内圆弧槽机械密封液膜流场特性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)新疆大学 作者:牛志伟

  以内圆弧槽流体动压型机械密封为研究对象,建立了动静环端面间液膜的三维模型,运用计算流体动力学理论和有限体积法对端面间液膜的流场特性和装置的密封性能进行了模拟和数值分析。对处于不同工况、不同密封介质条件下的液膜流场,得到了其压力、泄漏量、开启力和摩擦扭矩的变化规律及相互影响关系。结果表明: 圆弧槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。

  1、前言

  流体动压式机械密封是一种非接触式机械密封,可实现被密封介质的零泄漏甚至零逸出,具有使用寿命长、密封可靠性高、运营维护费用低、经济效应高等优势,已在国内外各种旋转流体机械上推广应用。内圆弧槽机械密封属于外流式机械密封,采用外装时适用于强腐蚀、高粘度、易结晶介质,但其泄露方向与离心力方向相同,泄露量较大,因此有必要对其进行研究。

  圆弧槽机械密封作为一种流体动压式机械密封,国内外学者对其做了大量的研究。Mayer 对这类密封进行了大量的研究和介绍,从密封机理上认为其是热流体动压型机械密封,即热效应和流体动压效应耦合的机械密封。1986 年,关雅贤、李松虎对圆弧槽机械密封进行了试验研究。1994 年,Tournerie 等利用有限元法,计算了端面开槽机械密封的性能,其中包含了端面开弧形槽的机械密封。1997 年,Person等用数值方法研究了该类机械密封的稳态动力学特性,结果表明圆弧槽的主要作用是增加了端面间的静压力,使得密封环对动压波动敏感性降低,有利于密封的稳定操作。

  为了便于工程设计,彭旭东等于1997 年提出了对该类圆弧槽机械密封性能参数进行了近似计算的方法,可以近似计算端面膜压系数和端面温度等性能参数。2009 年,于明彬以核主泵用圆弧槽流体动压机械密封为研究对象,应用有限元法分析了稳态工况下圆弧槽几何结构参数对密封性能参数的影响,以在较高液膜刚度条件下获得较低泄漏量为几何参数的优化准则,得到了密封具有优良综合性能的几何参数优选范围。

  对于外圆弧槽机械密封国内外学者做了很多研究,而内圆弧槽机械密封相对较少。本文建立内圆弧槽机械密封环端面间液膜的三维模型,对其进行数值模拟分析,以期得到在不同工况、不同介质参数下,其密封开启力、泄漏量和摩擦扭矩等密封性能参数的变化规律。

  4、结论

  (1) 液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低,其中内径与密封腔介质相接触,压力最大,液膜外径处与空气接触,压力最小;

  (2) 圆弧槽位于内径处,从密封腔内泵入压力比较高的液体,扩大了密封环端面间内径处的高压区,在外径压力不变的情况下,形成了收敛型间隙,从而降低了泄露量。对于整个圆弧槽,在两个槽口处压力最高,槽底的压力最底;

  (3) 圆弧槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。

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