（化工过程机械专业论文）端面开槽非接触式气体密封流动与传热研究.pdf

端面开槽非接触式气体密封流动与传热研究 韩萍( 化工过程机械 指导教师：郝木明( 教授) 摘要 随着工业的快速发展，高温、高压、高速的工作状况使机械密封端面 温升过高，造成密封环的非正常磨损、热裂、变形及端面问介质汽化等问 题，导致密封迅速失效。因此，对密封端面温度场的研究非常重要，而流 体的流动与传热是密切相关的。本文应用计算流体力学软件对密封端面间 流体三维流动及温度分布进行了数值计算。选取流体膜为研究对象，通过 求解全三维n - s 方程，得到密封端面的流场及速度场，并从流体的流动过 程着手分析热量产生的根源；然后求解能量方程，得到了流体膜及端面温 度分布。结果表明流体膜温度升高主要是在高速旋转工况下，由流体内部 的粘性剪切作用及压力梯度作用引起的。这些热量及时地被阻塞流体和密 封环传出，避免了由端面局部温升导致的变形。文章还分析了压力、转速 等因素对密封性能及温度场的影响，重点考虑了温度对粘度的影响，得到 了变粘度情况下的温度分布。本文对螺旋槽气体端面密封建立三维模型， 网格划分实现了从微观尺度到宏观尺度的快速过渡，并借助商用软件成熟 的可视化功能，对端面流体流动进行模拟，效果直观，便于观察流动形成 及发展过程，进而控制温度及变形，对实验研究有一定的辅助指导作用， 并为密封结构及性能的优化设计提供参考，为后续密封环的变形计算奠定 基础。 关键词；非接触式气体密封，螺旋槽端面，流动模拟，温度场，变粘度， c f d s t u d i e so nf l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fn o n - c o n t a c t i n g g a s l u b r i c a t e df a c es e a l h a r tp i 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 y p r o f e s s o rh a om u r u i n g a b s t r a c t t h ei n c r e a s eo fl o c a lt e m p e r a t u r eg e n e r a t e do nm e c h a n i c a ls e a lf a c e s u n d e rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sl i k eh i 出t e m p e r a t u r e ，h i 曲p r e s s u r ea n dh i g h r o m t i n gs p e e d ，w i l lc a u s ea b n o r m a la b r a s i o n ，t h e r m a l c r a c ka n dd i s t o r t i o no f t h ee n df a c e ，a n dv a p o r i z a t i o no fm e d i u mi nt h ec l e a r a n c e ，f i n a l l yt h es e a l b r e a k sd o w n s ot h ea n a l y s i so nt e m p e r a t u r ef i e l do ff l u i df i l mi sv e r y s i g n i f i c a n t d u et ot h ec o r r e l a t i o no f t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r , t h et h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls t u d i e s 谢t 1 1c f ds o f l w a r ef o rf a c es e a la r ep r e s e n t e d f i r s t l y a p e r i o d i cm o d e lo ff l u i di ss e tu p ，a n dt h eh e a tg e n e r a t e do nf a c e si ss t u d i e d b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no nt h ei n t e r i o rf l o w t h e n , t h eh e a tt r a n s f e ri s a n a l y z e db ys o l v i n ge n e r g ye q u a t i o nf o rf l u i df i l m t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ew i t h i nt h ef l u i df i l mi sr e s u l t e df r o mt h e v i s c o u ss h e a ra n dg r a d i e n to fp r e s s u r e ，a n dt h e nt h eh e a ti st r a n s f e r r e d o u t w a r d sa c r o s st h eb u f f e rf l u i da n dt h es e a lr i n g s ，t h e r e b yt h ed i s t o r t i o ni s a v o i d e d t h ee f f e c t so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ns e a l i n gp e r f o r m a n c ea r e d e t e r m i n e d t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo i lv i s c o s i t yi sd i s c u s s e de s p e c i a l l y , a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht h ev a r i a b l ev i s c o s i t yi sp r e s e n t e d i i i t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e dm e s hf o rs p i r a lg r o o v eg a ss e a li su s e d ， w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo ft r a n s i t i o no fm e s he l e m e n tf r o mm i c r ot om a c r o s i z e t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os t u d ya n de x a m i n et h e f l u i df l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l d t h es i m u l a t i o n so f t h ef l o wd e v e l o p m e n ta n d h e a tg e n e r a t i o na r ev i s i b l ea n de x p l i c i t a n dt h e yc a nb ea v a i l a b l et o e x p e r i m e n t a ls t u d y , p a r a m e t e ra n dp e r f o r m a n c eo p t i o n a ld e s i g n so ft h es a i d s e a l s ，a n da l s ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gt h et h e r m a ld i s t o r t i o no fs e a l t i n g s k e yw o r d s ：n o n c o n t a c t i n gg a ss e a l ，s p i r a lg r o o v ef a c e ，f l o wv i s u a l i z a t i o n ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，v a r i a b l ev i s c o s i t y , c f d 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弘5 年 月弓。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：垒叠弘，年，月弓。日 导师签名一纽刁讲年 上月乡d 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 密封虽然只是一个很小的零部件，但在机械设备中往往起着至关重要 的作用。当工作介质为液化气体或高压剧毒、腐蚀性、可燃性气体时，一 旦发生泄漏，将造成火灾、爆炸及人身伤亡等重大事故。在石油化工行业 乃至航空航天工业中，密封被广泛应用于高温、高压、高转速的大型旋转 机械中。 以往的接触式机械密封，由于端面直接接触，寿命较短。在高速、高 温、低粘度等实际工况下，往往无法保证端面必要的润滑条件，造成密封 环的非正常磨损、热裂，表面剥落、氧化、结焦等问题，进而导致密封迅 速失效。 非接触密封的两密封端面虽被一层极薄的流体膜隔开，端面间不存在 直接的摩擦和磨损，但是密封环旋转产生的搅拌热及流体内部流动产生的 粘性摩擦热【”，仍然会使密封端面温升过高，出现如下问题： ( 1 ) 密封介质为液体时，端面液膜汽化造成液膜失稳，导致端面局 部接触： ( 2 ) 密封环问的导热不均，形成较大的温度梯度，产生热变形，使 平行间隙变成锥形间隙，导致端面磨损、泄漏量增大； ( 3 ) 密封环的热应力过大，导致端面热裂( 热应力裂纹) ，造成热 弹失稳。 这些问题将严重影响密封性能，使密封件使用寿命大大缩短。因此， 对密封端面温度场进行分析非常重要。 流体的传热过程与流体流动紧密相关，从流体流动着手研究密封端面 的温度场，可从根本上发现温度产生的根源及热量的散失过程。对于密封 端面流体流动与传热的研究，前人已做过部分工作，主要是采用手动编程 的办法，提出假设条件，简化流动方程，对二维模型进行计算，得到的结 果对后人研究具有指导意义。但诸多的简化和假设，会使问题脱离实际情 况。随着计算流体力学( c o m p u t e r f l u i d d y n a m i c s ，简称c f d ) 软件的出 现和日益成熟，流动模拟越来越接近于实际情况。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 本文借助c f d 软件之一f l u e n t 软件强大的计算能力和成熟的 模拟功能，对螺旋槽气体端面密封进行了全三维数值模拟。通过求解三维 流动方程，得到了密封端面流体的压力分布及速度矢量场，模拟了流体从 进入间隙到流出的整个过程，分析了端面问流体的微流动形式与微传热形 式，即流体在端面间如何流动，如何实现微泄漏，乃至零泄漏或零逸出， 以及流动如何产生热量的整个过程。本文还通过计算研究了实际工况参数 对密封性能的影响，并考虑了温度对粘度的影响。 本文应用商用软件可视化的优势，动态模拟了流体的流动与传热过 程，是常规实验无法实现的。计算所得结果与实际基本吻合，对实验研究 有一定的辅助指导作用，并为密封结构及性能的优化设计提供参考，为后 续密封环的变形计算奠定基础。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 端面开槽非接触式机械密封简介 非接触式机械密封是相对接触式密封而言的。接触式密封端面间亦充 满流体，但流体膜厚度远小于端面上微凸体的高度，因此流体膜不连续， 密封环之间发生局部接触；而非接触式密封端面被一层完整的流体膜隔 开，其摩擦状态为纯流体润滑，一般流体膜厚度为2 1 0i tm 。 二十世纪六十年代后期，c h e n gh s 圾e t s i o ni 等人发现密封端面变 形出现的锥度，可产生静压力，使密封端面分离形成非接触式机械密封。 但是，由于形成锥度的原因很多，且在运行过程中不断发生变化，对锥度 的正确预测和控制还有很大困难，密封稳定性很差，因此主动利用锥度的 机械密封应用并不广泛。与此同时，人们受流体动压轴承的启示，在机械 密封端面开槽、台阶、斜面、孔等一系列措施，来主动利用流体动压与静 压特性实现端面非接触，此项研究日益深入，取得了不少突破性的进展。 非接触式机械端面密封可分为流体静压密封和流体动压密封。适合于 高压高速工况和润滑性差的密封介质( 气体、沸腾液体、低温液体) 。流 体静压密封是依靠外界压力源将流体压入间隙，使端面间流体膜具有足够 的静压承载能力，以实现两端面非接触。通常流体静压机械密封有具有节 流孔凹槽型、具有多孔性节流器型、径向台阶型和径向收敛间隙型。 流体动压密封是利用流体的动压效应产生承载能力，使密封面完全分 开的密封。在流体动压密封中，密封面的分离和承受的挤压载荷是靠流体 膜在摩擦力作用下，从间隙收敛部分压出，产生承载力来实现的。此类密 封通常在端面上设置雷利台阶、斜平面及其他各种槽型。工业中应用最广 泛的是端面开槽型密封，其槽形有螺旋槽、圆弧槽、直线槽、八字形槽、 人字形槽等形状。 根据端面流体状态又可分为气膜密封以及液膜密封。液膜密封发展较 早，在早期工业机械中应用较多；但相比气膜密封发展较缓慢，这是由于 气膜密封具有泄漏率低、密封寿命长、运行维护费用低、经济效益显著等 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 优点。因此，自1 9 7 6 年，人们第一次将带螺旋槽的气体端面密封应用于 天然气管道压缩机上至今【2 】，气体端面密封已经成为一种低泄漏率、低磨 损、长寿命的最理想的高效密封。目前，典型的液膜密封主要为上游泵送 机械密封，这种密封通常用于压力较高的旋转流体机械轴封，或与其他密 封组合用于高粘度、含固体颗粒介质的停车密封以及高速旋转机械的轴承 密封等；气膜密封的典型形式为干气密封，可用于易汽化、剧毒、高污染 性介质的密封。这两种密封效果显著，可以实现介质的零泄漏或零逸出， 目前已广泛应用于石油天然气、化工和航空等重要工业行业中，尤其是在 一些大功率、高压差、高转速的大型流体机械中发挥着不可替代的作用。 2 2 端面开槽机械密封流体流动研究状况 2 2 1 模型建立历程 静环与动环间隙内为非稳定的复杂三维流动，解决非常困难。所以在 对轴承、密封最初的研究中，都是对低速操作条件下的密封进行研究，建 立的大部分模型是等温理想流体、不考虑惯性、完全对中的稳态层流一维 或二维模型。图2 - l 所示为一外径开槽密封的二维几何模型及其截面图， 左图黑色部分为槽区，右图凹陷部分为槽区。 静环 ， 旋向 动环 图2 - 1 螺旋槽气体密封的二维几何模型 1 9 8 9 年，l i p s e h i t z 3 1 提出了一维稳态双向非接触式端面密封的计算模 型，使密封不管是静态还是动态，其性能都不依赖于旋转方向。1 9 9 1 年， l i p s c h i t z 4 1 对径向直线平底槽双向旋转气体止推轴承的性能分析中，建立 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 了一维稳态模型。1 9 9 2 年，b a s u 5 1 在对径向圆弧形槽底气体机械密封的性 能分析中，建立了二维稳态模型。 随着工业的发展，密封工况要求越来越高。速度的增大，使流体惯性 的影响不断增强，最终将导致流态改变，并伴有发热现象；高速旋转引起 的动静环及轴的振动对稳定性影响极大【6 1 。此时，二维模型已不能满足工 程计算需要。9 0 年代以后，开始建立如图2 2 所示的三维模型，以研究密 封端面内的三维流动。 z 图2 - 2 非接触式密封的三维模型 1 9 9 3 年，b o n n e a u 等【7 】建立了等温状态下的三维模型，分析了低速和 中速操作条件下稳态螺旋槽气体端面密封的压力和泄漏量等性能。c h i l d s 在以往润滑方法的基础上考虑了惯性力的影响，对密封非稳态三维流动进 行了简化计算，分析了动环旋转引起的振动对流动的影响j 。b r a u n 和 d z o d z 0 1 9 1 建立三维模型，用多元有限体积法求解三维n s 方程，对流体动 压槽内的三维流动进行了研究。k u d r i a v t s e v 和b r a u n l l 0 】应用三维槽堰区 模型，研究了泵入式螺旋槽密封中槽堰区的流体流动。 三维模型般用于分析密封的湍流流动、动态性能等。在进行温度场 及变形分析时一般采用二维轴对称模型，可简化计算。p a r v i zm e r a t i 等【“j 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 采用轴对称二维计算模型来预测接触式机械密封腔内的流场及动静环内 的温度分布。 另外，近年来出现了一些新型的动静压结合的端面型式，刘雨川【1 2 1 对其建模并作了较为全面的定量分析比较。其中提到了几种常用的典型动 静压结合的端面模型：螺旋槽、瑞利台阶、小孔浅腔及小孔深腔等，如图 2 3 所示。 螺褫缅 吼邀澎 图2 3 几种动静压结合密封的端面结构示意图 纵观国内外密封研究史，采用的模型从一维到三维，从等温理想流体 到非等温流体、从牛顿粘性流体到非牛顿流体、从层流到湍流、从稳态到 非稳态、从动态到瞬态，发展越来越完善；考虑的影响因素越来越趋向于 实际工况，将惯性力、扰动、偏心嘲、表面波度i t 3 j 、锥度、粗糙度、粘温 效应【1 4 】等因素加以考虑。但要建立实际操作工况的密封计算模型，需要综 合考虑上述因素，因此至今还没有人能做到，大部分文献都是为了单纯研 究某一方面的特性或便于计算，对模型进行简化或假设。 2 2 2 分析方法研究状况 解析方法 密封的研究理论最早起源于轴承理论。w h i p p l e 最早建立开槽平面流 体压力分布模型，提出了压力线性分布理论，即w h i p p l e 轴承理论。1 9 6 1 年，w h i p p l e 又提出了窄槽理论，成为早期端面开槽密封的基础理论。这 种理论假设槽为无限多个，槽宽很窄，将跨槽堰的局部可压流体膜当作不 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 可压缩流体膜，得到的气膜压力分布较粗糙。1 9 6 6 年，m u i j d e r m a n 在 w h i p p l e 模型的基础上，采用复变函数保角变换理论将螺旋槽模型转化成 平行直线槽模型，建立了多种螺旋槽和人字形止推轴承模型，重点考虑了 槽端部的影响，给出了各种轴承的压力、承载能力、摩擦扭矩和摩擦因子 的近似公式，提出了较完整的螺旋槽轴承理论 1 4 1 。1 9 6 8 年，s n e c k ”，1 6 】 通过修正润滑理论中的短轴承方程，讨论了层流和湍流下密封端面几何形 状和惯性对其性能的影响。1 9 6 9 年，c h e n g 等讨论了窄槽理论在可压缩流 体密封中槽坝交界处的应用。1 9 7 2 年，s m a l l e y 将窄槽理论用于整体坐标 系，分析了平面、球面、锥面和柱面槽结构，用有限元法求解雷诺方程得 出了一系列流动性能【1 7 j 。1 9 7 3 年，s n e e k 和m e g o v e m 提出了一种用窄密 封近似螺旋槽密封的数学模型，得到不可压缩流动方程的一维解。后来的 解析解法，虽进行了很多修正或改善，但始终未能摆脱窄槽理论中对跨槽 堰气膜的不可压线性化压力分布假设的束缚。但是在一些简化分析中，窄 槽理论的简化解，仍然能见到应用 1 8 】。 数值方法的研究进展 密封结构中槽坝区域的不连续造成控制方程非线性，直接求解非常困 难，解析法又不得不作必要的简化，随着电子计算机的出现和发展，数值 分析成为研究端面开槽密封、轴承等性能的有力手段，并日益占据主导地 位。总的来说，主要有基于雷诺方程的数值解法和基于n s 方程的数值解 法。 雷诺方程一直以来是解决润滑问题和密封问题的主要工具。一般意义 上的雷诺方程是假设流体膜厚度与密封端面特征尺寸相比非常小，不考虑 湍流、惯性、流体性质等因素的情况下，由运动方程和连续性方程联立推 导得出的。在理论研究和实际问题的解决过程中，用到的大都是这种一般 意义上的雷诺方程，而随着研究的不断深入，人们开始渐渐考虑了非等温 流动、湍流、惯性、流体阻塞等问题。随后出现的雷诺应力方程、湍流动 能方程及计算流体力学的应用，在解决三维实际流动方面发挥着巨大的作 用。即使如此，雷诺方程在整个润滑领域内仍然占据主导地位。b a s u 【5 】 在对径向圆弧形槽底气体机械密封的性能分析中，通过求解二维稳态雷诺 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 方程得到了密封端面槽坝区的压力分布及开启力。s a l a n t 等【1 9 】研究了端面 开斜槽的机械密封中槽的几何参数对密封性能的影响。s h e l l e f 和 j o h n s o n 【2 0 】通过求解二维层流稳态雷诺方程，分析了径向槽双向干气密封 的密封性能，并指出非常大的振动会导致相当大的泄漏和端面接触。 b o n n e a u 等f 7 1 通过解三维可压缩性雷诺方程，分析了低速和中速操作条件 下稳态的螺旋槽气体端面密封性能。z i r k e l b a c k t l 7 1 求解了高转速下非线性 雷诺方程的波动形式，分析了几何参数对干气密封性能的影响。m a r c o t u l i o e 2 1 1 提出了一种新的高阶g a l e r k i n 加权余量法，并用于高速开槽气体 密封性能参数的研究分析。 n s 方程是解决流体力学最基本的方程之一。事实上，从数学角度讲， 雷诺方程是n s 方程经过诸多简化后得到的一种特殊形式。随着流体力学 和计算流体力学的迅速发展，人们将许多先进、高精度的n s 方程求解方 法应用于润滑和密封研究领域，深入地考虑了湍流、流体阻塞等三维流动 问题，特别是湍流问题，并取得了一定的进展。 近年来，采用计算流体力学软件进行辅助计算成为一种趋势，其计算 精确、模拟直观等优点受到工程计算的青睐。 b r a u n 等【2 2 】通过求解n s 方程，集中研究了流体静压槽尺寸比例、槽 壁上节流器的位置和考虑转向的节流器的倾斜度。模拟了槽内流体流动， 分析了漩涡的产生发展及槽内的二次回流。p a r v i z m e r a t i 等【l l 】建立了二维 轴对称计算模型，采用f l u e n t 软件计算了密封腔内的湍流流动及动静 环内的温度分布。s h i f e n gw u 和r a yc 1 a r k 团】建立了稳定流动惯性( 不旋 转) 坐标系，借助f l u e n t 软件分析了槽位于动环端面和静环端面两种 结构的密封性能，并考虑了惯性力的影响。k u d r i a v t s e v 和b m u n t l o 采用 c f d a c e + 软件，求解全三维n - s 方程，研究泵入式螺旋槽密封中的流体 流动形态，并得到了近似实际操作条件下螺旋槽密封的速度场和压力分 布。b r a u n 等【2 4 】又应用c f d - a c e + 软件对手指密封建立基于n s 方程的三 维模型，计算端面温度、变形及动态性能，并模拟了气体在密封中的流动 过程。 国内方面，王美华等【2 5 悃有限元法求解简化的n - s 方程，计算了动 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 压可控机械密封在考虑离心力作用时的油膜压力分布，得出对于槽深、膜 厚不太大的非接触式机械密封，惯性力对流体流动影响很小的结论。宋 鹏云【2 6 】采用有限差分法研究了径向直线槽液体机械密封的端面液膜压力 分布。王和顺等人1 2 7 建立了径向直线槽密封的三维简化模型，将流体的 长度和宽度减小到和厚度一样的数量级( 微米级) ，并将旋转运动简化为 直线运动，采用f l u e n t 软件对其密封性能进行定性分析。 实验方法的研究进展 由于密封间隙非常小，所以密封流动及传热实验非常困难，发展也相 对缓慢。国外的实验研究开始于二十世纪六十年代。1 9 6 6 年，m u i j d e r m a n 提出窄槽理论后，并作了陶制螺旋槽止推轴承的空气压缩机实验。1 9 6 7 年，j a m e s 和p o r e r 也作了类似的实验。1 9 8 2 年，d i r u s s o 通过实验测量 了当流体动压力超过弹簧力时，多种外部泵送空气螺旋槽端面密封的膜厚 和扭矩。1 9 9 1 年，b r a u n 等人t 2 8 1 实验测得刷式密封的速度和压力分布，并 对结构内复杂的流场进行了模拟。实验中用到的流场模拟技术是由b r a u n 等人为了研究流体动静压轴承微小问隙中流动提出的全流场追踪技术，由 激光测量、拍照并计算得到速度、压力分布，最后通过计算机终端实现可 视化。1 9 9 8 年，l e b e e k 等通过实验确定了机械密封端面上的热变形。 p h i l l i p s 等1 2 9 l 开发了一种密封测试环，可在典型的泵送运转环境下确定出 机械密封端面的热力特性。 t e x a sa & m 大学涡轮机械实验室的m o r r i s o d - 于1 9 9 4 年利用激光多 普勒测速仪( l d v l d a ) ，对密封流场开展了大量的三维测量工作。1 9 9 7 年，m o r r i s o n 3 0 】又对环形密封和迷宫密封的速度场进行了测量，数据显示 密封内有明显的回流现象；通过压力传感器的测量，得到了壁面的压力和 剪切应力分布。a r g h i r t 3 ”对涡动环形密封进行了三维l d a 测量，并把测 量结果和准稳态小扰动模型的数值结果进行比较，发现在压力分布和壁面 剪切应力分布上都相当吻合。后来出现的粒子成像测速技术( p i v ) 被用 于非接触式二维全场速度矢量的测量，可得到端面流体的二维流场分布。 2 3 非接触式机械密封温度场研究状况 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 温度场的计算是在压力场的基础上发展起来的，同时温度场又是计算 密封变形的基础，因此，近年来，国内外在此方面的研究呈现了新的趋势。 李红等1 3 2 1 利用解析法建立了机械密封环稳态温度场模型，但此模型由 于进行了较多的假设和简化，只适合于密封环截面为矩形的情况。陈文毅 m j 采用同样的简化，建立了有限元计算模型，用三节点三角形单元有限元 法计算了机械密封的稳态温度场，把动静环及其环座作为一个整体进行计 算，对流传热系数采用试验值。法元金【3 4 】给出了六节点和八节点三角形等 参单元的有限元模型，并编制了f o r t r a n 语言计算程序，以求解各种 传热边界条件的机械密封温度场。张书贵【3 5 】利用自编有限元程序s d t f 对 多种热边界条件的机械密封温度场进行了计算。p a r v i zm e r a t i 等【i l j 采用轴 对称二维计算模型，将动静环端面间的摩擦简化为热源，并作为一热边界 条件，计算了接触式机械密封腔内的流动及动静环的温度分布。 机械密封端面温度的实验测量方法主要有热电阻法、热电偶法和红外 测量法等。热电阻法是利用导体或半导体的电阻随温度变化的性质进行测 量的一种方法。此方法响应速度快，在测量端面温度时能直观地反映密封 面的摩擦发热情况。热电偶法是机械密封端面温度测量中采用最多的种 方法，其优点是测试精度高，相对稳定性好，能准确反映温度的变化情况。 红外测温法是利用红外光谱进行测温，能实现端面温度连续、实时测试。 其主要缺点是红外热像仪价格贵昂，因而很难推广使用。 2 4 研究现状总结 纵观历史，密封的研究已近半世纪。由于密封端面槽的存在，使密封 端面内的三维流动循环模式非常强，流动的形成也相当复杂，计算过程存 在一定的难度。前人虽已做了大量工作，但仍存在以下几点不足： 自编程序的方法存在局限性，大多目的单一、适应性不强，且费 时、费力，缺少一个可以系统完整地计算密封性能，并适用于多种密封型 式的软件。 对密封间隙内的流动研究较少。大多数文献只对密封性能进行计 算，实验研究很难实现动态模拟，因此计算中只能忽略流体在端面内的流 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 动，将流动与传热分开计算，这样往往忽视了流动与传热、温度与粘度之 间的相互影响，分析不全面。 现有的螺旋槽数值模拟大多局限于窄槽理论和雷诺方程的应用， 通过近似的简化模型或方程来求得近似解或数值解；求解n s 方程并考虑 湍流、惯性及流动堵塞等影响因素的较少。 多数学者只对简单的端面开槽动压密封或静压密封进行性能及温 度场研究，对复杂结构的密封研究较少。 密封研究至今，实验研究相对理论研究比较欠缺，发展较慢，实 验手段有限，至今未能实现密封间隙内三维流动的测量及模拟，无法对现 有结论进行验证。 因此，密封理论方面的研究还有待完善，计算流体力学在密封性能研 究上的进一步应用还有很多工作可做。 中园石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 端面开槽机械密封中，从流动效率和稳定性考虑，螺旋槽最为理想1 3 6 1 ， 因此螺旋槽端面密封是目前应用最广泛的一种结构，本文就以螺旋槽密封 作为研究对象展开讨论。 3 1 螺旋槽端面密封的密封机理 图3 1 螺旋槽端面密封结构示意图 i 动环2 静环3 - - - 弹簧4 5 8 o 形圈卜转轴7 一组装套 螺旋槽端面密封是利用加工于密封端面上的一系列螺旋槽来产生流 体动压使密封端面分开的。图3 1 为螺旋槽端面密封结构示意图，它由动 环、静环、0 型圈、轴及组装套组成的。静环背面为弹性元件，通常为弹 簧或波纹管，以实现对动、静环端面的预紧。动环一般采用硬质材料，不 易磨损，所以在动环端面开设螺旋槽。螺旋槽位于内径处为泵出式密封， 位于外径处为泵入式密封。静环左侧为密封介质，动环与静环之间为阻塞 流体。 当动环随轴一起旋转时，阻塞流体沿周向被吸入螺旋槽内，由外径朝 向中心，流体流动的切向分量产生动压效应，径向分量朝密封坝流动，而 密封坝阻止流体流向中心，于是流体被压缩引起压力升高，如图3 2 所示。 由此产生的流体膜压力推动静环移动，与动环分离，当流体压力与弹簧力 及密封介质压力达到平衡后，流体膜将保持不变阳。由此，流体膜压力即 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 为开启力，弹簧作用力及密封介质压力即为闭合力。这样，闭合力与开启 力配合好，使流体膜具有良好的弹性即膜刚度，便能形成稳定的运转并防 止密封面相互接触。 图3 2 螺旋槽端面密封工作原理图 r p i r r j 并被 心 图3 - 3 螺旋槽密封端面的作用力图 r r 一弹簧力f c 一闭合力f l 产开启力 艮一介质压力一内径处压力陌一外径处压力 i 正常运转2 一流体膜厚变大3 流体膜后变小 图3 - 3 所示为螺旋槽端面密封的作用力图。在正常运转条件下，密封 的闭合力与开启力相等，这是理想的设计工况。若受到外来力干扰，动、 静环间隙减小，则流体剪切力增大，螺旋槽端面间流体膜压力开启间隙的 效能增加，开启力大于闭合力，使密封端面恢复到原间隙；若受到外来力 干扰，动、静环间隙增大，则螺旋槽端面问膜压下降，开启力小于闭合力， 密封面合拢恢复到原间隙。只要在设计考虑的范围内，外来扰动消失后密 封端面马上可以恢复到原来的位置。可见，螺旋槽机械密封对压力波动和 外来机械干扰具有自动调节功能。在密封设计时应考虑尽量产生较大的流 目黾 舀日冒 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 体膜刚度，以增大密封的抗干扰能力。 3 2 螺旋槽气体端面密封流体动力润滑方程的建立 3 2 1 物理模型 对于密封端面微小间隙内流体膜建立模型如图3 - 4 ，其中，：= 0 平面 表示静环端面，z = | l l k y ) 表示流体膜及动环。根据流体流动状况，作如 下假设： y 图3 - 4 端面流体膜物理模型 ( 1 ) 间隙内流体视为连续介质，端面间为完整的流体膜润滑； ( 2 ) 端面问流体为牛顿粘性流体； ( 3 ) 端面流体与密封表面无相对滑移； ( 4 ) 密封环为刚性材料，弹性模量高、刚度大，忽略密封环变形； ( 5 ) 密封环完全对中，运行稳定，无扰动。 3 2 2 流体动力润滑方程建立 ( i ) 粘性流体运动方程 纳维埃一斯托克斯方程( n a v i e r - s t o c k s 方程) 简称n s 方程，是流体 动力学基本方程，可以根据牛顿第二定律得出，用直角坐标表示为： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理诠皇盐篁塑鲨 p 告= 一老+ 等去勺u ) + 2 p 面d v = 一考+ 等茜u ) + 2 v p 害= 膨一瓦o t , + 等鲁( v u ) + 胛2 w 式中，面d = 昙+ 甜瓦o + v 导+ w 鲁为欧拉导数； ( 3 1 ) v 2 = 导+ 导+ 导为直角坐标系用拉普拉斯算子； d i v u ：娑+ 学+ 半为速度u 的三项体积变化率： ( o y “ u 、v 、w 为速度u 在工、y 、z 方向上的分量，m s ： 鼠rz 为体积力在“”z 方向上的分量，n m 3 ： 口为流体密度，k g m 3 ： u 为流体的动力粘度，p a s ； p 为绝对压力，p a 。 ( 2 ) 连续性方程 连续方程是质量守恒定律应用于流体流动的方程，利用连续介质假 设，流入的流体质量与流出的流体质量之差等于封闭空间中流体质量的变 化，其直角坐标系表达式可表示为： o _ e _ a + 塑+ 塑+ 塑：0 ( 3 2 ) 西缸 勿 出 ( 3 ) 能量方程 根据能量守恒定律，加到流体中的热量由，等于流体对外所作的机 械功d w 克服摩擦所消耗的功d 叻以及动能d u 2 2 、位能g d z 和内能增量 讲之和。其数学表达式为： 砌= d i v + d w ，+ 如2 2 + g d z + d i ( 3 - 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 ( 4 ) 状态方程 认为气体介质为理想气体，满足气体状态方程： p=觑r(3-4) 式中，r 为气体常数，无量纲； r 为绝对温度，k 。 3 3 控制方程的求解 3 3 1 计算区域的离散 计算区域的离散化，即通常所指的网格划分，是把计算区域划分成多 个互不重叠的子区域，确定每个子区域的节点及其代表的控制体积。 网格类型有结构网格和非结构网格。结构网格是指网格区域内所有的 内部点都具有相同的毗邻单元；而非结构网格是指网格区域内的内部点不 具有相同的毗邻单元，网格单元较灵活。对于三维体来说，结构网格单元 一般为六面体，而非结构网格单元为四面体或棱柱。 结构化网格可以很容易地实现区域的边界拟合，适用于流体和表面应 力集中方面的计算。其网格生成速度快、质量好、数据结构简单、区域光 滑、收敛容易、计算准确等优点，但结构化网格适用范围较窄，只适用于 形状规则的图形。 而非结构网格节点和单元的分布可控性好，因而能较好地处理边界， 适用于模拟真实复杂外型。其生成方法采用一定的准则进行优化判断，因 而网格质量较高，很容易控制网格的大小和节点的密度，有利于进行网格 自适应。对于复杂结构，只需在边界上指定网格的分布，在边界之间可以 自动生成网格，无需分块或用户干预。但对于同样的几何模型，非结构网 格数量远多于结构网格，使计算速度减慢。特别是对于物面附近存在的凹 槽、细缝等复杂外形处理比较困难。 因此，在保证网格质量的前提下，对于几何形状复杂的区域，可先分 块后划分结构网格的方法，加快计算速度和精度。也可以根据初步计算结 果，将压力、温度梯度较大的地方进行网格加密，以减少计算误差。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 衡量网格质量的标准包括：节点分布、光滑性以及倾斜角度 ( s k e w n e s s ) 三个指标。网格质量对计算精度和稳定性有很大影响，是 c f d 计算成功的关键。 3 3 2 控制方程基于有限容积法的离散化 对控制方程的离散化采用有限容积法，是将守恒型控制方程对有限容 积作积分来导出离散方程。基于有限容积法导出的离散方程具有守恒特 性，且离散方程物理意义明确。 3 3 2 1 控制方程的通用形式1 3 8 1 为了使抽象的计算公式具有物理意义，在一些文献中可见到，求解流 动与传热问题主要变量( 速度及温度等) 的控制方程可以表示成以下通用 形式： 掣+ 硪v 6 0 v 妒) ：执心g 删) 鹕 ( 3 - 5 ) 式中，西为通用变量，可以代表甜，v ，w ，t 等求解变量： 厂。为广义扩散系数； s 。为广义扩散源。 式( 3 5 ) 中，左边第一项为累积项，左边第二项为对流项，右边第 一项为扩散项，右边第二项为源项。对于不同变量的求解，厂。与s 。的表 达式是不同的。 在控制方程的离散过程中，非线性的对流项及动量方程中的压力梯度 项的离散极为关键，其数值处理方法也较为复杂，数值计算结果如何主要 取决于这两项的离散化。 从物理过程的特点来看，对流作用带有强烈的方向性，因而对流项虽 为一阶导数项，但其离散处理最为困难。而且，对流项离散方式构造是否 合适将影响到数值解的准确性、稳定性及计算经济性。 3 3 2 2 离散格式 ( 1 ) 中心差分 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 p 。 e 广1 1 瓦耐 图3 - 5 一维中心差分示意图 图3 5 为一维均分网格，( 6 功c - ( 6x ) w = a x ，将对流项的一阶导数对 控制体积p 作积分，代入界面上分段线性型线，得到如下格式： 垃：上r f 型k ：盘二血 ( 3 6 ) 缸 缸“l 出 2 缸 扩散项的离散一般采用中心差分，而且具有二阶精度。 ( 2 ) 迎风格式 由于对流项的中心差分取的是上、下游节点的计算平均值，未能充分 考虑流动方向的导数差分计算式及界面上取值方法的影响，因而会导致物 理上不真实的解。而迎风格式是界面上的未知量恒取上游节点的值，因而 其计算过程绝对稳定，能很好的解决以上问题。 一阶迎风格式的截断误差只有一阶，计算结果误差较大。二阶迎风格 式，具有二阶截断误差，精度较高。 q u i c k 格式是对流项的二次迎风格式，是通过提高界面上插值函数 的阶数来提高格式截断误差的。q u i c k 格式具有守恒特性，具有三阶精 度。 ( 3 ) 幂率格式 幂率格式是将对流项与扩散项同时考虑得出的差值格式，是整个对流 一扩散方程的离散格式。而迎风格式则是分别由相应的对流项离散格式加 上扩散项的中心差分构成的。 一般来说，在满足稳定性条件的范围内，截差较高的格式准确度较高。 若采用低截差格式则网格须足够细密。一般情况，扩散项离散采用中心差 分，对流项离散采用二阶迎风格式或q u i c k 格式，整个方程的截段误差 为二阶，计算结果较精确。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 3 3 3 边界条件 边界条件是在求解区域的边界上所求解变量或其一阶导数随地点及 时间的变化。一般情况给定流动边界条件和温度边界条件。 流动边界包括固体壁面、入口边界、出口边界、周期性边界等，在这 些边界上定义流动速度和压力。温度边界条件一般为固体壁面上的温度分 布、热流密度或流体传热系数三种类型。 3 3 4 离散方程的求解 控制方程离散后的代数方程可采用耦合法和分离法进行求解。祸合求 解方法对计算机的资源要求较高，其发展程度也不甚成熟，因此多用分离 求解方法【3 扪。 采用分离方法求解各变量的离散方程时，甜、v 、w 、p 、t 各类变量是 独立有序的进行求解的，而压力本身并没有控制方程，它是以源项的形式 出现在动量方程中的。因此控制方程的求解关键在于动量方程中压力的一 阶导数的离散。 压力和速度的耦合关系隐含于连续性方程中，如有压力场是正确的， 则据此压力场求得的速度场必定满足连续性方程。但给定的初始压力场， 计算得到的速度场，未必能满足连续性方程，因此要通过对压力进行修正， 使修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续性方程。 据此导出压力的修正值与速度的修正值，并以修正后的压力与速度开始下 一层次的迭代计算，直至满足收敛精度为止。一般常用压力与速度的耦合 算法为s i m p l e 系列算法和p i s o 算法。 ( 1 ) s i m p l e 系列算法 s i m p l e 算法是求解压力耦合方程的半隐式方法，是使用压力和速度 的相互校正关系来强制满足质量守恒，给定压力和速度初值，对计算得到 的压力采用亚松弛方法进行修正，最终获取压力场。在算法中，假定了一 个速度分布和一个压力分布，两者之间可能未必协调，因而会影响迭代收 敛速度。 s i m p l e r 算法则是给定一个初始速度场，通过求解压力泊松方程来 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章螺旋槽端面密封润滑理论与计算方法 获得压力初值及更新，压力不