctor,M.P. Non-Contacting Finger Seals Static Performance Test Results at Ambient and High Temperatures[R].AIAA-2016-4921,Salt Lake City, US, 2016.
[4] 张志勇,李军,江生科.透平机械旋转密封试验台设计和数值验证[J].东方汽轮机, 2014(3):11-16.
[5] 王旭.流体静压型指尖密封的理论与试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.
[6] 叶小强.叶轮机械先进密封的研究[D].北京:北京化工大学,2006.
[7] 范宗敏,余陵,蔡文祥.高速高压间隙密封试验台设计方法研究与实践[J].流体机械,2018,46(3):52-55.
[8] 力宁，彭最花，贺玲，等.航空发动机高温高速密封试验台研制[J]. 润滑与密
封,2014,39(6):121-123.。