基于ANSYS的机械密封环温度场计算方

基于ANSYS的机械密封环温度场计算方法 于小丹1,孙 铁1,路永力2 (1. 辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁 抚顺 113001 ; 2.抚顺诚信石化工程建设监理公司,辽宁 抚顺 113006 ) 摘 要:研究了机械密封环的稳态温度场,在合理的假设条件下,建立了机械密封环温度场的数学模型, 并利用经验公式计算了密封介质与密封环间的对流换热系数。然后利用ANSYS8. 0软件计算了机械密封 环的温度场,为研究机械密封环的热影响提供了参考依据。 关键词:机械密封环;稳态温度场;数学模型 中图分类号:TE969 文献标识码:B 文章编号:100628805(2005)0120047203 1 前言 机械密封在工作中,由于动静环的相对运动 而产生摩擦热,导致密封环的温度升高。密封环 的温度升高会产生一系列的问题:端面的温度升 高会使端面间的液膜汽化失稳,使磨损加剧,降低 密封件的使用寿命;密封环间的导热不均,易使密 封环间形成较大的温度梯度,而产生热变形,使接 触面形成锥形表面,改变端面的接触和润滑状态, 增加端面间的磨损和泄漏;当密封环的热应力过 大时会导致端面热裂(热应力裂纹)。所以,对机 械密封环的温度场分析是非常重要的。由于密封 环的结构以及边界条件较复杂,依靠传统的解析 方法要精确地确定温度,往往是不可能的,而采用 有限元法却能有效地解决上述问题。 利用ANSYS软件对机械密封环的温度场进 行的热分析,是基于能量守恒的热平衡方程,用有 限元法计算各节点的温度,并导出其他的热物理 参数。 2 密封环热分析的基本假设1 (1)由于机械密封环都具有或近似具有轴对 称结构,边界条件也是对称的,所以,温度场的分 布也是对称的; (2)系统在运行一段时间后处于热平衡状 态,温度场的分布是稳态; (3)摩擦热全部由密封环传递,不考虑介质 泄漏所带走的摩擦热; (4)分析时将动静环作为一个整体来考虑, 这样可以忽略密封环间的热量分配的影响。 根据以上所做的假设,密封环的传热问题简 化为二维问题,导热微分方程式是: 52T 52x + 52T 52r + 1 r 5 T 5r =0 式中:T 密封环的温度函数,T=T( x , r ) ; x 表示轴向; r 表示径向。 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;与空气接触处按照绝热进行 处理。 3 对流换热系数的确定 密封环的摩擦热主要是由动静环与密封介质 对流导出,因此,密封环与流体的对流换热系数是 影响温度场的一个因素。计算表明:密封环与介 质的对流换热系数增加一倍,密封环中的温度会 降低17 %左右,因此,使用经验公式是可行的。 (1)静环与周围介质的对流换热系数由式 (2)确定2 ,3: = ( Nu) 2 (2) 式中: 导热系数; 静环与密封腔内壁的距离; N u 努塞尔数,N u= 0. 0231(Re) 0. 8 (Pr) 0. 4 ; 1 修正系数,一般取1= 2 ; 收稿日期:2004200200。 作者简介:于小丹(1974 - ) ,女,辽宁省丹东市人,辽宁石油 化工大学在读硕士研究生(2005年7月毕业 ) , 研究方向:机 械密封辅助系统研究。 密封技术 石油化工设备技术,2005 ,26(3)47 Petro2Chemical Equipment Technology Re 雷诺数,Re= 2V ; V 介质的流速; 介质的运动粘度; Pr 密封腔内介质的普朗特数。 (2)动环的对流换热系数由式(3)确定4: = ( Nu)L/ Dr(3) 式中:L 介质的导热系数; Dr 动环的外圆当量直径; N u 努塞尔数,N u= 0. 135 (0. 5R2ec+ R2ea) (Pr ) 0. 33 ; Rec 反映介质的旋转搅拌效应,Rec= D2r/1; 动环的角速度; 1 介质的动力粘度; Rea 反映介质的横向绕流,Rea=V Dr/1。 4 摩擦热的计算5 端面摩擦热可以按式(4)计算: Q = f pbVA 式中:f 端面摩擦系数; pb 端面比压; V 圆周速度; A 密封面面积。 本文的计算模型:介质温度为41,端面比 压为0. 33MPa ,端面的平均滑动速度为6. 83 m/ s。 5 ANSYS有限元模型的分析过程6 ANSYS的有限元分析过程包括三个步骤: (1)前处理有限元建模和划分网格 利用ANSYS软件的前处理程序PREP7 ,经 过单元类型选择、 材料参数的确定、 几何建模、 单 元生成等步骤,建立密封环温度场的有限元分析 模型,并对有限元的模型进行网格划分。单元类 型选择的PLANE55单元,具有二维的热传导分 析能力,可用于轴对称的分析单元,每个单元上有 四个节点。本文采用自下向上的建模过程构造有 限元模型。由于是轴对称,所以只需建立密封环 的一个轴对称面即可;选择PLANE55轴对称单 元进行稳态的传热计算;自动进行网格划分。完 成的有限元模型如图1所示。 (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。在本例中分析的 类型为稳态温度场,添加载荷数据后系统将自动 求解。 图1 密封环温度场有限元模型 (3)后处理 可以通过友好的用户图形界面获得求解过程 的计算结果,并对这些结果进行运算。这些计算 结果可能包括位移、 温度、 应力、 速度及热流等,输 出形式有图形显示和数据列表两种。后处理访问 数据的方法有两种:一是通用后处理器POST1 , 检查整个模型或模型的某一部分中任意一个特定 数据集的结果;二是时间历程后处理器POST26 , 跨多个数据集检查选择的部分模型数据。 本例是对温度场的分析,所以基本数据是节 点的温度数据。由于是稳态的温度场分析,可以 使用POST1进行后处理,分析的结果见图2。 图2 密封环温度场 6 结果分析 (1)将采用本文所提供的方法计算的密封环 84石 油 化 工 设 备 技 术2005年 温度场的温度值与实测值相比较,分别选取以下 几点x= 0 ,r= 45. 9(静环 ) ; x= 12.3, r= 45. 9(动 环 ) ; x= 1.8, r= 43. 2 (静环 ) ; x= 1.8, r= 42 (静 环 ) , 其中,两接触面为r轴,与其相垂直的为x 轴。比较结果如表1所示,该结果表明计算值与 实测值比较吻合。 表1 密封环温度场的计算值与实测值比较 计算值/88. 622617179 实测值/9464. 174. 982 误差, %5.74. 84. 053. 6 (2)根据计算所得到的密封环温度场分析, 由于内半径处散热不好,所以内径处的温度高于 外径处的温度。最高温度点在内半径处,所以应 加强冲洗,注意冷却使密封面上的最高点下移, 减少液膜的沸腾半径,避免液膜汽化。动环的导 热系数大,对流换热好,所以,轴向温度梯度较 小;静环的导热系数小,与空气的接触面积大, 所以,轴向温度梯度较大。为避免热变形与热 裂,尽量选择导热系数较大的材料做密封环,同 时,应加强冷却,增大密封环与周围介质的对流换 热系数。 7 结论 利用ANSYS软件计算了机械密封环的温度 场。ANSYS提供了友好的图形用户界面,操作 简便,简化了计算的过程,提高了计算精度。由此 可以认为,利用该方法建立的模型是可行的,计算 结果可以作为机械密封的计算和设计的依据。这 种方法可以在工程实际中加以推广应用。 参考文献: 1 宋亚东.机械密封环温度场的研究J .国外油田工 程,1994 ,10(6) :4953 2 张书贵.机械密封环的温度场及变形J .流体工程, 1993 ,21(2) :59 3 朱孝平.机械密封温度简化计算模型J .流体机械, 1995 ,23(9) :3136 4 陈利海.机械密封温度场的可视化计算J .流体机 械,2001 ,29(5) :2931 5 顾永泉.流体动密封 M .北京:中国石化出版社, 1992 6 倪栋.通用有限元分析ANSYS 7. 0实例精解M.北 京:电子工业出版社,2003 (上接第46页) 循环氢离心压缩机用于炼油厂的催化重整、 加氢精制、 加氢裂化、 歧化和芳烃异构化等装置, 它将含氢气体在不断循环的过程中,反复进行临 氢化学反应。这种压缩机的特点是可在变工况下 运行,如装置开工初期和生产末期的催化剂活性 发生变化,循环气体的组成、 流量和操作条件也发 生相应变化的情况下。此外,还要考虑催化剂的 再生工况,因为压缩的气体主要为氮气,偏离正常 工况甚远,因此实现变速调节非常必要。 2002年有2台RWE11F7型VORECON配 置AC压缩机用于美国Citgo Lake Charles炼油 厂,其驱动功率为6936kW ,较好地适应各种运行 工况。据统计已有11台各种循环氢压缩机配用 VORECON实现变速调节。 7 结束语 电动机加变速行星齿轮驱动的方案,在环境 保护、 经济性、 操作维护等方面,都比其他两种变 速驱动机有明显的优越性,特别适用于驱动管道 增压离心压缩机的项目。在石油、 化工天然气、 海 洋平台、 发电厂和冶金工业等方面,无论新建和改 建变速驱动离心压缩机的项目中均有巨大的发展 潜力。 参考文献: 1 卢鹏飞,戴家齐,叶德丰.开发绿色同轴高速变频电动 机驱动管道离心压缩机机组的新设想J .油气储运, 2005 2 卢鹏飞.管道离心压缩机的两种驱动机(工业燃气轮 机和变速电动机)方案的比较J .天然气与石油,2003 (12) 3 Ernstberger A. Speed Control of Turbocompressors. VDI Report Nr. 1435. 1998 4 Colboc D. Variable Speed Drives:( Hydromechanics of Electric ; A Point of View Base on Experience of A Compressor ManufactuerDresser2Rand France