（动力工程及工程热物理专业论文）新型动静压混合润滑机械密封性能研究.pdf

摘要 非接触式机械密封以其独有的特点广泛应用于石油化工领域，其中干气密封和上游 泵送密封是依靠流体的动压效应来实现端面的非接触。本文研究的密封结构为动静压混 合润滑机械密封，在动环上开设动压槽的同时又增加了静压槽，其理论基础来源于动静 压混合润滑轴承。本文先以流体膜为研究对象，用g a m b i t 建模软件建立了三维模型， 并进行网格划分。在设定合理的边界条件之后，用流体力学软件f l u e n t 进行了数值 计算，得出端面液膜的压力分布及速度分布。通过与静压和动压式密封对比，分析了操 作参数( 如封液压力、转速) 对密封性能的影响规律。结果表明，该密封兼有动压与静 压两种密封形式的特点，泄漏量小，液膜刚度大，适合于低速非接触密封。在此基础上 分析了主要结构参数( 动压槽深度、静压槽深度、动压槽宽比、静压槽宽l l ) 对密封性 能的影响规律。绘制了结构参数与端面开启力、两侧泄漏量的关系曲线，通过分析得出 各参数的大致范围，从而对新型动静压混合润滑机械密封结构进行了优化。 本文又以动环、流体膜、静环为研究对象建立三维模型，对动、静环端面及流体膜 的温度场进行了研究，分析了操作参数( 转速，压差) 对温度场的影响规律。发现该种 结构的机械密封形式动静环端面温升最高不超过2 k ，其散热效果良好，有利于机械密 封的长周期运行。为了验证数值模拟的准确性，本文设计了一套实验方案，得出定压力 变转速和定转速变压力的条件下，两侧泄漏量的实验数据。通过对数据分析并与数值模 拟结果进行对比，找出实验值与数值模拟值存在差别的原因，验证了数值模拟的准确性。 关键词：动静压混合润滑，机械密封，流场，温度场，数值模拟，实验研究 s t u d yo np r o p e r t i e so fn e w - t y p eh y d r o s t a t i cd y n a m i c h y b r i dl u b r i c a t i o nm e c h a n i c a ls e a l w a n gb i n ( 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 e s s o rh a om u m i n g a b s t r a c t n o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l 、析t 1 1 i t so w nc h a r a c t e r sw a sw i d e l ya p p l i e di n p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yf i e l d t h ei n t e r f a c en o n - c o n t a c t i n go fd r yg a s s e a la n du p s t r e a m p u m p i n gs e a la r ed e p e n d e do nf l u i d sd y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t w h a ti st h es e a ls t r u c t u r eo f t h i sp a p e rs t u d i e do ni sh y d r o s t a t i cd y n a m i ch y b r i dl u b r i c a t i o ns e a lw h o s et h e o r e t i c a lb a s i s c o m e sf r o mh y d r o s t a t i cd y n a m i ch y b r i dl u b r i c a t i o nb e a r i n ga n dd y n a m i c a lp r e s s u r es l o ta n d s t a t i cp r e s s u r es l o tw e r em a d eo ni t sr o t a t i n gr i n g t a k ef l u i df i l ma st h er e s e a r c ho b j e c ti n t h i sp a p e r , at h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e db yg a m b i ts o f t w a r ea n dm e s h e sw e r e g e n e r a t e d p r e s s u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fi n t e r f a c ef l u i df i l mw a sg o ta f t e rn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nb yf l u e n ts o f t w a r e 、析n ls u i t a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n c o m p a r e dw i t hs t a t i ca n d d y n a m i c a lp r e s s u r es e a l ，t h ei n f l u e n c el a wo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ( s u c ha st h es e a l i n gl i q u i d p r e s s u r e ，r o t a t i o n a ls p e e d ) t os e a l i n gp e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a t t h i sk i n do fs e a lh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i c a lp r e s s u r ea n ds t a t i cp r e s s u r es e a l ：s m a l l l e a k a g e ，g r e a tl i q u i df i l ms t i f f n e s s ，a n ds u i t a b l el o w - s p e e dn o n - c o n t a c ts e a l t h ei n f l u e n c el a w o ft h em a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ( d y n a m i cp r e s s u r eg r o o v ed e p t h , s t a t i cp r e s s u r eg r o o v e d e p t h , d y n a m i cp r e s s u r eg r o o v ew i d t hr a t i o ，s t a t i cp r e s s u r eg r o o v ew i d t hr a t i o ) t os e a l i n g p e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d a f t e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pc u r v eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s w i t ho p e n i n gf o r c ea n db o t hs i d e sl e a k a g e ，t h ea p p r o x i m a t er a n g eo fe a c hp a r a m e t e rw e r eg o t , a n dt h e nt h es t r u c t u r eo f h y d r o s t a t i cd y n a m i ch y b r i dl u b r i c a t i o ns e a lh a sb e e no p t i m i z e d t a k er o t a t i n gr i n g ，s t a t i cr i n ga n df l u i df i l ma so b j e c tat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e d ，a n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fr o t a t i n gr i n g ，s t a t i cr i n ga n df l u i df i l mw e r es t u d i e d w h a ti sm o r et h ei n f l u e n c el a wo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r st ot e m p e r a t u r ef i e l dw a sa n a l y z e d t h i sk i n do fm e c h a n i c a ls e a li n t e r f a c et e m p e r a t u r er i s ei sn om o r et h a n2 k 、析n lg o o dh e a t d i s s i p a t i o ne f f e c t ，w h i c hi sc o n d u c i v e t ol o n g t e r mr u n n i n g i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ee x p e r i m e n t a ls c h e m ew a sm a d et og e tt l l ee x p e r i m e n t a ld a t ao f b o t h s i d e so ft h el e a k a g eu n d e rt h ec o n d i t i o no fs t a t i o n a r yp r e s s u r ev a r i a b l es p e e da n df i x e ds p e e d v a r i a b l ep r e s s u r e t h r o u g ha n a l y z i n gd a t aa n dc o m p a r i n gw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ， t h er e a s o nw h yt h e r ei sd i f f e r e n c eb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n dn u m e r i c a ld a t aw a sf o u n d a n dt h ec r e d i b i l i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sv e r i f i e d k e yw o r d s ：h y d r o s t a t i c d y n a m i ch y b r i dl u b r i c a t i o n ，m e c h a n i c a ls e a l ，f l o w f i l e d ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , e x p e r i m e n t a ls t u d y 主要符号表 闭合力，n 开启力，n 环形沟槽深度，m i l l 液膜厚度， a n 外力矢量 导热系数，w ( m k ) 努塞尔准数 流体普朗特数 背压，k p a 密封介质压力，k p a 密封液入口压力，k p a 泄漏量，k g s 雷诺数 泰勒准数 环形沟槽外径，m m 槽底半径，r n l t l 环形沟槽内径，m m 密封环内径，m i l l 密封环外径，m i l l 流体的内热源 温度，k 速度矢量，m s ： 直角坐标系下，x 轴方向上的速度，m s 径向流动速度，n l s ； 直角坐标系下，y 轴方向上的速度，m s 直角坐标系下，z 轴方向上的速度，m s 流动因子 r r 垃 b k k r n p n q 恐 勋 r h 期 n b & t u u v w 口 槽宽比 流体动力粘度，p a s 流体运动粘度，m 2 s 密度，k g m 3 旋转角速度，r a d s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。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 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：莛望出日期：& 。少年月日 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进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垂三唆 指导教师签名：z 鲁丕二弦二扯 日期：友。l o 年月日 日期：1 卅d 年6 月1 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 机械密封作为一种普遍应用的密封技术，主要是用来解决泵或压缩机等输送设备 的轴封问题。石油石化领域广泛应用的机械密封形式各样，有接触式机械密封和非接触 式机械密封，而大部分非接触式机械密封实现端面非接触的原理是靠流体的动压效应， 及流体动压润滑机械密封，另外也有少部分是靠流体静压润滑而实现端面非接触的密 封。对于端面能实现非接触的密封，当端面分离之后将会在动静环端面之间形成一层厚 度只有微米级的流体膜，与接触式机械密封相比其摩擦只是固体与流体之间的摩擦，摩 擦力将大大减小，密封运行的环境也将大大改善，有利用机械密封的长周期稳定运行。 非接触式机械密封中的上游泵送和干气密封在高速旋转的压缩机、泵等设备上应 用十分广泛，应用的效果也十分理想，大大降低了企业因密封失效而造成的损失，带来 了十分可观的经济效益。虽然靠流体动压润滑的机械密封有着众多的优点，但它的应用 也是有一定局限性的，就是在所应用的设备上必须是具有一定的转速才会有明显的动压 效应，才能使端面打开实现非接触。因此在低速设备上，非接触式机械密封的应用并不 广泛，其中一个主要原因就是低速运转性能还没有被完全掌握，尤其是动态性能。非接 触式机械密封在低速运转时容易出现运行不稳定和端面接触等现象，可能导致磨损量增 大而失效。 鉴于以上情况，迫切需要开发一种适合于在低速条件下运转的非接触式密封端面 结构，并且通过有效的手段来研究其端面流体的流场和温度场。为使其更好的为石油石 化行业做出贡献，本文通过利用c f d 软件强大的计算模拟功能，对新型动静压混合润 滑机械密封端面流场及温度场进行了数值计算。通过计算，对流体的运动轨迹以及在密 封环端面之间的微流动形式和流体与端面之间的传热进行了模拟，利用f l u e n t 软件 自带的可视化处理功能使计算结果更加便于观察分析，大大缩短了研究的时间，进一步 提高了工作的效率。 在数值模拟的基础上，通过改变端面结构参数，研究液膜刚度、开启力、随某一 参数的变化规律，获得一个最佳值，达到结构优化的目的。最后为了验证数值模拟的准 确性，又在实验室现有的实验条件下，制定合理的实验方案完成，验证数值模拟的准确 性，使理论与实际相结合。 第二章文献综述 2 1 非接触式机械密封 第二章文献综述 流体密封包括流体静密封和动密封，静密封相对于动密封来说比较简单且相对比 较容易实现，而流体动密封是流体输送设备中必不可少且非常关键的零部件，流体动密 封对设备的长期运行、环境的安全性、还有设备可靠性等起着决定性的作用。特别是在 石油石化领域中，泵和压缩机等输送设备一般输送的都是带有可燃性、腐蚀性、有毒及 容易发生爆炸，因此如果机械密封失去密封性，密封介质泄漏到周围环境当中，不仅对 人体造成重大伤害，严重时还会使工厂发生爆炸，引起火灾，导致重大人身伤亡事故， 必须加以重视【1 1 。 机械密封的作用如此重要，也就促使机械密封技术迅速发展，从而出现了形式多 样的机械密封【2 】。一般在泵上应用的机械密封多为普通的接触式机械密封，该密封两个 端面直接接触，在泵高速旋转的时候摩擦产生的热量将会使密封端面发生变形，对密封 造成破坏，且大多处于边界摩擦或混合摩擦状态，寿命比较短。对于靠流体动压效应或 流体静压效应而实现非接触的机械密封，动静环两端面之间将会形成一层厚度仅有微米 级的稳定流体膜，其摩擦只是流体间的内摩擦，从而大大改善了密封运行的环境，提高 了密封的使用寿命。 利用流体动压效应和流体静压效应而实现密封端面的非接触，是一种新型的密封 形式。早在1 9 6 1 年的时候，有人就对径向槽非接触式机械密封进行过理论研究，研究 的结果表明开设此种槽型的机械密封比接触式机械密封的磨损量要小很多。但同时也存 在一定的缺点，即端面温升较高，尤其是在槽与坝区交界处，另外密封介质里的一些固 体颗粒会进入密封端面之间，加剧密封端面的磨损，降低了密封的使用寿命【3 】。为解决 径向槽非接触式密封存在的缺点，1 9 6 9 年m a y e 一】又发明了一种新的密封结构形式，它 将动环端面上开设的径向槽改成了弧形结构的槽，带有弧形槽的非接触式机械密封使密 封环端面温度大大降低，对密封端面起到了很好的冷却润滑作用，另外也阻止了外界固 体颗粒的进入，大大提高了密封的使用寿命，增大了密封运行的可靠性，在工业上获得 了广泛应用 5 - 6 。 螺旋槽气体润滑机械密封在工业上的应用开始于19 7 4 年，当时首次在炼油厂透平压 缩机上获得了成功的应用，对后来机械密封技术的发展奠定了基础，尤其是非接触式机 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 械密封的发展【7 】。大约在五年以后i 谢p hp g 将自己的研究成果写成了论文，发表了有关 螺旋槽气体润滑非接触式机械密封的重要文献，即“螺旋槽非接触机械密封基础”【8 】， 这标志着对非接触式机械密封研究的正式开始。该文对当时应用于现场的非接触式气体 润滑机械密封的典型结构进行了总结，另外还首次对非接触式机械密封运行机理进行了 研究和解释，分析了密封操作参数( 压力、转速、温度) 和结构参数( 槽深、槽宽比、 端面宽度) 对密封性能的影响规律。基于以上研究的结果，螺旋槽气体润滑机械密封技 术迅速发张并不断的被完善，为了使其动压效应更加明显，还对其结构参数进行了优化， 直蛩j 1 9 8 5 年螺旋槽气体润滑机械密封开始在商业上获得广泛应用 9 1 。同样在1 9 7 4 年， h s i n g t l 0 】利用摄动理论开始对螺旋槽流体流动的轴向和径向动态特性进行研究，这一方 法也被应用到螺旋槽球轴承和螺旋槽圆锥轴承【1 1 1 2 】。 蔡文新、彭建等在1 9 9 4 年的时候曾经采用八节点有限单元法对端面开有螺旋槽的干 气密封流场的压力分布进行了计算【m 1 4 1 ，彭建还对螺旋槽干气密封的主要结构参数进行 了优化，使其性能达到最佳；1 9 9 6 年，中国石油大学( 华东) 的胡丹梅等【1 5 】对端面开设 直线斜槽的非接触式机械密封进行了数值计算，得出端面压力分布，并进一步分析了密 封性能随操作参数的变化规律；1 9 9 8 年，杨梦辰也是采用数值计算的方法对平面螺旋槽 进行了计算，他没有采用八节点有限单元法，而是采用的三角形有限单元法【1 6 1 。 液体润滑螺旋槽机械密封的研究虽然也开始于6 0 年代，但较之气体动压型机械密 封，进展要缓慢得多，目前基本上处于密封机理探索阶段。1 9 8 4 年，液膜润滑机械密封 开始在高速、高压的液氧环境中应用，并取得了成功【l 7 1 ，1 9 9 0 年，以“上游泵送 为理 论基础的螺旋槽机械密封成功应用于工业实践1 耻1 9 1 ，1 9 9 3 年，人字形、y 字形非接触、 零泄漏液体润滑螺旋槽机械密封研制成功【2 0 l 。该种机械密封无需上游泵送机械密封所必 需的下游流体保障系统，因此使结构更加简化。 在动环端面上开设各种形式的动压槽，以实现机械密封非接触的研究和应用开始于 上世纪6 0 年代，其中气膜润滑机械密封技术发展相对成熟，而且已经在工业上得到广泛 应用，利用该理论也已开发出多种较为成熟的产品。而对于液膜润滑非接触式机械密封 来说虽然研究的时间也比较长，但是研究的深度不够，再加上研究的难度相对较高，因 此一直以来进展较为缓慢。 然而，由于普通机械密封其端面温升较高，且使用寿命较短，不能满足在易挥发、 高温高压介质条件下的使用，因此迫切需要开发零泄漏上游泵送机械密封，该种密封在 泵等输送液体设备上的应用已成为工业发展的必然要求 2 1 1 。 3 第二章史献综述 2 2 流体静压润滑机械密封 2 , 2 i 结构和机理 静压润滑机械密封是将压力足以平衡端面压紧力的密封液或被密封的自身介质引 入密封端面之间，使之彤成对端面具有润滑和冷却作用的静压流体膜。静压润滑机械密 封分为外加压、自加压两种形式，这两种形式的密封结构图如图2 一l 和2 2 所不【捌。从圈 2 - i 中可以看出自加压静压润滑机械密封需要在静环的后端开设小孔，为进入动静环 端面间的流体提供一个通道，而且产生静压的流体不需要外部提供，而是密封腔内介质 本身，节省了设备投资运行费用。 图2 一i 白加压式静压气体润图2 2 外加压式静压气体润 滑机械密封结构国惜机械密封结构国 f i g2 - 1 m e c h a n i c a ls e a io f a e r o s t a t i c s f i g2 - 2 m e c h a n i c a l s e a lo f a c r o s l a t i c s l u b r i c a t e ( s e l f p r e 镕u r e ) l u b r i c a t e ( o u t p r e s s u r e ) 图2 - 2 是外加压静压润滑机械密封皿3 】，与自加压静压润滑机械密封比较而言，该种 密封形式相对复杂因为需要有提供一定压力密封液的动力设鍪，投资相对较大。无论 是外加压还是自加压形式的机械密封，密封实现非接触都与动环转速无关，运行相对比 较稳定，尤其是在设备启动或停车的情况下照样可以实现全膜润滑，大大减小了密封端 面之间的摩擦，从而也使启动力矩大大减小【洲。 2 2 2 静压气体润滑机械密封研究现状 静压润滑机械密封的研究始于一百多年以前，早在1 9 8 4 年，t a d a s h i k o g a 鲁j ；口5 】研究 了外加压式静压润滑机械密封 2 6 1 。 1 9 9 8 年t as t o l a r s k j 等对静环背面开槽的自加压静压润滑机械密封进行了分析，并且 挚埠 ，网带圈_-i_111爿爿誓围 一、o，。，一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在分析的过程中将端面的粗糙度和变形考虑在内，使得分析结果更加接近实际值，另外 还通过实验的方法进行了对比研究【2 7 1 。 2 0 0 0 年日本的著名学者t f u s e 和f u j i w a r a 设计出一种简单实用的外加压式静压润滑 机械密封【2 8 1 。在静环端面上开设了四个静压槽，使密封液在该静压槽的作用下更容易形 成稳定的流体膜，从而密封运行稳定可靠，密封效果好。t f u s e 和f u j i w a r a 对所开发的外 加压式静压润滑机械密封的性能进行了较为详细的理论分析，并做了相关的实验研究。 结果表明该j b 力n 压静压润滑机械密封具有较高的流体膜刚度，而且适合于低转速下运 行，适合于反应釜等低速设备【2 9 】。 2 3 流体动压润滑机械密封 流体动压机械密封是在密封端面上开设动压槽，介质进入动压槽后，依靠动环旋转 时带动槽内流体运动，产生动压效应而形成端面流体膜。流体动压型机械密封有简单槽 式、螺旋槽式、周向槽式和波纹式等多种型式。此种密封一般应用在转速较高的压缩机 等高速设备上，且其动压效应非常明显。 靠流体动压效应而实现密封端面非接触的机械密封在动环旋转过程中，密封液会沿 着动压槽的方向泵送，在密封液到达槽的根部时，密封液被压缩，压力开始升高。正是 由于该压力的存在使密封端面实现非接触，进而大大减小了密封端面间的摩擦，提高了 使用寿命。对于气膜润滑的干气密封来说，当气膜厚度在2 5 微米左右时，气膜的刚度能 达到最大，运行比较稳定。 密封端面间流体膜刚度是衡量密封效果的重要指标，流体膜刚度大则密封运行比较 稳定，抗干扰能力强。干气密封的设计准则就是想办法获得大的气膜刚度。除了干气密 封，动压润滑机械密封还包括上游泵送机械密封和激光加工多孔端面密封。 2 3 1 气膜润滑机械密封 气膜润滑密封也是靠气体的动压效应而实现端面的非接触，是指依靠密封环之间仅 有微米级的气体薄膜来实现端面润滑的机械密封，通常也被称为干气密封，最早提出干 气密封概念的时间是在上世纪6 0 年代，干气密封的理论基础来源于气体润滑轴承【3 0 1 。干 气密封的槽型密封面结构按旋转方向上分为单方向旋转和双方向旋转两种。单方向旋转 的槽型如图2 3 所示，主要有v 形槽( 或三角槽) 、螺旋槽、和袋式槽【3 ，其槽深一般都 在2 - 3 微米之间，其中应用最多的是螺旋槽机械密封。 5 第二章文献综述 僻 ； 心 怂 抄、 一 c a ) 螺旋槽( b ) v 型槽( c ) 袋式曹 图2 - 3 单向旋转密封端面结构 f i g2 - 3m e c h a n i c a ls e a l se n df a c eo fs i n g l e - d i r e c t i o nr o t a t i o n 由于单向旋转的密封槽型存在一些缺陷，即当压缩机或泵等设备在停车或反转的情 况下，被泵送的将沿着动压槽反向流动，因此会失去动压效应，导致动环和静环的端面 发生接触，磨损加剧，严重的情况下还会使动环发生损坏，使密封彻底失效，因此大大 影响了机械密封的性能，不利用长周期稳定运行。为了解决单向旋转机械密封槽存在的 缺点，一些专家学者就开发出了可以适应双向旋转工作条件下的端面形式，这样的槽型 主要有径向槽【3 2 1 、双螺旋槽、f l o w s e r v e 公司的t 形槽【3 3 1 、j o h nc r a n e 公司的枞树形槽、 以及我国天津鼎名公司研制的双向槽和b u r g m 锄公司的u 形槽p 4 1 ，如图2 - 4 所示。 f b 议螺敛攒 ( c )烈纠形馋 ，西t 形槽( c ) u 形槽( f )鼎名双向檎 图2 - 4 双向旋转密封端面结构图 f i g2 - 4m e c h a n i c a l s e a l se n df a c eo f t w o - w a yd i r e c t i o nr o t a t i o n 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 2 上游泵送机械密封 与干气密封相比，上游泵送机械密封是一种新型的端面非接触式密封，其密封的机 理是通过开设在动环端面上的流体动压槽在动环告诉旋转时产生的动压效应，上游泵送 机械密封通过端面流体动压槽旋转时产生的动压效应，将处于下游( 低压侧) 的密封液 或密封介质泵送至上游( 高压侧) ，在密封液或密封介质泵送的过程中，在动静环端面 之间形成了一层厚度只有微米级的流体膜。正是由于这层稳定的流体膜的存在，大大改 善了密封端面的摩擦状态，起到了润滑的作用，而且还将上游( 高压侧) 被密封的流体 阻断，避免了泄漏【3 5 1 。图2 5 为普遍采用的螺旋槽上游泵送密封端面结构及工作原理图 3 6 1 。 裔匿 鸯曩面螬朽 儡 b 上鸯象避曩曩 图2 5 上游泵送密封端面结构及工作原理图 f i g2 - 5e n df a c es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fu p s t r e a mp u m p i n gs e a l 上游泵送机械密封主要有两种形式，即零逸出上游泵送机械密封和零泄漏上游泵送 机械密封。这两种密封的应用范围非常广，可以将其用在输送水、油品等常压下为液态 的转子泵轴封、停车密封、备用密封、高速轴承润滑油密封和安全密封上，也可以将其 用在输送那些饱和蒸汽压比大气压低的介质的设备上的轴封，可用于替代普通的双端面 接触式机械密封。到目前为止，各种各样的上游泵送机械密封端面结构形式已经被开发， 其中最常用的主要有图2 6 所示的4 种形式【3 7 1 ，其中类螺旋槽型主要包括螺旋槽、曲线槽、 圆弧槽和直线槽。由于螺旋槽上游泵送机械密封的流体流动效率高、摩擦功耗小，因此 有着比较好的市场前景，被工业上大量应用。 7 第二章文献综述 守 讼，赳 醪余 谘锣 n ( a ) 多圆叶台阶型( b ) 周向雷列台阶型 ( c ) 直叶形 ( d ) 类螺旋槽型 图2 _ 6 上游泵送密封端面结构 f i g2 - 6e n df a c eo fu p s t r e a mp u m p i n gs e a l 2 3 3 热流体动压机械密封 在动环上开圆弧槽的热流体动压润滑机械密封的开槽深度要比螺旋槽等非接触式 机械密封深很多，一般都在毫米级，图2 7 中为两种常用的热流体动压润滑机械密封的 槽型。密封环在旋转时，圆弧槽内将会充满流动的液体，因此对密封环的边缘会起到很 好的冷却作用，另外圆弧槽还可以对密封介质中含有的固体颗粒起到阻止的作用，由于 是圆弧槽，对动环的转向也没有限制，有着十分稳定的工作性能。原西德的e m a y e r t 3 8 】 和国内的关雅贤【3 9 】都曾对热流体动压润滑机械密封进行过系统的研究，对其密封机理做 出了定性描述，并做了大量的相关实验。 ( a ) 受外压作用( b ) 受内压作用 图2 7 圆弧槽热流体动压密封端面结构 f i g2 7e n df a c es t r u c t u r eo f t h e r m a lf l u i dd y n a m i cs e a lw i t ha r cg r o o v e 2 3 4 激光加工多孑l 端面机械密封 激光加工多孔端面密封结构如图2 - 8 所示，旋转环表面没有开设动压槽，而是光滑 的平环，开设的微孔在静环的表面，而且是规则排列，形成了具有多孔的端面结构，图 2 - 8 ( b ) 为静环端面规则分布圆孔的结构图。在静环端面上开设的孔的直径和深度可以从 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 几微米到数百微米，开孔所占的面积与端面面积总和之比一般为6 3 0 左右【4 0 1 。 在密封运行过程中，动环旋转，静环上的微孔起到了滑动轴承的作用，在动静环两 个端面之间形成了一层几微米厚度的流体膜，对两个密封环起到了润滑作用。端面开孔 机械密封实现非接触的原理也是利用流体的动压效应，与螺旋槽非接触式机械密封有相 似之处【4 。 动环 静环 ( 摹) 带有薇孔的密封环( b ) 徽孔分布 图2 - 8 多孔端面机械密封结构简图 f i g2 - 8s t r u c t u r eo f m e c h a n i c a ls e a lw i t hm i c r o - p o r ef a c e 2 4 机械密封流场研究状况 密封工作者十分重视对密封环冷却方面的研究，因为密封环冷却不佳将会带来严重 的后果，缩短密封的使用寿命。从公开发表的文献来看，大多数人都是将密封环与密封 腔内的介质独立开来进行分析，其实密封环在旋转时将会与密封腔内流体接触搅拌，产 生大量的搅拌热，因此密封腔内流体的温度场研究也显得同为重要【4 2 】。 随着计算机技术和计算流体动力学的发展，机械密封的研究手段又有了新的方法， 给机械密封研究开辟了新的道路。z h a o g a ol u a n 和m m k h o n s a r i 利用数值模拟软件 f l u e n t 对机械密封环端面及密封腔内的流体进行了数值模拟，虽然他们将动静环和密 封腔做为了一个整体进行考虑，但所建立的模型是二维模型，实际上密封腔内的流动是 一个复杂的三维流动，因此研究结果将会带了很大的误差。 1 9 9 4 年，m o r r i s o n 等利用多普勒激光测速技术对非接触式机械密封的流场进行了测 量，测量后的结果表明在机械密封流场内部存在回流；在此基础上，m o r r i s o n 还利用压 9 第二章文献综述 力传感器对密封端面的压力分布进行了准确的测量，得出密封端面压力场9 布t 4 4 1 。a r g h i r 利用l d a 技术对环形密封进行了测量，为了验证测量结果的准确性，又将被测量的密 封结构建立了模型，进行了数值计算4 5 1 。 2 0 0 4 年，王和顺、陈次昌等对径向直线槽气膜润滑机械密封端面流场进行了三维数 值模拟，结果表明：径向直线槽气膜润滑机械密封端面压力峰值在槽区与坝区交界处出 现，直线槽对气体有明显的泵送效应；当动环转速达到一定值时，径向直线槽干气密封 靠气体的动压效应能得到一定的开启力，并能使动静环实现非接触；由于坝区对密封介 质的阻塞作用，对密封性能会产生一定的影响即使开启力增大而泄漏量减小，因此坝区 的存在使非常重要的m 。 2 0 0 5 年，南小妮等以流体膜为研究对象，对螺旋槽气体密封进行了三维模型的建立 与网格划分，并利用流场分析软件f l u e n t 对其进行了数值计算。模拟出的流场与其 它文献中的实验结果进行对比发现误差在可以接受的范围之内，说明所采用的研究方法 具有一定的可信度 4 7 1 。 2 5 机械密封温度场研究状况 无论是接触式机械密封还是非接触式机械密封，都存在一个共同的问题就是端面温 升。端面温升的主要原因是摩擦和搅拌产生的热量不能随时被带走，因此会使密封端面 温度升高。较小的端面温升是机械密封长周期稳定运行的保障，相反温升太大将会使密 封环端面由于受热不均而发生变形，另外还有可能会使密封环周围的介质发生汽化，更 严重时会引起端面的热烈和热冲击等现象。为了能够避免以上问题的发生，使机械密封 能够长周期运行，有必要对密封端面间温度的传递形式以及动静环端面温度场的分布进 行研究，在此基础上可以采取有针对性的措施，使密封动静环端面温升降到最低，使其 能够达到长周期稳定运行的条件。目前国内外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种。 在国外，1 9 9 3 年e t s i o n 和p a s c o v i c i 等人第一次成功解决了将未对准端面因素考虑 在内时，端面温度分布，应用t h d 软件以流体膜为研究对象建立数学模型【4 8 1 。1 9 9 9 年， p a r c i zm e r a t i 等以密封腔内流体和动静环为研究对象，建立了二维轴对称模型，通过对 模型进行网格划分并在f l u e n t 软件中进行数值计算，得出机械密封腔内的流动及动、 静环端面内部的温度场分布。最后得出的结论是：机械密封腔内流动变化比较明显的地 方发生在动环与静环接触部位。同时，由于动静环内径靠近轴套，且间隙较小，因此影 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 响热量传递，对流传热效果不佳，致使在动静环内径处温度较高。皂 在国内，李克永等利用解析的方法在一定的假设基础上建立了机械密封环稳态温度 场模型【5 0 1 。主要的假设有：1 ) 温度场为稳态；2 ) 密封环有固定不变的导热系数和对流 传热系数；3 ) 密封环具有三维轴对称结构；4 ) 密封环由于热辐射导致的热量损失可以 忽略不计；5 ) 密封环本身无热源。在此假设的基础上，只能计算出密封环为矩形截面 的情况，另外也没有给出对流传热系数的计算方法，只是通过实验的手段来粗略求的【”】。 陈文毅等利用有限元的方法对机械密封环的稳态温度场进行了分析和研究，为建立 机械密封的有限元计算模型，他们也对密封环作了一定的假设。他们依据变分法原理推 导了温度场计算的有限元模型【5 2 5 3 1 。 陈利海等通过理论推导的方式得出用于计算机械密封稳态温度场的有限元方程，更 重要的是他还将方程中出现的关键参数的确定方法得以解决。朱学明在前人研究的基础 上将密封环的变形考虑在内，分析了非稳态下变形对温度场的影响，首次将热结构耦 合分析的方法应用的该领域，并取得了成功，计算出了密封温度场的动态摩擦热，给出 了求解的完整方法并建立动态摩擦热模型。最后的研究结果表明：机械密封在启动以及 慢慢加载过程中，动静环端面接触部位逐渐变小，在接触部位温升较高，会出现局部过 热的现象 5 4 - 5 7 1 。 第三章非接触式机械密封理论基础 第三章非接触式机械密封理论基础 3 1 液体润滑理论 液体润滑是在滑动件和文撑件l 司微小l 司隙内，流动看粘性液体的状态，对它n - - j 采用 粘性流体动力学的n a v i e r - s t o k e s 方程和流量连续方程来研究5 8 1 。 害一去脚+ 。 式中：u 为流速矢量，k 为外力矢量，p t 为流体密度，p 为正压力，仆为流体动力粘度， 又 daaaa 一d t2 瓦+ 略瓦+ 吩瓦 t u z 瓦 ( 3 - 2 ) u x ，u y ，u 厂流速在坐标( x ，y ，z ) 方向的分量： ：罢+ 芸+ 百9 2 ( 3 - 3 ) - 万+ 萨+ 虿 流体流动认为是不随时间的定常流动，并忽略载荷的作用，即惯性力d u d t 及外力 k 均为零。则式3 1 简化成 甜：土砌( 3 - 4 ) r , 图3 1 参考坐标系 f i g3 - 1r e f e r e n c ef r a m e 若取图3 - 1 的参考坐标系，设v 为相对运动速度，并假设： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由于间隙是微小的，间隙方向( y 方向) 的压力为常数，且p a y = o 。并允许忽 略油膜的弯i t t i 。 ( d 与间隙方向的流速变化梯度相比，流体流动方向的流速变化梯度甚小，h i 离3 2 y 怫 c 3 2 “x i ，阱c a 2 y 剧a 2 z 这样式3 - 4 又可简化成 a 2 蚝 砂2 a 2 u z 砂2 1 印 仇础 1 印 仍彪 由于间隙t i e d , ，可以认为训叙和却统与y 无关，积分后得 单位宽度的流量 3 2 气体润滑理论 = 瓦1 瓦g p 。少2 一砂) + 云y = 瓦1 g p ) ，2 一砂) ( 3 5 ) ( 3 6 ) g = f l 纸+ b 渺= 一旦1 2 r , f 望& + i a s , ) + i v h ( 3 7 ) 气体静压润滑的工作原理与液体相似，即外载荷由气体膜内的压力所承受，而气体 则是由外界压力源通过补偿元件供给的。其气膜控制方程为： 补等肘排譬料6 掰等 协8 ， 若研究的密封用润滑剂是气体，假设是理想气体，根据理想气体状态：h - 程p = p r t ， 上式可以改写为： 邻警料瓤譬肼6 国，等 p 9 ， 气体与液体静压密封的差别几乎全是由于两种不p - - 介质所引起的三个因素造成的， 即气体的可压缩性、低粘度、不能作为边界润滑剂而保护金属免受腐蚀。两者的不p - - 点 1 3 第三章非接触式机械密封理论基础 主要有以下几个方面： ( 1 ) 气体密度随压力而发生变化，致使流量与压力的关系复杂化，在流量连续方 程中，液体静压润滑机械密封用体积流量，而气体静压润滑机械密封用质量流量。 ( 2 ) 气体容易引起气锤现象导致密封失稳。 ( 3 ) 节流比受阻塞条件的限制。当节流比达一定数值时，即使再增大气体流速也 不会增大，就像被阻塞一样，此时的节流比称为临界节流比。 ( 4 ) 气体静压密封的间隙尽量取的较小，通常为液体静压密封的1 2 到1 3 ，并适 当增大密封面的宽度。 ( 5 ) 需要配套精密的过滤装置，设备投资较大，但如果有压缩气源则可大大节省 费用。 3 3 动静压混合润滑的基本性质和特点 3 3 1动静压混合润滑概述 目前存在三种流体力学润滑形式，最简单的是流体动力润滑。只要存在一定的运动， 流体膜就能产生承载力。在以动压润滑为基础的动压轴承其使用寿命不长，并且在频繁 起停和停车的设备中，不可避免的会产生磨损。另外一方面，由于动压承载能力与速度 成正比，所以在低速条件下适应性很差。静压润滑在机器启动之前就可以形成完全的润 滑膜，不存在启动和停车过程的磨损，启动力矩比较小。静压润滑需要较为复杂的供应 系统，这也是静压润滑的一个缺点。 动静压混合润滑最早应用于动静压混合轴承，力图将静压轴承和动压轴承的优点结 合到一起，这样既不产生磨损又可以利用运动副的速度。通过大量的工业应用和实验测 试，该种形式的轴承性能优良。 3 3 2 动静压混合润滑基本方程 式3 1 0 为动静压混合润滑雷诺方程的无量纲归一化形式【5 9 1 ，即 旦f l 旦a x r l n + l 昙