（流体机械及工程专业论文）孔槽耦合端面液体机械密封性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论丈 摘要 零泄漏非接触是动压型液体机械密封的最佳性能，它的实现是当前及今后机 械密封研究的热点和方向。目前，国内外学者的研究表明：微孔端面液体机械密 封具备良好的润滑性能，是实现“非接触 的有效途径；螺旋泵送槽端面液体机 械密封能够有效阻碍液体的泄漏，有望实现“零泄漏”。本文从兼顾润滑和密封 性能的角度出发，着重研究微孔和泵送槽相结合端面的孔槽耦合液体机械密封性 能，为实现零泄漏非接触性能提供基础。 本文首次将动边界数值模拟方法引入机械密封内流场研究中，解决了润滑膜 厚度不可预知和人为预定膜厚带来与实际不符合的问题，更真实地模拟和分析内 流场特性，并通过正交试验法下的模拟和试验优化孔槽耦合端面机械密封的槽参 数。研究结论如下： ( 1 ) 粘性流体流经渐缩截面可能产生动压效应，微孔的渐缩截面具备产生动压 效用的能力，本文研究的孔槽耦合端面液体机械密封与普通机械密封相比，端面 开启力更大、摩擦力更小、泄漏量更小，表明孔槽耦合端面液体机械密封是达到 零泄漏非接触的有效途径。 ( 2 ) 正交试验法可以有效分析机械密封端面造型参数对特性的影响关系，且研 究工作量仅为单一参数研究法的1 0 以内，是一种机械密封端面造型优化的高效 方法。 ( 3 ) 数值模拟研究的结果表明：在本文研究范围内，最优的孔槽耦合端面液体 机械密封槽型参数为：螺旋角1 6 0 ，槽深6l am ，槽径比0 6 ，槽数1 4 ，其中槽径比 对性能影响最大，螺旋角比槽数更重要，当槽深小于8l am 时，槽深参数的重要程 度下降。 ( 4 ) 试验测试的结果表明：在本文研究范围内，最优的孔槽耦合端面液体机械 密封槽型参数为：螺旋角1 6 0 ，槽区堰区比1 ，槽径比0 4 - 0 6 ，槽数1 2 ，试验结 果与模拟计算结果比较吻合，但试验中槽数对孔槽耦合端面液体机械密封的性能 影响比数值模拟结果略大。 关键词：液体机械密封，孔槽耦合端面，动边界，正交试验法，f l u e n t 江苏大学硕士学位论文 z e r ol e a k a g ea n dn o n c o n t a c ta r et h eu l t i m a t eg o a lo fl i q u i d l u b r i c a t e dm e c h a n i c a l s e a l t l i i ss u b j e c tw i l lb e c o m eah o ts p o ti nf u t u r e i ti sp r o v e dt h a tm i c r o - p o r es u r f a c e m e c h a n i c a ls e a l 丽mg o o dl u b r i c a t ep e r f o r m a n c ec a nr e a l i z en o n c o n t a c ta n d 丽t h p e r f e c tl e a k a g ep e r f o r m a n c ec a ni m p l e m e n t a t i o nz e r ol e a k a g ew h e ni tc o m e st os p i r a l g r o o v ef a c em e c h a n i c a ls e a lb a s e do nt h er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h em i c r o - p o r e a n ds p i r a lg r o o v ef a c em e c h a n i c a ls e a l sw a ss t u d i e di nt h i ss t l l d yt op r o v e dt ob ea f o u n d a t i o no fz e r ol e a k a g ea n dn o n c o n t a c tm e c h a n i c a ls e a l m o v i n gb o u n d a r yw a su s e dt os i m u l a t et h ei n n e rf l o wo fm e c h a n i c a ls e a lf i r s t l yi n t h i sp a p e r t h ep r o b l e mo fu n k n o w nf i l mt h i c k n e s so fi n n e rf l o w , w h i c hh a sb e e n p l a g u e ds c h o l a r s ，w a ss o l v e da n dt h ef i l mt h i c k n e s sc o u l db eo b t a i n e db yd y n a m i cm e s h ， w h a ti sm o r e ，t h ef l o wf i e l di sc l o s e rt oi t sr e a lf l o ws t a t u s as e r i e so fe x p e r i m e n t sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e dt oo p t i m i z et h eg r o o v ep a r a m e t e r so nm i c r o - p o r e a n ds p i r a lg r o o v ef a c em e c h a n i c a ls e a l sb yt h eo r t h o g o n a lt e s t t h er e s u l t sw e r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) d y n a m i cp r e s s u r ee f f e c tc a l lo c c q l rw h e nv i s c o u sf l u i df l o wt h r o u g hc o n t r a c t r e g i o n m i c r o p o r ec a np r o d u c ed y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t , t h eh i g hp r e s s u r er e g i o no f a p p e a r si nt a p e r e ds e c t i o n c o m p a r e dw i t hc o m n l o nm e c h a n i c a ls e a l s ，m i c r o p o r ea n d s p i r a lg r o o v ef a c em e c h a n i c a ls e a l sp e r f o r m sb e t t e ri no p e n i n gf o r c e ，f r i c t i o n a lw e a ra n d l e a k a g ei nt h i ss t u d y a sar e s u l t , t h em i c r o - p o r ea n ds p i r a lg r o o v ef a c em e c h a n i c a ls e a l i saf e a s i b l ew a yt og e th i 曲s e a l i n gp r o p e r t y ( 2 ) t h eo r t h o g o n a lt e s tc a l le f f e c t i v e l ya n a l y z et h er e l a t i o n s h i po fs p i r a lg r o o v e p a r a m e t e r sa n ds u r f a c et e x t u r em e c h a n i c a ls e a le f f e c t i v e l y 。i ti sah i g hp e r f o r m a n c e m e t h o dt os t u d yt h eo p t i m i z a t i o nt h es u r f a c et e x t u r eb e c a u s et h ew o r k l o a di sl e s st h a n 1 0 o ft r a d i t i o n a lm e t h o dw h i l eb a s e do ni t ( 3 ) i ti sa l s of o u n dt h a tt h em o s ts i g n i f i c a n ts p i r a lg r o o v ep a r a m e t e r sf o ro p t i m u m m i c r o - p o r ea n ds p i r a lg r o o v ef a c em e c h a n i c a ls e a l sp e r f o r m a n c ei st h eg r o o v el e n g t h o v e rs e a ld i a m e t e rr a t i o ，a sw e l la ss p i r a la n g l ei sm o r ei m p o r t a n tt h a nt h en u m b e ro f g r o o v e t h ed e p t ho fg r o o v ei sl e s si m p o r t a n tw h e nn a r r o wt h a n8pmc o m p a r e dw i t h o t h e r s ( 4 ) s u r f a c et e x t u r ei nf o r m o fm i c r o - p o r e sa n d s p i r a lg r o o v ew i t hs p i r a la n g l eo f1 6 0 ， m 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 g r o o v eo v e rw e i rr a t i oo f1 ，t h eg r o o v el e n g t ho v e rs e f ld i a m e t e rr a t i oo f0 4t o0 6a s w e ha sn u m b e ro f1 2i sp r o v e dt ob eao p f i m f lc o m b i n a t i o ni nt h i ss t u d yb a s e dt 3 1 1t e x t t h er e s u l to fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni sd o s e dt ot h et e s te x c e p tt h a tt h en u m b e ro fg r o o v e ， i ti sm o r es i g n i f i c a n tt 0m i c r o p o r ea n ds p i r f lg r o o v ef a c em e c h a n i c a ls e f l sp e r f o r m a n c e w h i l et e x t k e yw o r d s ：l i q u i dm e c h a n i c a ls e f l ；m i c r o p o r e a n ds p i r a lg r o o v ef a c e ；d y n a m i c b o u n d a r y ；o r t h o g o n f lt e s t ；f l u e n t i v 江苏大学硕士学位论丈 1 1研究背景 第一章绪论 密封既是防止泄漏。所谓泄漏是物料通过泄漏通道从工作空间“跑到环境 中，或者环境中的介质通过密封通道进入工作空间。造成泄漏主要有以下两个因 素，一是密封面上有间隙，二是密封面两侧有压力或浓度差。消除或减轻任一因 素，均可阻止或减少泄漏。减少泄漏的方法亦即密封的方法主要有下述几种： ( 1 ) 在通道中加设小型做功元件。这种方法是通过做工元件使泄漏流形成反压 力，与引起泄漏的压差相互抵消，达到平衡而阻止泄漏，典型应用如副叶轮密封， 螺旋密封。 ( 2 ) 堵塞或隔离泄漏通道。静密封采用的各种密封垫、密封胶、胶粘剂和动密 封中使用的填料函密封、成型填料密封都是属于此类。隔离泄漏通道可以在通道 中间设置障碍，切断通道，从而降低泄漏。 ( 3 ) 增加泄漏通道中的阻力。流体在通道中遇到阻力时可以减少或阻止泄漏的 发生，各种型式的迷宫密封、间隙密封都是利用这一原理。 ( 4 ) 尽量减少密封部位的数量。在设备设计时优先选择密封部位少的结构方案， 对那些易燃、易爆、有毒、强腐蚀性介质尤为重要。例如在输送化工物料的单级 单吸泵和单级多吸泵的设计时，应尽量选择前者。 ( 5 ) 抽走或注入密封介质。借外力将少量泄漏液抽走或注入比泄漏液体压力更 高的密封介质。如液化气泵的充气装置、压缩机的抽气装置等。 虽然生产中的密封方式根据其泄漏特点各有不同，但是水力机械中，机械密 封作为动密封有着其他密封方式无法比拟的优点，并已成为广泛应用的关键部件。 例如，机械密封在各类泵产品中逐渐取代了的填料密封，在核电站各类泵【1 - 2 】、锅 炉给水泵 3 1 、渣浆泵【4 1 、化工泵f 5 l 、污水泵阳中发挥密封作用；在水轮机中通常使 用机械密封作为水轮机主轴密封 8 - 9 1 ；水泵水轮机中应用机械密封的技术以及事故 处理经验均比较成熟【蛉1 4 1 。随着机械密封应用的越来越广泛，人们对密封件的要 求越来越高。推广密封新技术、新材料、新工艺，减少泄漏，防止污染，提高经 济效益已是机械密封的主要研究发展方向。 机械密封依靠弹性元件对动静环端面密封副施加预紧力，工作时弹性预紧力 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 和介质压力共同作用确保密封端面的贴合。典型的机械密封结构示意图如图1 1 所 示，其中动静环端面是主要密封面。动静环端面间的润滑摩擦性能的优劣直接关 系到机械密封的功耗和使用寿命，也是长期以来许多学者关注的热点问题。因此 密封端面间密封与润滑机理的研究是提高机械密封性能的关键。本文拟对端面微 造型液体机械密封的密封、润滑性能进行研究，为获得零泄漏非接触高性能机械 密封提高理论基础。 12 34567 l 支杏：过乃l 歪。： 黝物, 掣, l j 态腩量j 、j ：hl ， 阻、f 峭u 掣夕l f r _ i 丐i 二i 吻。一 1 弹簧座2 弹簧3 推环4 动环密封圈5 动环6 静环 7 静环密封圈8 动环紧定螺钉9 防转销 图1 1 典型机械密封示意图 1 2 动压型机械密封研究现状 m a y e r p s i 、l u 【1 6 1 、l e b e c k t l 7 1 、s u m m e r s s m i t h l l 8 1 和戈建志【1 9 1 等人对密封端面 间的摩擦状态进行了研究。他们大多赞同对于普通机械密封，工作时一般处于混 合摩擦状态。之后通过对摩擦状态的研究衍生出流体动压密封：通过实验的方法 验证了由于端面几何特征和运转振动的存在，机械密封端面间会产生流体膜，使 得端面问处于流体摩擦状态。流体膜的承载机理是流体动压效应【加】，主要通过端 面形貌特征来实现。目前主要有两个研究方向：一是针对端面改型的流体动压密 封研刭2 1 2 4 1 ，包括槽、微孔等。二是针对端面表面特征的流体动压密封研列2 5 - 2 9 】， 2 江苏大学硕士学位论文 包括表面粗糙度、波度、锥面密封。 近几年来，动压型液体机械密封端面改型技术大致包括密封端面开深槽技术、 端面开浅槽技术以及端面开微孔技术。 1 2 1 端面开深槽机械密封研究 端面开深槽密封主要包括流体动压挚密封和热流体动力楔密封【期。利用各种 毫米级深度密封面流槽，将密封流体或外界润滑流体引入密封端面，称为流体动 压垫密封。该技术由美国克兰公司获得流体动压挚高压旋转机械密封的专利 ( 4 4 0 7 5 1 2 ) 。而利用毫米级深度密封面流槽，使得密封在运行过程中生热不均匀而 产生的局部热变形，获得流体动压楔效应，像这种具备流体动压承载能力的密封 称为热流体动力楔密封。苏联学者g o l u b i e v 和德国科学家e m a y e r 分别从理论和 试验两个方面对热流体动压密封进行了研究。前者建立了热流体动力楔密封完整 的理论分析模型和方法【3 1 1 ，后者在其试验研究基础之上阐述了热流体动力楔密封 的原理1 3 2 。在国内，关雅贤、杨惠霞p 3 - 3 4 1 等人对热流体动力楔机械密封进行了实 验研究和数值模拟分析，研究表明：端面开深槽技术可以改善机械密封的适用工 况，是一种达到零泄漏的途径。 端面开深槽技术的研究表明其具有改善端面润滑状况、减小泄漏率的优点， 许多学者已围绕将此项技术推向实际应用进行了大量研究工作。德国e m a y e r 博 士1 9 5 9 年起用了1 0 余年的时间将开深槽技术应用于机械密封【1 5 1 ，研发出矩形槽、 圆弧循环槽热流体动力楔密封并推广至市场。1 9 9 5 年美国杜拉密泰列克公司生产 的泵用g b 一2 0 0 型斜角槽气体端面密封，能够达到零泄漏f 3 5 】。1 9 9 7 年李体轩1 3 6 l 将 外加凹槽流体静压机械密封技术成功应用于液化石油气注射泵的超高速高压机械 密封。 1 2 2 端面开浅槽机械密封研究 在密封端面加工槽深为微米级的浅槽，通过槽区、径向密封坝和周向密封堰 起到密封和承载作用。这种端面造型机械密封具有泄漏量小( 甚至无泄漏) 、膜厚 大、消除接触摩擦、功耗和发热量小等优点。液体机械密封开浅槽技术中以上游 泵送机械密封的研究和应用最为广泛，其原理是在密封运转过程中，通过端面开 设的流体动压槽对液体产生粘性剪切作用，将高压侧泄漏至低压侧的密封介质重 3 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 新反输至高压侧，以减少或消除泄漏。同时，还有一定的提升端面承载能力、降 低摩擦磨损的作用。 上个世纪5 0 年代，w h i p p l e 在研究轴承的配合面时，第一次提出了螺旋槽的 设想 3 7 1 。3 0 年后，s e d y 受槽端面气体机械密封技术成功应用的启发，开始了螺旋 槽密封技术应用于液体介质的研究。而后，利用流体的粘性剪切力来抵抗流体在 压力差下的运动从而实现“零泄漏 的液体机械密封原理由l i p s c h i t z 提出【3 8 】。1 9 8 4 年，n e t z e l 在国际泵研讨会上首次在公开性学术会议上提出上游泵送机械密封的概 念【3 9 1 ：利用密封端面上加工的泵送槽将下游( 低压侧) 少量泄漏液体泵送回上游 ( 高压侧) 。9 0 年代初期，b u c k 4 0 l 对上游泵送机械密封进行了一系列的试验研究， 结果表明：上游泵送机械密封可以降低温升，抵挡系统压降【4 1 1 。此后，有的学者 开始将目光转向端面开浅槽设计和组合。1 9 9 4 年，协【4 2 】对端面开设叶形、螺旋槽、 y 字形和人字形等槽型的六种机械密封进行了实验室试验和现场试验，认为非接 触式机械密封可以提供很高的泵送率以减少和消除泄漏。1 9 9 9 年宋鹏云介绍了上 游泵送机械密封的一些实际应用情况，并探讨了计算螺旋槽上游泵送机械密封性 能的解析计算方法【4 3 删。而后，郝木明等人优化设计了上游泵送密封端面的结构 参数，分析了端面的动压效应 4 s - 4 s l 。2 0 0 7 年，刘珂等建立了新型双螺旋槽端面密 封的模型，探讨螺旋槽机械密封的稳定性1 4 9 】。近几年，郝木明、陈汇龙等采用数 值模拟方法就螺旋槽上游泵送机械密封的密封性能进行了研究 5 0 - 5 2 1 ，结果均证明 了螺旋槽上游泵送机械密封具有低摩擦低泄漏的优点，能改善端面润滑状况，提 高密封性能。可见，端面开浅槽技术已是获得高性能机械密封的有效途径之一。 1 2 3 端面开微孔机械密封研究 端面开微孔技术即在动环或静环上；0 n - r 具有一定分布规律的微孔，其孔深和 孔径均属于微米级。当流体流经微孔时，将产生动压效应【5 3 巧4 】，从而增大端面液 膜的承载能力，改善端面润滑状况。 以色列e s t i o n 教授受机械密封孔隙性材料的启发而提出端面微孔造型液体机 械密封，并采用解析法对机械密封端面间的压力分布、泄漏率和动压系数进行了 研究。结果表明，与未造型机械密封相比，端面微孔造型机械密封在端面平行时 也能获得具有正向刚度的液膜，改善了密封端面间的润滑状态，降低端面摩擦， 但是泄漏率较高i s 5 1 。此后他建立了半球状微孔模型，并探求了微孔参数的优化， 4 江苏大学硕士学位论文 研究内容包括t 2 、s p 、j 之间的相互关系( 其中口为开孔环形区与整个环形区的 宽度比值、s p 为微孔分布密度、s 为微孔深径比、万为密封副的间距与直径比) 。 他的研究结果表明，绝对的微孔尺寸并没有发挥多大的作用，真正能改善承载能 力的参数是微孔的深径比e 【5 6 】。1 9 9 6 年，b u r s t e i n 和e t s i o n 建立了规则表面微孔机 械密封的模型，研究结果表明在动静环的一个环面加工平均分布的球表面微孔可 以大大提高密封性能。此后他们通过端面微孔机械密封在油介质中的试验验证了 优化微孔的深径比可以获得更大的液膜刚度，使机械密封承受更大的p v 值1 5 7 1 。 e t s i o n 5 8 ，y u 5 9 1 的试验结果均表明，在介质水中，微孔的存在大大降低了机械密封 端面的摩擦和温升，且适用于更高p v 值的工况。f e l d m a n 6 0 l 等人也在此领域作出 了卓越的贡献，例如针对部分端面微孔造型机械密封的静压气体密封性能进行了 分析，通过将最佳部分端面开微孔机械密封的性能与径向台阶密封的性能相对比， 得出综合密封性能最好的开孔区域尺寸。在国内于新奇1 6 1 】对激光加工多孔端面机 械密封的流体动力学进行了研究，利用m a t l a b 模拟单个微孔流场，得到了无量 纲液膜压力的三维分布规律，发现随着介质压力的增加，微孔发散区域的空化现 象逐渐减弱直至消失。宋鹏云【6 2 】在有限差分求解方法的基础上，对流体运动方程 进行迭代求解，研究了部分端面微孔机械密封的润滑密封性能，并对微孔参数进 行了优化，结果表明：在润滑状态最优的前提下，开启力、液膜刚度和泄漏率最 大，此时的微孔参数为面分布密度0 2 ，孔深孔径比0 0 2 ；摩擦性能的变化趋势与 微孔面分布密度、孔深孔径比等参数成反比。2 0 0 9 年陈汇龙、翟晓等【6 3 】应用 f l u e n t 软件求解n - s 和k - e 方程对多孔端面机械密封端面问内流场进行数值模 拟，研究表明：合适的微孔尺寸可以产生流体动压效应；在环两侧有压差的情况 下，动压分布的改变能够产生一定的液膜阻力，起到减缓泄漏的作用。彭旭东、 吴朝辉等i 删研究了微孔部分分布端面机械密封的性能，就微孔伞形分布、螺旋型 分布等不同分布形状的机械密封密封性能展开了研究，表明优化后的微孔分布可 以改善微孔端面机械密封泄漏率大的问题。 1 2 4 端面造型机械密封研究现状分析 综上所述，人们从自然形成的形貌结构端面摩擦副的运行特性中得到启发， 开始研究各种能够改善端面摩擦性能的造型方法，并通过简单的磨盘摩擦试验验 证各种微造型的摩擦磨损性能。而后随着理论的成熟，建立了端面流动方程，并 5 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 通过一定形状和边界内流动的计算机数值模拟和磨盘摩擦试验的共同研究，证明， 机械密封端面加工微孔或槽后，端面间润滑状态由原来的混合摩擦状态转化为全 润滑状态，且液膜刚度大，端面摩擦磨损低。 微孔可以有效形成动压效应，容纳磨屑，且能够使机械密封承受更大p v 值工 况【6 5 1 。为了获得零泄漏非接触机械密封，学者们研究了微孔的孔深、孔径、深径 比、分布率等参数，结果表明，经参数优化后的微孔端面机械密封的泄漏量在一 定程度有所改善，但是更大的开启力度意味了通过泄漏通道的液体量增大，经优 化后的微孔端面机械密封的防泄漏性能仍然不理想，微孔端面机械密封目前还只 能达到“非接触”。而对槽端面机械密封的研究则表明，上游泵送螺旋槽可以将已 经泄漏的液体反泵送回高压侧，能够有效降低泄漏量，是一种达到“零泄漏 机 械密封的有效途径，其中浅槽比深槽的效果更好【6 6 】。但由于工作原理的限制，单 一加工微孔或螺旋槽的机械密封目前都无法达到零泄漏非接触。 机械密封内流场数值模拟时，一般假设所计算的内流场边界不随时间变化， 建立固定的三维模型，然后通过控制方程计算三维模型内的压力、速度等参数。 但是内流场的边界尤其是液膜厚度是由密封结构、弹簧预紧力、介质压力和液膜 压力等参数决定的，能够反映机械密封性能，因此固定边界假设，明显不符合机 械密封运行的实际情况。而测试方法多为磨盘摩擦试验，即将两个摩擦副安装在 上下磨盘座上，通过滴溅的方法给摩擦副之间施加工作介质。这种测试方法操作 简单，可以实现摩擦副在不同压力、转速、工作介质下的摩擦性能测试。但摩擦 副之间的摩擦状态是由所滴溅的介质多少决定的，不适用于研究液体润滑机械密 封。 1 3 本文研究的主要内容 端面改型机械密封的研究表明，在机械密封端面上加工螺旋泵送槽和微孔来 改善机械密封端面的润滑状况和密封性能，是非常有效的方法，并且已经成为当 今机械密封研究领域的热点。而单一的微孔或者槽都无法实现零泄漏非接触的目 标，因此，本文将润滑性能好的微孔造型和防泄漏性能出色的槽造型进行耦合， 在机械密封的动环面上同时加工微孔和螺旋泵送槽，以期创造一种兼顾润滑与密 封的高性能机械密封。此外，当机械密封的工况和自身性能变化较大时，内流场 6 江苏大学硕士学位论文 的形状不再一成不变，传统的固定边界模拟方法不能模拟出这一效果。因此本文 采用动边界模拟方法，以期获得更贴近真实情况的内流场特性。在试验测试方面， 为了更好的测试机械密封的密封与润滑性能，不再采用磨盘摩擦试验台，而是使 用模拟密封件真实工作状态的机械密封试验台。综上所述，本文将在机械密封内 流场中首次采用动边界数值模拟方法，对孔槽耦合端面机械密封的内流场特性进 行研究，并通过数值模拟和实验研究的方法探讨槽型参数对孔槽耦合端面机械密 封性能的影响。具体研究内容如下： ( 1 ) 通过对大量国内外文献的调研，全面分析端面开槽技术、端面开微孔技术 的研究现状，结合现有的软件和硬件条件，确定课题的研究方向和途径。 ( 2 ) 通过理论分析和数值模拟方法，探索微孔产生动压效应的机理，首次将动 边界技术应用于机械密封内流场模拟，并分析了孔槽耦合端面机械密封性能。 ( 3 ) 针对上游螺旋泵送槽的槽型参数设计合理的正交试验方案，建立不同的孔 槽耦合端面机械密封内流场模型。采用局部加密方法对模型进行网格划分，并利 用动边界技术对其进行数值模拟，甄选出典型工况下性能优良的槽型参数，为孔 槽耦合端面机械密封的优化设计奠定基础。 ( 4 ) 在数值模拟的基础上，对孔槽耦合端面进行实体加工和实验研究，得到实 际工作条件下的性能参数。实验结果与模拟结果对比、分析，总结孔槽耦合端面 机械密封的槽型参数对机械密封性能的综合影响。 7 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 第二章机械密封内流场基础及微孑l 动压分析 为了研究机械密封内部流动特性及密封润滑性能，本章着重推导了液体膜润 滑方程，判断了摩擦副的润滑状态和内流场的流动状态，并在分析动压效应原理 的基础上，进一步阐述了微孔造型在机械密封运行过程中产生动压效应的机理。 2 1 流动理论模型 为了获得密封端面摩擦润滑特性，需计算内部液膜的压力分布、剪切力分布 和速度分布。为此，首先要建立流体压力和速度间的基本关系，亦即流体润滑理 论。机械密封流体润滑理论的主要内容是流体膜润滑理论由流体膜承载保持 密封和润滑的成膜理论。其主要控制方程是r e y n o l d s 方程，其中粘度、密度、膜 厚等变量对压力分布均有影响，所以常常需要联合求解r e y n o l d s 方程、粘度方程、 密度方程和膜厚方程，分别叙述如下。 连续性方程： 害+ 掣- i 掣+ _ a ( a v z ) ：0 ( 2 - 1 ) a锄 却 瑟 式中p 为研究介质的密度，t 为时间，v i 为速度。本文研究的介质是常温水，故假 设流体粘度和密度为常数。z 向为机械密封轴向，即膜厚方向，设膜厚高度为h 。 令p = p o p ，t = t o t ，屹= u 匕，b = ub ，屹= y 屹，x = l x ，y = l y ，z = h o z ， 其中z 、u 、v 、岛、岛均为系数，带横线的参数为原参数的单位值。将其代 入式( 2 - 1 ) ，则连续性方程化为 上墨+ 婴+ 盟+ 旦塑：o t 鄹蕊j 氟两u k 蓖 由于h 远远小于液膜其他两个方向的尺寸，因此去要远远大于1 ，而上式中万i v 的 分子分母必须属于同一数量级，即丽i v = l ，因此号为无穷小量。 粘性流体运动方程： 反鲁+ 屹鲁+ b 等+ 屹= 肛一害+ c 警+ 等+ 矽0 2 v x + ；1 昙c 警+ 等+ - - - - 老- ) ( 2 2 ) 8 江苏大学硕士学位论文 以鲁+ 屹誓+ b 等+ 屹= 鹤一考+ c 軎+ 等+ + j 1 昙c 等+ - 饥& - + ( 2 3 ) 厦鲁m 誓+ 。等+ 屹= 以一考+ 从警+ 等+ 可0 2 v z ，+ ；1 昙c 警+ 等+ ( 2 4 ) 令u = 面，p - p 0 - ，f x = 婷将其代入式( 2 - 2 ) ，并在公式两端乘以系数专，整 理后得 尝万吾+ 警乃瓴詈+ 巧号+ 芳砭争= 学硪一焉塞+ 譬及争+ 等+ 亭1 2 0 2 v x + ；1f l o z _ 矛0 i c , 茆x + 等+ 苦争 因为争，号都是无穷小量，所以、不隽x h f 0 2 、学等也都是无穷小量，略去这些项后 方程简化为 尝歹等+ 警煎吾+ 巧号+ 苦砭= 学硬一面p o n d 瓦+ 乃争 当流体处于层流或者过渡区时，方程的左边惯性项相对于右边的粘性项来说，影 响很小，可以忽略。同理，忽略砌体力项。上式简化并移项得 一：oh02焉4,：万po t 苏。a 三2 等式左右必须属于同一数量级，因此等式右边的分数中分子分母也为同一数量级， 相比为1 ，消除系数得 鱼：万墨2 - - ( 2 - 5 ) a 口c | 蓖2 同理可得粘性流体运动方程式( 2 - 3 ) 、式( 2 - 4 ) 的简化公式 害= 万軎 仫6 ， a 、 菠2 空：0( 2 7 ) 3 z 。 将式( 2 - 5 ) 、式( 2 6 ) 两边对z 积分两次，并设u 和v 和w 分别为x 、y 、z 方向的平均谏序将谏序沩界粲件化入百r 得 9 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 屹= u 字一去塞砌一z ) ( 2 - 8 ) b = y 了h - z 一去考妒力 ( 2 - 9 ) 对式( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 沿着膜厚方向积分，可得到单位时间内通过单位宽度 的体积流量为 吼= “方= 了u h 一面h 3 塞 ( 2 - 1 0 ) 毋= r b 咖= i v h 一盖考 ( 2 - 对连续性方程( 2 1 ) 沿着膜厚方向z 积分，考虑到密度为常数，略去左边第 一项，移项后得 兰( 勉) + 昙( 明，) = ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 0 ) 、式( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) ，得到 旦0 x f ， 丛1 2 9 骂缸 + 旦b y f 丛1 2 9 驾b y = 丢( 争+ 面a ( p v h i 一 当主要考虑x 方向液体流动时，v = w = o 时，方程化成 兰( 笙+ i 0 一h 3 _ p ) ：砸罢 ( 2 - 1 3 ) 咖j 蹴砂jo y 优 这就是液体膜润滑的雷诺方程，并且从公式的推导过程中可以看到，速度、 流量都是剪切流和压力流的线性叠加。剪切流与两摩擦面的运动速度有关，压力 流与压力导数有关。 2 2 摩擦与流动状态分析 对于机械密封的研究必然涉及动静环摩擦副的摩擦状态和流体膜的流动状 态，故首先需要对其进行判定。 2 2 1 摩擦状态分析 由于机械密封端面间的液体膜厚度只有微米级，其摩擦状态比较复杂。目前， 传统的判断机械密封端面摩擦状态的方法有摩擦系数法、工况参数g 值法、相对 1 0 江苏大学硕士学位论文 膜厚法和f 七曲线图法，考虑本文研究的端面造型机械密封端面液膜刚度大、开 启力大、全润滑范围广，采用相对膜厚法来判断机械密封端面的摩擦状态 6 7 - 6 8 ， 相对膜厚定义如下： ，h h 2 = 2 了亏彳 ( 2 1 4 ) o 忠6 ：6 ： 式中：h 平均膜厚，i x m ： 0 1 、0 2 两密封环表面粗糙度的均方根偏差，p m 当时，为液体润滑摩擦状态；当1 ( 3 时，为混合摩擦状态；当薛1 时， 处于边界摩擦状态；薛0 4 时处于干摩擦状态。 普通机械密封一般由硬质合金或碳化硅等材料组成，本文中所研究的硬质合 金表面粗糙度为0 2 l a n 。通常浅槽的深度为3 - l o p m ，如果取h = 5 1 a m ，则由式( 2 1 4 ) 可求得本文所用机械密封的相对膜厚为4 = 1 7 7 ，为液体润滑摩擦状态。 2 2 。2 流动状态分析 对于稳定液膜流动状态的判断，本文参照文献【1 5 】，用流动因子亏来确定其所 处的流动状态。流动因子芎定义如下： 孝：酾 r e c = 1 p u u 一b ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 黜p2 箭( 2 - 1 7 ) 式中：r e c 单独考虑c o u e t t e 流动时的雷诺数； 胁单独考虑p o i s e u i l l e 流动时的雷诺数。 配1 时，处于层流状态；当1 时，处于湍流状态。本文研究的密封介质为 常温水，动环转速n = 3 0 0 0 r p m ，计算得：u 约为7 8 5 m s ，r e c 为0 0 3 9 ；在径向， 由于泄漏处于不可视状态，故认为径向速度趋近于零，r e p h 2 ，即此时流入、流出的流量不相等， 与连续性方程矛盾，可见上述假设的断面1 - 1 和断面2 2 间压力等于进出口压力是 不符合实际的。润滑膜中断面1 - 1 、断面2 2 的实际速度将呈现如图2 1 所示分布 江苏大学硕士学位论文 规律，而要产生这样的速度分布必须在断面1 - 1 和断面2 2 之间存在一个高于进出 口压力的压力，以使得流经断面1 - 1 的速度分布变为内凹的曲线，流经断面2 2 的 速度分布变为外凸的曲线，确保进出口流量的平衡。端面1 - 1 和断面2 2 中问区域 产生高于进出口的压力就是因粘性流体流经渐缩间隙而产生的动压效应，这就是 动压效应形成的原理。 2 3 2 微孔的动压效应 两平行面组成的间隙中，若在一个面上加工微孔，则液体流经微孔时将出现 一个渐扩区域和一个渐缩区域，由上面动压效应产生的原理可知，此时在渐缩区 域可能产生动压效应。机械密封端面间，流体的流动主要包括两个方面：一是由 于内外径压力差引起的压差流动；二是由于动环面旋转而带动粘性流体运动，此 流动为密封问隙内的主要流动。为了从流场的角度分析动压效应，本文利用 f l u e n t 软件模拟单个微孔的密封间隙流场并加以分析。 雕 糍织3 鼢_ 工 3 冀茁 图2 2 纯周向速度时微孔的压力分布 如图2 2 所示为数值模拟纯周向速度状态下微孔内流场的压力分布图，此时仅 由于动环面旋转产生动力，流体从右向左流动。此时动环转速为3 0 0 0 r p m ，密封环 内外径处压力均为0 ，从压力分布图可以看到，以微孔的左右中截面为分界，两侧 分别产生了红色高压区和深蓝色低压区。其中最高压力达到7 6 7 p a ，最低压力为 5 2 3 p a ( 以一个标准大气压为基准，下同) 。图中，中截面往左区域为渐缩区域， 出现了红色高压区，说明产生了动压效应。同理，中截面右侧区域为渐扩区域， 1 3 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 产乍了蓝色低压区，说明渐扩区域不仪彳i 能产，匕动压效应，还会使压力降低。从 整体微孔而占，正、负压会抵消，但负压的降低受液体的状态压力的限制，敝总 体压力增大。 图2 3 为数值模拟纯压差流状态下微孔内流场的压力分布图，此时仪由_ j ：爪差 产牛动力。区域上边界为工作压力( 高压) ，下边界为环境雎力( 低脏) ，流体从 上而卜| 流动。r 叮以看到以微孔的上f 中截面为分界，在中截面的两侧略微有厂e 力 的变化。中截面上侧为渐扩区域，出现了压力低_ 丁四周的绿色胜力区，中截面下 侧为渐缩区域，出现了压力高于四周的黄色压力区。动压效应不明显是囚为卜h 压 差引起的流体速度一般非常小，凶此和纯周向速度的情况相比，流速较小，产生 的动压效应不是很明显。 图2 3 纯j 1 i 差时微孔的压力分布 实际工作时，通常既有转动又有压差存在，图2 4 为实际工作时微孔的压力分 布。山于压差条件对产生动压效应的影响远远小于速度条件，所以图中的压力分 厕j 和纯周向速度时的压力分布图 分相似，其中渐缩区域最高压力为1 2 3 0 p a ，渐 扩| 又：域低压区压力值为8 0 p a 。此时产1 t - 的动压效应虽然彳i 像只考虑周向速度时那 样直观，但是从图中依然可以看出，微孔区域总体压力高于非孔区，说明微孔确 实能够产：牛明显的动雎效j 她。 1 4 苎侥强浇侥灌强：苎!强灌搬嶷建珏灌波臻饶攥强黑。缓鍪滚戮鍪i 江苏大学硕士学位论文 艇 ；：e - 五 + = 2 4 本章小结 图2 4 实际t 况下微孔的压力分布 本章通过理论推导建立求解机械密封密封内流场的数学模型；通过公式计算 确定了密封间隙的润滑摩擦方式和流体膜的流动状态；理论分析了动压效应产生 的原理并通过数值模拟的方法研究了微孔产生的动压效应的能力。 结果表明，本文研究的范围内机械密封处于液体润滑状态，内流场流动状态 为层流。微孔无论在纯速度、纯压差、速度压差实际情况下都具备产生动压效应 的能力。就实际工况而言，速度条件产生动压效应的能力比压差大。 琵圆!i多 孔槽耦合端面液体机械密封性能研究 第三章孔槽耦合端面机械密封内流场数值模拟 目前端面造型液体机械密封的研究主要集中在槽参数或者微孔分布上，大量 的研究表明泵送槽的防泄漏作用和微孔的改善润滑性能作用都是明显的。为获得 零泄漏非接触的液体密封润滑性能，采用孔槽耦合端面机械密封在理论上是可行 的。本文以孔槽耦合端面液体机械密封为研究对象，对孔槽耦合端面机械密封内 流场进行数值模拟，鉴于密封间隙大小取决于密封结构、弹簧预紧力、介质压力 和流体膜压力等参数，应该为运转自然形成的数值，不能预先确定，故本文首次 将动边界技术应用于密封间隙内流场的模拟中，以更真实地描述密封的运转状态。 并通过孔槽耦合端面机械密封和普通机械密封的内流场模拟和对比，分析孔槽耦 合端面机械密封在润滑密封方面的性能优越性。 3 1fiu e n t 软件概述 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是指通过计算机求 解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，在时间和空间上定量描 述流场的数值解，从而研究不同物理问题的一种方法。 f l u e n t 是目前国际上比较流行的c f d 软件之一，由美国f l u e n t i n c 于1 9 8 3 年 推出市场，是基于有限体积法的模拟软件。f l u e n t 的操作界面是图形式人机互动界 面，因而操作简单；它基于实际需求研发，广泛适用于各种复杂的流体流动以及 相关物理现象；它在迭代求解过程中针对不同方程和方程项使用不同的数值求解 方法和离散格式，使得计算的速度、稳定性和精度在互相制约的状况中调整到最 佳，因此从使用方面看f l u e n t 软件具备操作简单、适用性广、结果可信等优点， 广泛应用于空气动力学、混合物流动、燃烧及热现象等领域。其次它还具有强大 的前、后处理功能：前处理为网格划分，网格类型包括结构化网格( 四面形状、 六面体等) 和非结构化网格( 三角形、棱柱形等) ；后处理包括数值模拟数据的导 出、积分和云图的显示，可以对速度、压力、温度、组份等参数进行分析。此外， f l u e n t 开发的适用于各个领域的流动模拟软件( 模拟流体流动、传热传质、化学反 应和其他复杂的物理现象) 都采用了统一的接口，方便计算结果相互采集。 f l u e n t 软件可以预测现实中无法实验测试的流场，且具有周期短，耗资少等优 1 6 江苏大学硕士学位论文 点。利用f l u e n t 软件进行研究，可以将物理模型、实验模型总结为数学模型，因 为不受实际情况的影响，可以用于研究许多实际研究条件不足的复杂流体流动和 微型、巨型燃烧传热等问题。应用f l u e n t 软件的步骤如下： ( 1 ) 建立与问题相近的数学模型和几何模型，亦选择迭代求解的基本控制方程 和绘制流场外形图。流体的基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能 量守恒方程等。 ( 2 ) 对几何模型进行离散化，既进行网格划分；设置边界条件，包括进出口边 界条件，壁面边界条件等。 ( 3 ) 设定初始条件、边界条件、迭代结束的判断参数等，开始迭代计算。这一 步对硬件的要求较高，时间差别比较大。 ( 4 ) 对计算结果进行分析和可视化处理。由于f l u e n t 软件所具有的上述优点， 本文采用f l u e n t 软件自带后处理模块对计算结果进行可视化处理。 3 2 动边界技术 动边界数值模拟可以通过f l u e n t