弧形浅槽机械密封的变形及控制研究.pdf

中国石油大学（华东） 硕士学位论文 高参数下端面弧形浅槽机械密封的变形及控制研究 姓名：李香 申请学位级别：硕士 专业：化工过程机械 指导教师：郝木明 20080501 摘要 机械密封是旋转流体机械的关键部件之一，广泛应用于离心泵、压缩机、反应釜等 需要严格控制泄漏量的场合。随着工业的高速发展，密封的工作状况趋于高温、高速和 高压，在实际运行中，不可避免地会出现密封失效，而造成其失效的原因很多，密封端 面变形就是主要原因之一。高压下，端面弧形浅稽机械密封在运行时，由予受到力和热 等载荷作用，密封环不可避免地要发生变形，使泄漏量增加、端面发生点接触或线接触 等，最终导致密封失效。因此，有必要对其变形情况进行研究。 本文利用f o r t r a n 语言编制有限元程序求解混合润滑状态下的雷诺方程，得出了 弧形浅槽机械密封稳态下端面间的压力分布，在此基础上，应用有限元分析软件 a n s y s i o 0 计算了稳态密封环温度场、密封环的力变形、热变形和力热耦合变形。通过 分析对比褶同工况下端面弧形浅槽机械密封与普通机械密封的温度场及变形情况，发现 端题弧形浅槽机械密封缝明显降低密封端面温度，减小密封环的变形，性能更优越。此 外，本文还研究了密封介质压力、主轴转速、密封环材料、冲洗等因素对端面弧形浅槽 机械密封密封环温度场及变形的影u 向；分析了密封环变形后密封的泄漏量及密封坏磨损 状况。在此基础上提出了控制变形的方法，对端面弧形浅槽机械密封的设计起到指导作 用。 关键词：弧形浅槽，机械密封，溢度场，有限元，变形 s t u d yo nd e f o r m a t i o nc o m p u t a t i o na n dc o n t r o lo fc u r v e ds h a l l o wg r o o v e m e c h a n i c a ls e a la th i g h d u t y l ix i a n g ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f h a om u m i n g a b st r a c t m e c h a n i c a lf a c es e a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a mc o m p o n e n t si nt h er o t a t i n gm a c h i n e s ， a n di ti su s e dw i d e l yi nt h ec o n d i t i o n so fc o n t r o l l i n g l e a k a g e a l o n gw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y , t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fs e a lt e n dt oh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g h p r e s s u r ea n dh i 醢s p e e d ，s oi t sf a i l u r ei su n a v o i d a b l e 。d e f o r m a t i o no fs e a lf a c ei so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o r sa m o n gt h er e a s o n sw h i c hb r i n gs e a l sf a i l u r e d u r i n go p e r a t i n go f c u r v e ds h a l l o w g r o o v em e c h a n i c a ls e a l a t h i g hp r e s s u r e ，s o m ep r o b l e m sa r ea r o u s e d ， e s p e c i a l l yt h eo n e sa b o u tt h ed e f o r m a t i o nd u et ot h e r m a ll o a d sa n dm e c h a n i c a ll o a d s 。t h e d e f o r m a t i o nw i l lc a u s et h ei n c r e a s eo fl e a k a g e ，s p o ta n d 二l i n ec o n t a c tu n t i ls e a l sf a i l u r e s ot h e a n a l y s i so ns e a ld e f o r m a t i o ni sv e r ys i g n i f i c a n t i nt h i sp a p e r , s t e a d ys t a t ep r e s s u r ef i e l di s c o m p u t e du s i n gp r o g r a m sw r i t t e n i n f o r t r a n l a n g u a g eb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t e a d ys t a t et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a l d e f o r m a t i o n ，s t r u c t u r ed e f o r m a t i o na n dc o u p l e df i e l dd e f o r m a t i o na r ec o m p u t e du s i n gf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y sio 0 。c o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r ym e c h a n i c a ls e a lo nt e m p e r a t u r e a n df a c ed e f o r m a t i o na tt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ec u r v e ds h a l l o wg r o o v em e c h a n i c a l s e a lc a nr e d u c et h et e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o no fs e a lf a c ee f f e c t i v e l y , a n di ti ss u p e r i o rt o t h eo r d i n a r ym e c h a n i c a ls e a l f u r t h e rm o r e ，t h ee f f e c t so fs e a l i n gp r e s s u r e ，s h a f ts p e e d ， f l u s h i n ga n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so nt e m p e r a t u r ef i e l da n dd e f o r m a t i o na r ed i s c u s s e d t h e v a r i a t i o n so fs e a ll e a k a g ea n df r i c t i o nc a u s e db yd e f o r m a t i o na r ea n a l y z e d 。a tt h eb a s eo ft h a t ， t h em e a s u r e so fc o n t r o l l i n gd e f o r m a t i o na r ep r e s e n t e d 。t h i st h e s i si su s e f u lf o rr e s e a r c h ， d e s i g na n da p p l i c a t i o no fc u r v e ds h a l l o wg r o o v em e c h a n i c a ls e a l 。 k e yw o r d s ： c u r v e ds h a l l o wg r o o v e ，m e c h a n i c a ls e a l ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，d e f o r m a t i o n 主要符号表 密封内径处压力，m p a 密封腔藤力，m p a 弹簧比压，m p a 密封环外径，m 密封环内径，m 摩擦半径，m 插值函数 x 方向的压力流量因子 y 方向的压力流量因子 剪切流量因子 接触因子 平衡比 液膜总的承载能力，n 微凸体接触承载能力，n 开癀力，n 闭合力，n 液膜的粘性剪切产生的摩擦力，n 微凸体峰点接触产生的摩擦力，n 总的摩擦力，n 粘性摩擦系数 接触区摩擦系数 密封端面摩擦系数 液膜的承载系数 肛 胁 鳓 o 1 0 m 织 办 织 允 召 吸 睨 磊 e f 五 石 厂 k 微凸体接触的承载系数 槽数 转速，r p m ( 转分) 动环的角速度，r a d s 槽深，a m 为密封环间最小间隙，l a m 为弧形耩外缘半径，r a i n 为弧形槽内缘半径，m m 温度， 密封端西摩擦热，j 密封环搅拌热，j 密封介质或者冲洗液体带走的热量，j 端面接触比载荷，n m 2 密封端面线速度，m s 密封端面面积，m 2 圆盘状密封元件摩擦时的搅拌热，j 圆筒状密封元件摩擦时的搅拌热，j 雷爨数 努塞尔准数 静环与密封腔内壁的距离，m 介质的导热系数，w m 对流换热系数，w m 2 冲洗流体流量，m 3 s 冲洗流体的定压比热，j k g 密封介质及冲洗液密度，k g m 3 密封介质动力粘度，p a s 屹 胛 彩 凇 歙 g q q 岛 矿 力 纵阻艇 舰 艿 五 搿 轨 c p 8 q 。q ? 。 锥度( m m ) 径向泄漏率；磊= 6 t q ( p 。壤) 关于学位论文的独创性声明 本人郑煎声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行磷究工作掰取得的 成果，论文中有关资料和数搌是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对磊开究所徽的任博贡献均已在论文中作出了瞬确的说明。 若有不实之处，本人愿意承握糍关法律责任。 学位论文作者签名：豳期：磺年易胃，隧 ， 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检索，采用影印、缩印戚其他 复铡手段保存学位论文。 保密学位论文在解蜜矮的使受授权同上。 学位论文作者签名：查查 指导教师签名：虿乏刍鲻 隧麓：潲年善旁同 同期：俳毛月鼹 中瓣矗酒夫学( 华东) 硕 ：学饿论文 第一章前言 视械端西密封( m e c h a n i c a le n df a c es e a l ) 是犟孛囊鑫向端面密封，简称“橇槭密封”， 又称“端蕊密封”，是旋转流体桃械麴关键部件之一，广泛应用于离心泵、压缩机、反应 釜等需要严格控制泄漏量翡场合。机槭密封自从1 9 世纪末出现以来，已经取得了长是 的发展，尤其在石油化工方面发挥了重要的作用。随着工业的高速发展，密封的工作状 况趋于高温、赢速和高压，在实际应用中，不可避免地会出现密封失效，而造成密封失 效的原嚣禳多，密封竭面变形就是主要原因之一。 相对于壤料密封丽言，甓通接触式机械密封其有独特的优势。然而，普通接触式机 械密封本身不可避免地存在泄漏、使用寿命短、使用p v 值受隈、运行费用高等缺点， 不缝够满足现代工业两无污染、长寿命、低能耗、嵩效益方彝发展的要求。为了欲摄本 上解决密封问题，出现了端面开槽的机械密封。 端面弧形浅槽机械密封作为一种新型的机械密封，现已成功地应用在嵩压注水泵 上。密封环端西开有微米级舔弧形稽，由此在摩擦西之闻形成润滑和题力禊，这些禊能 有效地减少端面的接触压力、摩擦系数和摩擦副的温度，因而可以增强冷却效应h j 并提 赢密封使用压力辩速度极隈。由于这些槽只有几微米深，流体动压效应褶对较弱，因此， 在高压状态下，端面弧形浅槽机械密封在运行过程中是分子接触式与非接囊蠡式密封之阆 的，属于半接触式机械端面密封。密封环变形容易使密封环端面局部接触，实际接触匦 积远远小于理论接触面积，导致密封端面温度急剧升离，产生液膜汽化、热裂等现象， 造成密封工作不稳定，并且搬捌密封环的摩擦磨损，最终导致密封失效。因诧，有必要 对端面变形进行分析，捉出影响变形的因素和控制端面变形的有效方法，指导端面开槽 机械密封的设计及使焉。 枧械密封的密封环变形包括力变形、热变彩帮残余变形。影嘲机械密封缝隙变形的 主要因素是轴内力、径向力、轴囱温度梯度和径离温艘梯度。因此，机械密封端蕊变形 研究王：作主要包括机械密封压力场、密封环瀣度场以密封环力、热变形三个方面。 本文以高压注水泵用端面弧形浅槽机械密封为例，采用朗边形八节点单元对密封环 端两进行网格划分，利用f o r t r o n 语言编制有限元程序求解混合状态下雷诺方程，计 算漆面闻的压力分布。在此基礁上，利用有限元分析软件a n s y s l 0 。0 ，采用整体法计黧 了密封环瓣温发场；然后季| l 褥a n s y s 的生死单元技术，通过动、静环韵生死控制，采 用分离法汁冀：其力热耦合变形。结聚表骥，与普通机械密封相比，弧形浅槽机械密封能 绘一警藩高 有效降低端面温度，减小密封环变形及密封的泄漏量，增加密封的使用寿命。此外，本 文还分析了介质压力、主轴转速、密封环材料及冲洗等因素对温度场及变形的影响，在 此基础上提出了控制变形的措施，为玎槽机械密封的设计提供理论依据。 2 中霭螽灌久学肇东) 磁l ：学瞧论文 第二章文献综述 2 1端面弧彩浅槽机械密封的简介 虽然二 接触式机械密封已经褥到广泛应黑，但在些特殊工况下，还需要开发性能 优良的接魅式机械密封。 2 1 ，l 特殊玉况下非接触式机械密封的不足 铡如热承泵上，因为热水泵密封介瘊是承，澄添流体不会对环境造成污染，微量麴 泄漏是满足要求的，因此泄漏量并不是选择密封形式时考虑的首要阑索。热水泵用普通 机槭密封存在如下闻题： 水在室温时的润潺性已经很差，焉其比重、表嚣张力、糙凌均随溢度斡舞离褥降低， 导致高温下则完全丧失润滑性【2 1 。由于泵输送热水温艘高、出口压力离，泄漏出的水压 力避速降低，低予饱和蒸汽压，所以马上汽化，引起端面液膜破坏，使端面处于半干或 干摩擦状态，造成密封面磨掇严重，寿命低，易失效 3 j 。由于这些原阂；导致普通接触 式机械密封的使用寿命菲常短，不能适应现代工业向长寿命、低能耗、高效益方向发展 的要求。 对视摄密封端瑟进行- 开耩、蘑鸯l 之类的船工是强化滤滑条件的有效手段。惑此在摩 擦蛳之m 形成润滑和压力楔，这些楔能有效地减少摩擦面的接触压力、摩擦系数细摩擦 副的温度，因丽可以增强冷却效应并提高密封使用压力和速度极限( 1 】。 线 图2 - 1 干气密封封气流程图1 5 f i g2 - 1f l o wc h a r t o ft h es e a l i n gg a si nd r yg a ss e a l 在这种情况下，如强2 一l 若采糟予气密封则需要雯外提供一个稳定的气源，涩然对 于现场工况来溅是不合理的；藤出于水的粘度很小，上游泵送机械密封( 原理如图2 。2 ) 的象送畿力有限，戮此，采髑主游泵送摄难形成一个菲接触漉髂膜，这种情漉下，懿果 要达到非接触，则要求密封环宽度足够大，而密封环m 产生的摩擦热与密封端面宽度成 3 蒙一举文献综述 萨沈，密封端巍太宽，产生的热爨大，使密封面温升增高，造成水汽化，如圈2 3 ，出 现千磨，所以采用非接触式机械密鸷缀难满足现场的要求。 寮 辩瑷 静鲻 鬻 一h 驴 下游铡。 ，鲁 劝环 鹭2 - 2 上游泵送原理豳鼹2 - 3 摆交圈 f i g2 - 2f u n c t i o n a ld i a g r a mo fu p s t r e a mp u m p i n gf i g2 - 3f i g u r eo fp h a s et r a n s i t i o n m e c h a n i c a lf a c es e a l 2 1 2 端面弧形浅槽机械密封的机理 端蕊弧形浅槽的开槽形式如豳2 。4 所示，在一个密封端面上加工一些l l o u m 深的 弧形槽，这些弧形槽将液体导向密封腔，然后沿着靠避密封腔的槽的后缘将液体向外挤 懑。在这个过程中产生流体动压力，使流体压力升高( 大予密封腔内酶压力) 。因此， 液体浍篱最小隰力麴流道，大多数液体离开豳槽并返豳到蜜封腔阗，只有少量液体渣漏 燃去。 旋转过程中流体动压作耀使得鞴萄闻压力舞离，水盼毖重、表嚣张力黎牯度随着压 力的升高而增加，当压力高于闪蒸点时，水就不会因汽化丽丧失其润滑性，使褥端面闽 摩擦系数降低，同时，在一定压力下，表面张力的存在也能阻止其进一步向大气泄漏【5 1 。 | 匿2 - 4 密嚣潺蘧弧形浚槽示意图 f i g2 - 4 s c h e m a t i cd r a w i n go fc u r v e ds h a l l o wg r o o v e 4 中嗣6 涵犬学( 华东) 颧| j 学位论文 2 i 。3 端面弧形浅槽机械密封的优点 ( 1 ) 可以双向旋转。这些耩是对称的，它不像螺旋槽样限制向一个旋转方向的 泵送，其回流作用与旋转方向无关； 一 ( 2 ) 使用寿命长。由于液体进入漩面之间降低了端面温度，减小了热变形，固时 摩擦系数降低，使得端面磨损减弱，延长了密封的使用寿命； ( 3 ) 经济效益高。密封使用寿命的提高，使得生产运行周期的增长，减少了因更 换密封件而造成的停工损失； ( 4 ) 结构简单，不需要其它辅助设备。 2 2国内外研究现状 在实验研究中发现，机械密封摩擦副的密封环( 动、静环) 端面磨损不均匀，有的 靠近内径处磨损较大，有的靠近外径处磨损较大。出现这种现象的原因是幽于温度场不 均匀或作用在环上的压力降不均匀造成的密封环变形。 机械密封的密封环变形包括力变形、热变形和残余变形。影响机械密封缝隙变形的 主要因素是轴向力、径向力、轴向温度梯度和径向温度梯度。产生结果主要表现在密封 端露上产生径自锥度( 压力锥度和热锥度) 与表面波度( 周向波度和径向波度) 。嚣此 对机械密封端面变形研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 机械密封压力场的研究； ( 2 ) 密封环温度场的研究； ( 3 ) 密封环力、热变形的研究。 2 2 1 密封压力场研究进展 端面问流体膜的压力分布反映了端面升压效果、密封性能等的好坏，同时也是计算 端蠢变形的必要条件。 2 2 + l 。l 国外研究进震 19 9 3 年b o n n e a u 等人【6 】采用基于伽辽金加权余量法的直接有限元公式对螺旋槽气体 密封进行了二维稳态分析。以等温假设条件下的适用于可压缩流的雷诺方程为控制方 程，采用高阶有限元和八节点等参元网格。为了克服槽台区的气膜厚度不连续，在解雷 诺方程时对导数进行分步积分，用n e w t o n r a p h s o n 算法将其线性化。由于建立在伽辽 会加权余量法基础上的有限元法在计算高速气体密封时，结果存在严重的数值颤动。为 第二牵文献综述 了增强有限元求解高速状态下雷诺方程的稳定性，弓| 入迎风格式有限元法。其中采脯非 对称的杈蠡数和特殊的数簋积分。所餐结果与采翔b u b n o v 。g a l e r k i n 方法计算的结果榈 比较盾发现，虽然在捆疑参数、栩同节点数情况下，震者麴诅“算速度更快，但其结果存 在严重的颤动问题，即使大幅度增加节点数，效果也不明盟，而计算耗时增加很大。 2 0 0 4 年s o r i n 和k e i t h 7 1 等应用数值算法c e s e ( c o n s e r v a t i o ne l e m e n t s o l u t i o ne l e m e n t ) 计算了考虑惯性力的r e y n o l d s 方程，并与实验值进行院较，认为在高速旋转的情况下， 气体轴承中流体的惯性力不可以忽略，愤性力可能导致流场不连续。c e s e 是潮c h a n g 翻t o t 嘲酋次提出，已缀好瘟焉在维霸二维漉场计算中。 2 2 。1 2 匿内研究进震 1 9 9 3 年王美华、蓖勋【9 l 利用有限元法求解简化的n s 方程，宰导到考虑离心力的动压 式可控膜机械密封、瀵膜压力分布，并以考虑离心辊双端面入字形螺旋槽机械密封为例进 行了计算。得出：对于槽深、膜厚不太大的非接触式机械密封，惯性力对流体流动的影 响很小。 2 0 0 2 年林培峰1 镄应焉有限元法计算了漂旋槽于气密封压力分毒，穰耀魉辽金法对 控制方糕进行求解，分李厅了螺旋槽于气密封。采用c 语言自行开发编制了适用于任何 槽型于气密封性能分析的有限元软件。 2 。2 。2 密封溢度场研突进震 。 在机械密封中，患于摩擦和搅拌产生的热量会使密封环端西温度升藏，加之生产工 艺使用条件中有的要求较高，这就带来了许多问题，例如出现密封端面闻介质汽化、密 封环变形、热蘑撰，甚至引起热冲击和热裂等，为了保证机械密封长期稳定、可靠地运 转，必缬首先掌握各部分的受热及散热情况，主要是摩擦副和端面的温度及其分布，然 后采取有效的措施控制温升。 温度场的计算是在压力场酌基礁之主发震起来的，也是计算密封端蘸变形的基础。 热变形是密封变形的主要形式之，要计算热变形，首先需要确定密封环及密封腔澄度 场。计算温度场的方法主要有：解析法、有限元法和有限差分法三静方法。 2 。2 ，2 。l囡外研究进展 1 9 9 3 年e t s i o n 和p a s c o v i c i f l l 】等人首次解决了考虑未对准端面对端面温度分布的影 响，应用t h d 建立数学模型。对密封作了如下假设：( 1 ) 密封触隙流体为等粘度牛顿 瀛；( 2 ) 流体充满密封闯隙，气憾现象由于流体径向流体动压力降被消除；( 3 ) 动环 6 串瓒白涵久学t 皆东) 嫒l ：学佼论文 和静环表面流体温度和热传导系数已知；( 4 ) 静环问密封流体之间的对流热传导与同 动环之瓣鹣对瀛热传导l g d , 得多可以忽略；( 5 ) 流体膜产生的热量郡传给了动环。在 上述假设的基勰上，对能壁方程进行简化求解，褥到疆力和温度分奄。得漱由予未对准 产生的周向温度变化同平均温度相l l o y d , ，可以忽略。尽管这种方法建立在系列的麓 化假设之上，也没有与其德的理论和实验结果相院较，但为以后复杂的热摩擦闻题指臻 了方向。 19 9 8 年s l a m a c k h 署t l s o u t i s a 弪j 等人基于计算流体力学理论，采用s i m p l e r 算法，计算 了密封系统温度分布和热传导系数并与l e b e c k 的试验结采进行毙较，得毒数值计算与实 验值之闻的差别主要来鹭作用面热源的计算。认为密封径向和轴向躲温度梯度是影响端 隧闻隙和密封性能的主要因素，并提如密封腔内温度分布除了密封座部位基本是均布 酶，随着旋转速度的增加，最高澄度同接触匿流体平均湿度酶差减小。 1 9 9 9 年p a r c i zm e r a t i 等( 1 3 】建立了个轴对称的二维计算模型，用以预测机械密封腔 内的流场及动静环内的温度分布。采用水为流动介质，等径密封腔，湍流密度为4 的 k 一模型。此模型瘸来确定密封件湿表面的努塞尔数( n u 数) 。n u 数灞于计算密封面上 的温度分布，计算结栗表明，流动变化程度最大的位餐在动环表露靠近动静环交界处。 结果还表明，密封表面越靠避蠹径处温度越高，这是豳于靠近轴套蠲隧有空气空隙，其 对流传热较蓑造成的。作者露时改进了数值诗算鳃计箨缝力，使之能用于不周工作条件 下的不同密封设计。计算过程由商用软件f l u e n t 完成。 2 2 。2 2 国内研究研究进展 李壳永渊、李红l 醛等利用解析法建立了机械密封环稳态温度场模型。为了便于推导 公式，他们进行了一系列假设和简化，主要有：( 1 ) 稳态温度场；( 2 ) 密封环的导热系 数k 为常数，并假设同一场边赛处的对流传系数为常数；( 3 密封环轴对称；( 4 ) 忽略 戳热辐射导致的热撰失； 焱囊弪小瀚恐力溢度比半径大的墟力潍发商，刚此热变形滞半径办蠢 逐渐减小，端嘶成收缩锥形；( 3 ) 靠近睇2 + 丽i t j j 川- - 。i t n 轴向温发梯度人，劂此热庶力末缓集- l ，z r - 端i n l | ：。 t 9 9 0 年张书炎硌；也利爝善f 限元法对橇缀密封环淤稳态溢凄场避舒了计算。搬动静 列：体为个髂体，这样省去了密封环闽热繁分配的麻烦，简化了计簿。并对对流按热系 数删峰擦热进行了讣饽。得剿几点续沦：( 1 ) 密封环的换热系数即使红较人范嘲内变动 时，密封环| 囊l 的热l - 1 分+ 斑 j 舞取决于密封环材料的导热系数；( 2 ) 端蕊t 的誓均温羹。 麟撩热成比关系。降低岸擦热足防j 卜平均湍升过火的有效措施之，而减少摩擦热的 途托越降低胯绦系敬和减少端而t ：t ：j 一氏从降低端而湔艘的角度m 发应该把导热性能好的 材料徽动环；( 3 ) 密封环蠹的湛降主要榘； ，在藕谣附运，t l i j j j 辅向的溢度褥发院径囱温 度梯度l 犬。 1 9 9 4 印采一嚣为拶9 通过熊量方程计算了窿擦热，瞒仃漩元法求解枫械密封环姻稳态 f l _ l l “t 矗) , + 场，j 二在t i 行没跨麴试验 一扛迸 l ：了旋转环非旋转s 4 , 溢度场测试， ：分橇f 影鹂 惭鲥j = 1 i 激发场盼箨制t 凶索。得出：( 1 ) 椒划。环端谢l l i j 温度隧介质压力的升商或转速的增 j l | 近似成线r t 荚系：( 2 ) 密封坏端峨叫的泌度随径向尺、j 的5 l c l + i j 近似戚抛物线变化，端 丽| f l s 竣，矗。s j j ( 麓l i l ；t 度，轰鬟近内径处，所以鹿嬲馁 l 沈、注意冷却，使密封l 蕊l ：最r 晒渤交点f 移，减少液骥沸腾i f 径，避免液臌汽化；( 3 ) 封环内的温度随轴向k 、j 1 ，内增加f 疗j 逐渐降 低、近端潼i 处轴翔滥发梯坡较大，这与封环嬲导热系数鞲与减喇介质对漉换热情况有关， 为避免0 | 起较大躲热变j 臣或热裂，癍塔量选择导热系数犬的材褥作密封环，瓣时加强冷 矧，增人密封环参糊l ：i 4 介质i t , t x , j + 流换热系数。 1 9 9 4 年顺水泉f 2 0 i 4 l j ) l l 有限麓分泼诗舞了机械密封的濉艘场，对一j ：复杂端艇盼套睦械 密封求滋，计算过程过+ j i 繁琐，不嗣j 二汁搿枫处理。 1 9 9 67 , i - 朱，雾，卜等二1 分析了f h i 合j 孛擦状态1 - d ( j f l , i 晰荆i 械娩i l l ：上j 的f 譬热特j _ ，建、，：了端l f l j 藏：l f 延符雨玎由简化梭+ ，秀：删数值西法渣算恭1 分析r 霪l 合力、饿皮、表晦纹雕等闲索列端 i f i i t , ，珏辽分爰玎疗影嘲。+ 褥赛：( ) 鬻封譬_ t 两i l t 瞬的滋躞分量i 沿径向楚变化的，乖l 端斯、 j ：的 专 况f ，比较接近线j i ：d s y t ；，通过挖制i b t l 螽力， t h 冀订效地挖制塌嘶激泼水h ( 2 ) 端t f t i 8 巾滴涵大学( 辱东) 矮 j 学豫论交 存在锥度时，端丽温度分布变化很大，用平均温度代替端面温度进行各种计算会带来比 较火酶误差； 端面闽流体膜粘性剪切是系统中热量的最主要来源；( 3 ) 在离速运转密封中，密封腔中的搅拌热是不可以忽略的：( 4 ) 热量通过瀵漏和端面材 料的热传导传到周围的介质中，液体润滑密封由于严格控制泄漏量，故由泄漏带走的热 量可以忽略，气体润滑密封中，泄漏带走的热量不可以忽略。 1 9 8 9 年p a r m a r l 3 4 j 对机械密封温度变形控制方法进行了研究，讨论了锥度对变形的 影响。提出消除压力锥度和热锥度可以使流体膜维持平行，如果压力变形和热变形减至 最小，可以得到最恒定的特征。控制和消除压力锥度的技术已经成熟，但是热锥度不易 消除。热锥度主要是有密封件辅向的温度梯度造成酶，透过合适的界面设计，可以控制 1 0 中因螽涵天掌( 华东) 颀l j 学饿论文 热锥度。适当的控制几何形状使静环的负热转角与常用的动环元件的正热转角匹配，在 运转工凝范暖肉，使净热转角近似为零。把零净热转熊同人们熟知的压力变形控制结合 起来，尽管有机械及热载搿，密封端面会维持近似平行的流体膜。 1 9 9 0 年张书贵【3 5 5 0 】对机械密封的力变形和热变形给予了全面的考虑。通过计算发 现热变形是枣凡械密封变形的主要形式。讨论了热变形、力变形与密封环的结构、零孝料及 使用条件的关系；( 1 ) 密封环的力变形与密封环材料的弹性模量成正比，热变形与线膨 胀系数成正比：( 2 ) 工作压力与力变形成线性关系，但是由于弹簧力的影响，该线不通 过坐标原点；( 3 ) 平衡系数对力变形影响不大，主要是由于动静环闷的密封面镧对较窄 的缘故；( 4 ) 密封环的结构改变，相应的力变形值也有所改变；( 5 ) 密封环的热变形受 换热系数的影响较小。 1 9 9 2 年a o 。l e b e c k 弱1 分析了引起端露变形的各种载荷，并院较了几静计算端面变 形的方法，详细阐述了圆环有限元方法。通过总结机械密封变形的计算和对端面间流场 温度和压力的数值计算基本上可以实现对螺旋槽干气密封端面变形的计算。重点考虑了 波度对端蘧变形的影响。 1 9 9 2 年王荚华f 3 7 3 采用三角形有限单元法对人字形螺旋槽的热变形和力变形进行了 分析，调用了s a p 5 一线性系统静力和动力响应结构分析有限元程序对密封环的力变形， 热变形进行了计算，在计算过程中，认为动静环的变形是轴对称的，把o 形圈阍静环组 件当作一个整体来计算静环的变形。 1 9 9 9 年z u k 3 8 1 采用近似积分法研究了可压缩流体气体端面密封的端面变形。不管间 隙内的流动为层流或者湍流，在分柝中采用的模型均能够模拟在亚音速或者湍流条件下 的薄膜密封特性；同时它还能解释惯性损失。在忽视流体惯性力的影响( 完全曲线流动) 和密封端面轻微变形的情况下，流体流动不管是层流还是湍流，其分析结果如下：( 1 ) 压力分布与流体特性无关；( 2 ) 如果给定特征膜厚( h c h 。r _ ( h ，2 。2 么) t ，) ，可以采用平行平 7 面的泄漏量方程。但是，研究表明在接近阻流和阻流状态下，流体惯性力的影响不容忽 视。在这种渍况下，压力分向- 与流体特性有关。并且在阻流状态下，分别研究了发散端 面和收敛端面的压力分布。 2 0 0 2 年洪先志、顾永泉( 3 9 】提出了应用壳体力矩理论求解密封环端面力变形的解析 计算的方法。机械密封环在运转过程中受到介质匾力、弹簧力、液膜反力、重力、离心 力、o 形圈的支反力，根据结构及受载特点，把密封环按照二维轴对称问题处理，并忽 絷章交献练述 略蓬力、离心力、o 形圈支反力等次要因素，将受力边界如下处理：介质力均匀作用于 各个表面；弹簧力简化为沿环背部均匀分布的面载荷；液膜反力沿端面宽度径向线性分 奄；瑞面接触压力简化为沿密封面均匀分布的面载荷。壳体力矩理论用于计算密封环端 蕊变形是一种可靠、简便、有效的方法，运媚此法能够得到密封环端面在外部挤压力 乍 用下力变形较准确的数据。 2 0 0 4 年彭旭东、冯向忠等4 0 1 计算不同约束、不同结构动静环配对的力变形、端面 泄漏量、开启力及气膜刚度等参数，分析了变形对密封特性的影响。得出力变形使得气 膜呈发散型、约束对变形大小具有重要影响；选择合适的约束可以减少密封面转角、提 高气膜刚度、增强密封稳定性，变形对开启力影响不大，但明显增大泄漏量、改变气膜 刚度。 2 。2 。碡研究现状分析 从上述对近年来国内外有关机械密封性温度场和密封环变形的分析中可以得出： ( 1 ) 现有的槽形计算没有涉及到弧形浅槽机械密封，对于这种半接触式枕械密封 变形也没有深入的研究； ( 2 ) 大多数计算都是在稳态假设下进行的，并且没有考虑到变形、端面膜压、温 度场之间的相互影响： ( 3 ) 关于机械密封端面变形方面的实验研究还很缺乏。 2 3 机械密封变形计算方法 密封环变形的计算方法主要有圆环理论、边界元理论和有限元法三种。瑟环理论在 计算简单形状密封环时计算值与实验值差别较小，但计算复杂形状密封环时计算值与实 验值差别很大；边界元法和有限元法计算所得的实验值与计算值都较相符，但边界元法 处理边界条件时比有限元法要复杂，所以现在大多采用有限元法。 有限元法是一种非常有效的数值计算方法。它的基本思想是将问题连续的求解域离 散成有限个单元的缀合体，然后在每个单元内假设近似蕊数来表示，而这些近似场函数 只依赖于节点处的参数，这样整个连续体的场可以篱化为以结点处参数为未知量的代数 方程组。撼本步骤为l4 1 1 ：( 1 ) 结构或物体的离数化；( 2 ) 选取单元内的场变量插值函数； ( 3 ) 进行单元分析，求单元特性矩阵和列阵；( 4 ) 进行整体分析，组装整体矩阵和列 阵，建立整体方程；( 5 ) i - t + 算单元内部的场变量。 1 2 中溺缸涵久学( 华东j 颧 ：学位论文 由于机械密封环的几何形状、材料性质、所受载荷和约束条件基本上都是轴对称的， 可以将二维润题简化为：二维轴对称闻题进行处理。 2 3 i二维轴对称问题弹性理论 毒于密封环的结构、约束条件及作用的载荷都近似轴对称分布，因此，在载荷作用 下产生的位移、应变和瘦力也近似对称，密封环力变形问题可以篱化为辅对称闯题。为 了方便计算，轴对称问题通常采用圆柱坐标系( 鬈p ，z ) 。对于弹性轴对称体，选对称轴 作为z 轴，所有应力、应变和位移都与目无关，只是尸和z 的函数。则任一点只有两个 位移分量，即沿，方向的径向位移d 和沿z 方向的轴向位移。 2 3 1 1 基本方程组 空间轴对称问题的平衡微分方程： j 等+ 鲁+ 半幅= o l 冬+ 譬+ 堡坛：o k “ ( 2 一1 ) o u = 一 加 io v u 2 歹万+ 了 艿 占= 船 o u 3 c o y f2 i + 一o r ( 2 。2 ) 化r 7 。7 、 轴对称问题物理方程： 仃) = 【d 】 笤 其中： 仃 = 【仃，口盯；f ：，】7 ： 8 ) = 【8 ，f 护占。厂：，】r p 】= 志 1 一tuu 0 11 一精罅0 li 一0 ooo 兰丝 2 材、w ，盯，、仃口、盯：、f ，、g ，、如、：、7 ”- - 4 专g 、成力和戍变分鲑： 1 3 ( 2 3 ) 第二章文献练述 g ，、g 二一单位体积的体积力分量： e 、杨氏模量和泊松比。 2 3 1 2 边界条件 边界条件有三种：应力边界条件、位移边界条件和混合边界条件。 ( 1 ) 瘟力边界条件 当绘定物体表面外力( 西力) 分量辫及罗：时，可以采用应力边界条件： | z 搬t ，= p ， l 朋o “ z + l r ”2p ： ( 2 4 ) 其中： l m = c o s ( n ，z ) 【z = c o s ( n ，) ( 2 5 ) ( 2 ) 位移边界条件： 当给定物体表面上的位移分量甜及w 时，可以采用位移边界条件： 卜三 1w2 w ( 2 。6 ) ( 3 ) 混合边界条件 当部分边界给定谣力，一部分边界给定位移时，可以采用混合边界条件。若用殛 表示给定面力的边界，用鼽表示给定位移的边界，则整个边界：s - - - s g 手鼽。 2 3 1 3 虚功原理 虚功原理就是假定一弹性体在虚位移发生之前处于平衡状态，那么当弹性体产生约 束许可的微小位移并同时在弹性体内产生虚应变时，体力与面力在虚位移上所做的虚功 等于整个弹性体内各点的应力在虚应交所傲的虚功的总和，器箨外力虚功等于内力虚功。 其表达式为 d u - - - 涮 其中：6 u 一力的虚功；5 w 外力的虚功。 6 u = i f f ( o “ ? 6 ? 专g ；6 s 。9z 6 s z | 暑z ? 6 n ) a v l 一。 = l 弧试1 恼凌y p 1 4 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 硎= l r gr 涨+ g ：8 w ) d v + 球pr d u + p ：m 嘏 vs = 胎 扫矿+ f 桫 y p d s 。 v s 对于轴对称问题，虚功原理可表示为： ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 其中：仁) 一单位弧度的外力矩阵；万 ) 一圆环的虚位移；万p 一弹性体内任一点的虚 应变；刃一处于t o z 第一象限的平面面积。 2 3 2 二维轴对称问题的有限元解法 轴对称问题的特点是只有径向位移“和轴向位移w ，它们与圆柱坐标厂、z 有关，而 与口无关。离散轴对称体时，采用的单元是一些圆环，这些圆环单元与陀平面正交的截 面可以有不同的形状，如3 节点三角形、4 节点四边形、8 节点四边形。本文采用8 节 点四边形等参单元进行求解分析，单元形状如图2 5 所示。二维等参单元八个节点共有 1 6 个自由度，因此单元的位移函数每个分量需设置8 个特定系数，选择三次对称的不完 全多项式： 3 5 4 图2 - 5 四边形八节点等参单元 f i g2 5e i g h t - n o d e di s o p a r a m e t r i ee l e m e n tw i t ht o u rs i d e s f“= a i + 呸孝+ 吩7 7 + q f 2 + 呜孝叼+ a 6 r 2 + 岛手2 r + a d q 2 1 w = g 9 + a i 。孝+ q t 刁+ 口1 2 孝2 + 口1 3 孝7 7 + a 1 4 r 2 + q s f 2 r + a 1 6 f 叩2 ( 2 - 1 1 ) 2 3 2 1 位移函数、等参变换 r8 i “= “，m 扛8 1 i w - - - - - w m ，- l 1 5 ( 2 1 2 ) 第二章交献练述 ，( 勃) = 丢( 1 + 参似1 + 7 7 j 枞专亭+ 仍刁一 l ( 孝，7 ) = n ；，r 1 ) = 这种单元8 个节点的鸯然坐标如表2 1 所示。 1 ) ( f = 1 ，3 ，5 ，7 ) 2 ，6 ) 2 ，6 ) 表2 - 1 轴对稼等参草冗节点自然坐标 t a b l e2 - 1n o d en a t u r a lc o o r d i n a t eo fa x i s y m m e t r i ei s o p ar a m e t r i ce l e m e n t 2 。3 。2 。2 应变矩阵【翻 将位移函数( 2 1 2 ) 代入几何方程( 2 2 ) ，得 其中： 砖 = 阻b ：廖，b 。风b 。b ，b 。酗 8 = 陋如y 随】= 2 3 2 3 应力矩阵 s 仃 = 【刎 s 其中：= h 仃：r z r r ： = 【0 岛】。 1 6 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 盆- 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) m m i 乏 。高。州 | f | | r z ，。，j、；，l k，、j、， 穆 蛩 玩 臻 + + ，i t l ，t、j， 2 2 芦、 碧 一 一il ，l ( 一2，一2 芦 2 l | 1，；，；，；， o叭一菠口烈跏 弧i o m r 强i 串溷白油入学( 华东) 硕 j 学位论文 嘲2 南 1 一 弘 0 i 一 o 社 1 一私 o 0 0 0 1 一 式中：“、r 、o 、0 、岛、乞、易一德移、应力和应变分餐； g ，、g ：一单位体积的体积分量； e 、一杨氏模量和泊松比。 2 3 2 4 单元刚度矩阵【彭】8 根据轴对称问题的虚功方程，可导出单元平衡方程，其中单元刚度矩阵为： 陬梦= 妒】7 d i e d y = 盯归】陋i 君k 麟= 娅露r p p 蔓蒯 。” ( 2 1 8 ) 式中：阮端面为曲边四边形的环体体积； a e 为此曲边圈边形的面积； ，可通过节点半径的插值来表示： 尸= m i ( 2 1 9 ) 式( 2 - - 1 7 ) 可写成自然坐标的形式： 时= 2 刀“陋】7p 训f 蜊哆 式中| j | 为二维坐标变换的雅可比行列式，简写成： l 小端 ( 2 - 2 ，) 2 3 2 5 载荷移置 轴对称问题和平面问题的载荷移置类似，都需乘以2 。载荷位