基于ANSYS的机械密封副的温度分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海军工程大学动力工程学院 作者:宁清俊

  研究了机械密封副的稳态温度场,在合理的假设条件下,建立了机械密封场的温度数学模型。通过计算,求得相关的热流密度与对流换热系数,然后利用ANSYS13.0 软件进行运算。着重考虑了介质流量和弹簧比压对温度场的影响,为机械密封的设计提供了理论依据。

前言

  端面温度是机械密封实际工作时的一个重要参数。端面温度过高会产生一系列的问题。研究机械密封的温度场具有重要的意义。已有一些学者利用有限元软件对密封副的温度场进行了研究, 得到了密封副温度场的分布及变化规律, 并对介质压力, 动静环材料, 主轴转速液膜厚度等因素对温度的影响进行了分析。然而,介质流量和弹簧比压对端面温度的影响的研究则不多见。本文利用ANSYS 软件对机械密封环进行模拟分析, 主要探讨了介质流量和弹簧比压对端面温度的影响。

1、密封环热分析的基本假设

  (1)由于动、静环均具有轴对称结构,边界条件也是轴对称的,所以温度场的分布也是轴对称的;

  (2)认为密封端面是平行的,不考虑密封环力、热变形对温度分布的影响;

  (3)密封副材料性质和密封介质的性质不随温度变化,密封介质的温度是恒定的;

  (4)密封面上的热流密度在每个单元面上是均匀分布的,但整个端面分布并不均匀;

  (5)在机械密封系统运行一段时间后,机械密封副的温度场处于热平衡状态,是稳态的;

  (6)裸露于空气或背靠辅助密封圈的密封环表面视为绝热。

  根据以上假设, 机械密封副的轴对称稳态热传导方程为:

基于ANSYS的机械密封副的温度分析

  式中T———密封环的温度函数,其中T=T(x,r);x———轴向;r———径向。

  为了求解方程(1),得到微分方程的唯一解必须附加边界条件。密封环与密封介质接触处按第二类边界条件考虑;其余边界上为第三类边界条件。

2、边界条件的确定

  1)相关参数的设定

  本文所采用的机械密封设计方案中, 动环材料为不锈钢,静环为锡青铜,其物理性质如表1。密封副内径为φ161mm,外径为φ175mm,主轴轴径φ130,转速600r/min。

3、ANSYS 有限元模型的分析过程

  1)前处理:有限元建模和网格划分选择PLANE55 单元,它是轴对称四节点四边形等参单元,具有二维热传导分析能力。为动、静环定义料,分别输入材料的密度、热传导系数这2 个参数。采用自下向上的建模方法建立几何模型后,将动、静环的几何模型与相应的材料关联起来,自动进行网格划分,得到图2 所示的有限元模型。

密封副有限元模型

图2 密封副有限元模型

  2)加载和求解

  在前处理阶段完成建模后, 用户可在求解阶段通过求解器获得分析的结果。在该阶段用户可以定义分析类型、分析选向、载荷数据和载荷步选项,然后开始有限元求解。ANSYS 软件将自动求解,并将结果保存在文件中。由于分析的类型为稳态温度场,添加载荷数据后系统将自动求解。

  3)后处理

  ANSYS 提供了2 个后处理器: 通用后处理器POST1 和时间历程后处理器POST26。前者用于查看某度,减少了备件材料的耗用,减少空气环境的污染和资源的浪费。

4、结束语

  P-3200C 燃料油泵机械密封改造后, 已连续运转超过3000h,其运转平稳,机封无泄漏,确保了热电锅炉燃料的正常供应。这说明对P-3200C 燃料油泵机械密封的改造是成功的,解决了机械密封频繁泄漏的问题,提高了机械密封的使用性能和使用周期, 降低了员工劳动强度,降低了设备维护和维修费用。

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