2005年5月潤(rùn)滑與密封May 2005第3期(總第169期)LUBRICATION ENGINEERINGNo. 3( serial No. 169)某水下熱動(dòng)力系統(tǒng)熱爆事故的潤(rùn)滑失效原因分析羅凱黨建軍王育才(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院西安710072)摘要:針對(duì)某水下熱動(dòng)力系統(tǒng)換速試驗(yàn)中多次出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)燃燒室頭部的熱爆事故,基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)以及數(shù)值計(jì)算的理論和方法,充分考慮了密封環(huán)節(jié)在整個(gè)系統(tǒng)中的工作環(huán)境變化,給出了一種關(guān)于旋轉(zhuǎn)密封失效原因的工程分析方法。得出以下主要結(jié)論:(1)緩慢的系統(tǒng)升速過程不會(huì)引起摩擦面處溫度的超調(diào),系統(tǒng)的安全性可以得到保證;(2)過快的系統(tǒng)升速過程會(huì)造成摩擦面處的溫度超調(diào),超調(diào)量隨換速過程的加快而增大,且較大幅度的溫度超調(diào)會(huì)造成潤(rùn)滑失效,從而引發(fā)熱爆事故。根據(jù)以上分析將系統(tǒng)過渡過程放慢,熱爆事故得以有效地避免,多次熱車試驗(yàn)證明了文中理+論和分析的正確性。分析方法和采取的措施已經(jīng)應(yīng)用于工程實(shí)踐。關(guān)鍵詞:潤(rùn)滑;旋轉(zhuǎn)密封;失效分析中圖分類號(hào):TH17.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0254-0150(2005)3-074-4Analysis on Lubrication Failure Reason of Explosion Incidentin Underwater Engine System TestsLuo Kai Dang Jianjun Wang YucaiCollege of Marine Engineering, Northwestem Polytechnical University, Xi'an 710072, China)Abstract: Aimed at the explosion incidents of rolling combustion chamber head happened in the rotating rate changitests of an underwater engine system, by considering the changing of work condition for the sealing subassembly, an engineering method for analyzing the reasons of rotating sealing failure was put forward based on hydrodynamics, principles ofheat transfer and numerical calculation method. Sosuch as. 1. slovprocess of engine system does not make the temperature of friction surface overshoot and the system can work in securi-ty. 2. Too fast rate increasing makes the temperature overshoot. The overshooting increases when the rotating increasingprocess is expedited. The big amplitude of temperature overshooting can make lubrication failure happen and make the explosion incident happened. The result of engineering practice shows when postponing the rotating increasing process basedclusionssion incident is avoidedKeywords: lubrication; rotating sealing; failure analysis旋轉(zhuǎn)燃燒室具有體積小、重量輕、燃燒效率高等旋轉(zhuǎn)燃燒室頭部霧化噴嘴前的液體燃料旋轉(zhuǎn)密封突出優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)役和在研的現(xiàn)代水下熱動(dòng)力系結(jié)構(gòu)如圖1所示。統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。使用該類燃燒室的一個(gè)關(guān)鍵技燃料通道內(nèi)的高壓燃料作用在硬質(zhì)合金靜環(huán)上,術(shù)是霧化噴嘴前高壓區(qū)燃料的旋轉(zhuǎn)密封問題。由于空靜環(huán)兩側(cè)承壓面積不同,于是產(chǎn)生壓緊力使得靜環(huán)和間小、介質(zhì)易燃、壓強(qiáng)高,其工作條件相當(dāng)惡劣。動(dòng)環(huán)緊密貼合,該壓緊力正某設(shè)備在使用旋轉(zhuǎn)燃燒室熱動(dòng)力系統(tǒng)的研制過程比例于通道內(nèi)的壓強(qiáng)。靜環(huán)MSSAS中,多次出現(xiàn)系統(tǒng)變速過程中燃燒室頭部熱爆的嚴(yán)重的冷卻由其周圍的液體燃料事故,成為了研制工作的最大障礙。本文作者從系統(tǒng)來完成,石墨動(dòng)環(huán)的冷卻則的角度,側(cè)重工程應(yīng)用,獲得了該事故發(fā)生時(shí)的外部主要靠其外側(cè)、右側(cè)冷卻水條件,將事故的發(fā)生點(diǎn)鎖定在了旋轉(zhuǎn)密封處,分析了道中的冷卻海水和內(nèi)側(cè)的燃此處潤(rùn)滑失效的原因。根據(jù)分析結(jié)論調(diào)整了系統(tǒng)的換料來完成速過程,消除了潤(rùn)滑失效的外部條件,成功地避免了該熱動(dòng)力系統(tǒng)使用高能熱爆事故的發(fā)生。1旋轉(zhuǎn)密封的工作條件的主中國(guó)煤化工燃料通道2.靜環(huán)所示CNMHG動(dòng)環(huán)4冷卻水道霧化噴嘴收稿日期:2004-04-27燃料的閃點(diǎn)、燃點(diǎn)和點(diǎn)火壓圖1密封結(jié)構(gòu)示意圖聯(lián)系人:羅凱,E-mail:Lucky@163.net2005年第3期羅凱等:某水下熱動(dòng)力系統(tǒng)熱爆事故的潤(rùn)滑失效原因分析75強(qiáng)都不高,存在液體狀態(tài)下著火爆炸的可能性。密封間隙,t為時(shí)間。表10TTO2的特性上式左側(cè)兩項(xiàng)分別為q和r方向的壓差流動(dòng),右動(dòng)力粘度/(Pa8)0.004402側(cè)為楔效應(yīng)和擠壓效應(yīng)。比熱容/(kkg2K-)1.884燃點(diǎn)/K求解這個(gè)非穩(wěn)態(tài)偏微分方程的解析解是不容易表面張力/(N·m2)0.0345最小點(diǎn)火壓強(qiáng)/Ma0.8的,而且還需要流體介質(zhì)的諸多性質(zhì)參數(shù),諸如粘度該旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定工作范圍取決于系統(tǒng)的工溫度特性、熱膨脹特性、熱效壓力等。由于液體燃料況變動(dòng)范圍,其最高轉(zhuǎn)速為200 r/min,最高壓強(qiáng)為不是常用的油液,獲得這些參數(shù)要做大量的工作,所30 MPa以這些理論不容易操作。無論是高速制狀態(tài)(轉(zhuǎn)速高、壓強(qiáng)高)抑或是在機(jī)械密封的工程實(shí)踐中,常常僅需考慮流體摩低速制狀態(tài)(轉(zhuǎn)速低、壓強(qiáng)低),只要是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,擦與固體摩擦相結(jié)合的混合摩擦情況,這種處理方法系統(tǒng)均是安全的。然而,在系統(tǒng)變速過程中卻多次發(fā)可滿足工程需要,實(shí)踐證明是可行的生了熱爆事故,暗示著事故的發(fā)生與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程由于F,小于F,其不足部分應(yīng)由固體壁面的直有關(guān)。接接觸來承載,定義固體壁面的直接接觸力為F,改造前系統(tǒng)的變速過程則很快,其高壓區(qū)壓強(qiáng)的時(shí)間F=F-F(4)變化過渡過程如圖2所示由于動(dòng)環(huán)為內(nèi)外直徑差很小的窄環(huán),可以用環(huán)平(關(guān)于此問題的詳細(xì)論述見文均直徑處的運(yùn)動(dòng)線速度描述整個(gè)環(huán)的線速度,根據(jù)動(dòng)獻(xiàn)[1]),在此僅指出,該壓靜兩環(huán)的材質(zhì)和表面加工精度,可以估計(jì)純固體摩擦強(qiáng)超調(diào)隨換速過程的加快而的摩擦因數(shù)∫,所以此處混合摩擦的摩擦損耗功率N增大。本文作者認(rèn)為爆炸點(diǎn)為在旋轉(zhuǎn)密封處,以下從工程應(yīng)用的角度對(duì)此問題進(jìn)行分圖2壓強(qiáng)時(shí)間曲線N=F后u(5)析式中:a為動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度。2摩擦功率損耗分析對(duì)于此處的流體摩擦部分,可以將問題簡(jiǎn)化為自鑒于此處的密封結(jié)構(gòu),設(shè)動(dòng)、靜兩環(huán)的貼合面為燃料通道向外界流動(dòng)的純壓差流以及動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)引起平行平面,則該處液壓支承的液壓反力F,為2:純剪切流純壓差流部分的泄漏量即可認(rèn)為是整個(gè)密封處的F,=2m0m)(泄漏量。由于環(huán)內(nèi)外徑相差較小,可認(rèn)為密封寬度為式中:P為燃料通道壓強(qiáng),r1和r2分別為動(dòng)環(huán)的內(nèi)、丌(n+r2),密封長(zhǎng)度為n2-n,于是泄漏量q為外半徑。)8而該密封結(jié)構(gòu)處的負(fù)載力F1為9=n(+(6)F,=T(r-p純壓差流部分的摩擦損耗功率N。為:經(jīng)計(jì)算可知,F,僅為F的一半左右,所以此處N(7)的摩擦狀態(tài)應(yīng)為半液體摩擦,這符合通常的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。半液體摩擦的特性表現(xiàn)為流體摩擦和邊界摩擦的對(duì)于純剪切流部分,以環(huán)平均直徑處的運(yùn)動(dòng)線速混合,在載荷過大時(shí)還可能導(dǎo)致吸附膜破裂而產(chǎn)生固度描述整個(gè)環(huán)的線速度,可得純剪切流部分的摩擦損體直接接觸的固體摩擦。對(duì)于這類問題的研究還不夠耗功率N為充分,假設(shè)和理論也比較多,其中基于格魯別也夫的(r1+n2)(r2-r1)(8)熱流體動(dòng)力楔理論比較合理。流體動(dòng)壓楔效應(yīng)可由N雷諾方程反映,使用柱坐標(biāo)來描述,有:根據(jù)計(jì)算,N比N,高兩個(gè)數(shù)量級(jí),而N比N1/B2亞)0高一個(gè)數(shù)量級(jí),泄漏量甚微?？梢姽腆w摩擦占據(jù)了摩擦副為中國(guó)煤化工關(guān)于流體摩擦的分rUa(∞6),,0(6)(3)析是氣CNMHG量所占份額很小而不會(huì)造成過大的分析誤差。同時(shí),由于泄漏量太小,式中:p為燃料的密度,μ為燃料的動(dòng)力粘度,δ為無法有效地帶走損耗功率,所以該發(fā)熱量主要通過76閏滑與密封總第169期個(gè)環(huán)散發(fā)到周圍的冷卻介質(zhì)之中。對(duì)應(yīng)初始低速制狀態(tài),直線4則對(duì)應(yīng)終了高速制狀3摩擦溫升分析態(tài)。圖3中為過余溫度,穩(wěn)態(tài)情況下僅是位置的函假設(shè)摩擦面處存在一個(gè)熱源,其發(fā)熱功率約為數(shù),而坐標(biāo)x的原點(diǎn)建立在摩擦面處,方向指向冷卻N,結(jié)合式(1)、(2)、(4)、(5),可得到表面,兩個(gè)環(huán)的坐標(biāo)方向相反。N,=ym"2{-如果系統(tǒng)的變速過程比傳2n(n2/r1)熱過程緩慢,即其燃料通道壓該熱源的發(fā)熱功率正比例于燃料通道的壓強(qiáng)和系強(qiáng)和轉(zhuǎn)速的變化都較慢,根據(jù)統(tǒng)轉(zhuǎn)速之積式(9)可知其摩擦面處的熱設(shè)通過靜環(huán)導(dǎo)出的熱流量為Q,通過動(dòng)環(huán)導(dǎo)出源發(fā)熱功率的增長(zhǎng)也較慢,于的熱流量為Qn,則存在關(guān)系:是可用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程來描述過余N,=Q+Q(10)溫度的變化過程。隨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)設(shè)滿足連續(xù)性條件,這一假設(shè)是合理的,這個(gè)假設(shè)將過余溫度從直線1開始,經(jīng)過圖3過余遇度時(shí)間線成為該傳熱問題的定解條件之直線2、3等一系列過程,最終到達(dá)直線4所描述的穩(wěn)為了揭示問題的本質(zhì),將此三維傳熱問題簡(jiǎn)化為態(tài)過程。該慢速過渡過程的特征是摩擦面處的過余溫沿兩環(huán)軸向方向的一維傳熱問題,根據(jù)傅立葉定律,度不發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象,所以如果燃料介質(zhì)在高速穩(wěn)態(tài)下可以得到兩環(huán)的傳熱量。在穩(wěn)態(tài)情況下,摩擦面處的不發(fā)生汽化或點(diǎn)燃,則在此慢速過渡過程中也不會(huì)出熱源發(fā)熱量為常數(shù),兩環(huán)的溫度分布也不再隨時(shí)間而現(xiàn)潤(rùn)滑失效的現(xiàn)象。變化,熱源的發(fā)熱量全部傳遞給了冷卻液,所以沿導(dǎo)而如果系統(tǒng)的變速過程很快,即如圖2所描述的熱方向的溫度梯度必為常數(shù)。定義過余溫度θ。為環(huán)情形,則其摩擦面處的熱源發(fā)熱功率增長(zhǎng)很快,且還的溫度與周圍冷卻液溫度之差,于是得到關(guān)系:存在相當(dāng)量值的超調(diào)。對(duì)于該非穩(wěn)態(tài)傳熱問題,應(yīng)使Q.=A.k,60用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程來描述,對(duì)于任意一個(gè)環(huán),Q。=Ankn(12)均有關(guān)系式中:A,、A分別為靜、動(dòng)環(huán)傳熱通道的截面積,66(x,t)a26(x,t)(0≤x≤L,t>0)(17)為摩擦面處的過余溫度,而兩環(huán)的傳熱系數(shù)k,、k分別為:式中:a為熱擴(kuò)散率,且有:A/(pc)a(13)c為環(huán)材質(zhì)的比熱容。而式(17)的定解條件應(yīng)為以下三式(14)(x,0)=6(0,0)0(L,0)-6(0,0)(19)式中:λ,、λ。分別為靜、動(dòng)環(huán)材料的導(dǎo)熱系數(shù),L、L分別為靜、動(dòng)環(huán)材料的軸向尺寸,a,、an分別為9(t)=-A9(x,l)靜、動(dòng)環(huán)與冷卻液之間的對(duì)流換熱系數(shù)。由于冷卻液的流動(dòng)速度很高、紊流程度很強(qiáng),可以認(rèn)為a、anae(L, t)=-h為常數(shù),所以兩環(huán)的k,、k也是常數(shù)。式(19)為初始條件,即為圖3中直線1所描述以摩擦面積作為環(huán)傳熱通道的截面積,考慮式的環(huán)內(nèi)過余溫度分布;式(20)為摩擦面處的邊界(10),得到關(guān)系q=(k,+kn)6(15)條件,其中熱流密度q()應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的壓強(qiáng)、轉(zhuǎn)速式中:q為熱流密度,且有:過渡過程以及式(9)來確定,應(yīng)當(dāng)注意此處的熱流9=N/A,=q(16)密度是導(dǎo)入某一環(huán)的熱流密度,與式(15)中的qq、qn分別為通過靜、動(dòng)環(huán)的導(dǎo)熱量。不同,它對(duì)應(yīng)的是q或qn;而式(21)為冷卻表面處的邊界條件,由于冷卻液流量很大,此處可以假設(shè)中國(guó)煤化工過程的初始狀態(tài)(低速制)和終了狀態(tài)(高速制),CNMHG問題,如果是第三類兩環(huán)沿軸向的過余溫度分布如圖3所示,圖中直線1邊界條件,常用分離變量方法求得解析解,但是該類解無法滿足本問題的定解條件,求解該偏微分方程的2005年第3期羅凱等:某水下熱動(dòng)力系統(tǒng)熱爆事故的潤(rùn)滑失效原因分析解析解是困難的,可以采用數(shù)值解法,例如采用時(shí)出解決問題的途徑,即:放慢系統(tǒng)換速過程,減小燃間步長(zhǎng)Δ、空間步長(zhǎng)Δx,將環(huán)軸向長(zhǎng)度分成N等料通道的壓強(qiáng)超調(diào),使得摩擦面處的溫度不發(fā)生超調(diào)份,使用有限差分方法來求解在產(chǎn)品的改造中,將控制換速過程的流量調(diào)節(jié)閥的換2a△速過程由原來的類似階躍動(dòng)作改造為斜坡動(dòng)作,拉長(zhǎng)6+1+bm1)+je.(22)換速時(shí)間,經(jīng)過大量熱車試驗(yàn)證明改進(jìn)后系統(tǒng)的安全以及定解條件為:性得到了保證。4結(jié)論(23)介紹了一種關(guān)于旋轉(zhuǎn)密封失效原因的工程分析方法,充分考慮了密封環(huán)節(jié)在整個(gè)系統(tǒng)中的工作環(huán)境變(24)化,盡管分析中做了諸多簡(jiǎn)化,但是并不妨礙得出以下結(jié)論:(1)摩擦面處的發(fā)熱功率隨燃料通道內(nèi)的a△x+A(25)壓強(qiáng)升高而升高,隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的升高而升高;(2)對(duì)于過余溫度分布隨時(shí)間變化的過渡過程,重點(diǎn)緩慢的系統(tǒng)升速過程不會(huì)引起摩擦面處溫度的超調(diào),要考慮的是摩擦面處的溫度變化,其隨時(shí)間的變化曲系統(tǒng)的安全性可以得到保證;(3)過快的系統(tǒng)升速過程會(huì)造成摩擦面處的溫度超調(diào),超調(diào)量隨換速過程線如圖4所示,該曲線存在大于20%的超調(diào)量,且的加快而增大,盡管在高速制穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)是安全超調(diào)量隨系統(tǒng)換速過程的加快而增大。的,但是該較大幅度的溫度超調(diào)還是可能造成潤(rùn)滑失由圖4可以看出,在系效,從而引發(fā)熱爆事故統(tǒng)換速過程過快的情況下,將系統(tǒng)過渡過程放慢以后,對(duì)于改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)摩擦面處的溫度將超過高速行了多次熱車實(shí)驗(yàn),證明了改進(jìn)措施的有效性,熱爆制穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的溫度,即使事故得以有效避免,證明了文中分析的正確性。系統(tǒng)在高速制穩(wěn)態(tài)工況下可參考文獻(xiàn)以安全運(yùn)行,但是過快的過【】羅凱,黨建軍,王育才,等,基于流量調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力渡過程還是可能造成該處燃圖4摩擦面處的過余系統(tǒng)換速特性研究[J].機(jī)床與液壓,2005(4)溫度時(shí)間曲線料的汽化或點(diǎn)燃,從而造成【2】張也影,流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999【3】顧永泉.流體動(dòng)密封[M].北京:中國(guó)石化出版社潤(rùn)滑失效,進(jìn)而發(fā)生熱爆事故。對(duì)比圖3與圖4所描述的溫度變化過程,不難看【4】楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1991(上接第71頁(yè))解的電極電勢(shì)和反應(yīng)速度,所以也(3):l6l~166會(huì)直接影響電控摩擦的效果。[2] Yonggang Meng, Hongjun Jiang, Qiuying Chang, P L Wong.如果潤(rùn)滑液本身的pH值已經(jīng)足夠高,不再需要Modeling of the voltage-controlled friction effect. Science in通過電解水來提高金屬表面OH的濃度,金屬/陶瓷(31 liuying cha, Yonggang men, Shizhu Wen. Inf的摩擦因數(shù)就可保持一個(gè)很高的值。相反,氫氣析出interfacial potential on the tribological behavior of brass/silicon時(shí)充當(dāng)?shù)摹皻鈮|”作用反而使摩擦因數(shù)有所下降。dioxide rubbing couple. Applied Surface Science, 2002, 202這正是電控摩擦的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(9):120~125酸性溶液中金屬表面氫析出的反應(yīng)是:【4】常秋英,孟永鋼,溫詩(shī)鑄.潤(rùn)滑液對(duì)電控摩擦的影響研究2H,O*+2e=2H,0+H,機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(2):90~92.發(fā)生還原反應(yīng)的是水化氫離子,隨著氫析出反應(yīng)的進(jìn)Chang qiuying, Meng yonggang, Wen shizhu. Influence of thelubricants on voltage-controlled friction. Chinese Joumal of Me-行,金屬/溶液界面的H濃度逐漸降低,但是在濃chanical Engineering, 2003, 39(2): 90-92.度梯度和電遷作用下,本體溶液中的氫離子很快就擴(kuò)【5】 Tung S C, Wang S S. Friction Reduction From Electrochemi散到反應(yīng)區(qū)。最終結(jié)果是金屬/溶液界面的pH保持cally Deposited Films. Trib Trans, 1991, 34: 23-31一個(gè)較低的值,盡管此值比本體溶液稍高,但仍不能[6] Clark R E D. The influence of electric potential upon friction.造成摩擦因數(shù)的大幅度增大。所以外電壓的施加不會(huì)Partl-in aqueous solutions of salts. Trans Farad Soc, 194540使酸性溶液中摩擦副的摩擦因數(shù)增大。中國(guó)煤化工控摩擦效應(yīng)的機(jī)理參考文獻(xiàn)[1] Jiang H J, Meng Y G, Wen SZ, et al. Eects of external e-CNMHGcoaMutanism of Voltage-Con-lectric fields on friction behaviors of three kinds of ceramictrolled Friction of Metal/Ceramic Sliding Couples in Aqueousmetal rubbing couples. Tribology Intemational, 1999, 32Solutions: Doctoral Dissertation ]. Tsinghua University, 2003.