（化工过程机械专业论文）机械密封腔内流场及摩擦副温度场性能研究.pdf

摘要 随着工业的高速发展，高温、高压、高速的工作状况使机械密封摩擦副端面温升过 嵩，易造成密封环的菲正常磨损、热裂、变形及端面闻液膜汽化等闷题，导致密封迅速 失效。因此，对摩擦副温度场的研究非常重要。然而密封腔内流体的流动与密封环传热 密切相关，所以研究时应同时计算密封腔内流场和摩擦副温度场，找出相互影响规律。 本文应用计算流体力学软件( c f d ) 对密封腔内流场及摩擦副温度场进行了数值计算， 选取整个密封腔内及摩擦副端面间隙内的流体为研究对象，通过求解三维n s 方程，得 到整个密封腔的流场，具体分析了流体从进入密封腔到抵达摩擦副端面间隙的整个流动 过程，得到了腔内流体的压力分布、速度矢量分布、质点轨迹、涡量分布等；然蜃求解 能量方程，得到了密封腔和摩擦副端面温度分布以及端面温升的影响因素。文章还对比 分析了接触式机械密封与螺旋槽机械密封的端面温度分布及温升影响因素。本文对密封 腔及摩擦副端面闻隙内流体同时建立三维模型，潮格划分实现了从宏观尺度到微观尺度 的过渡，并借助商用软件成熟的可视化功能，对整个密封腔内流体的流动与传热进行模 拟，效果直观，便于观察流动的形成与发展以及传热过程，找出端面温升的主要影响因 素，为密封结构及性能的优优设计提供依据，为螽续密封环的变形计算奠定基础。 关键词：机械密封，流场，温度场，摩擦副，c f d p e r f o r m a n c es t u d yo nf l u i df i e l da n dt e m p e r a t u r e f i e l do ff r i c t i o ni n t e r f a c ei nam e c h a n i c a ls e a l z h a n gm i n g m 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 yp r o f e s s o rh a o m u m i n g a b s t r a c t a l o n gw i t l lf a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h et e m p e r a t u r er i s eo fi n t e r f a c eg e n e r a t e do n m e c h a n i c a ls e a lf r i c t i o ni n t e r f a c eu 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 g ht e m p e r a t u r e ，h i 鳞 p r e s s u r ea n dh i g hr o t a t es 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 k ，d i s t o r t i o no fs e a l r i n g s ，v a p o r i z a t i o no ff l u i df i l mi nt h ec l e a r a n c ea n df i n a lf a i l u r eo fs e a l 。s oa n a l y s i so nt h e t e m p e r a t u r ef i e l do ff r i c t i o ni n t e r f a c ei sv e r ys i g n i f i c a n t 。 d u et oo s c u l a t i n gc o r r e l a t i o no ff l o wa n dh e a tt r a n s f e r , t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s t u d i e sw i t hc f ds o f t w a r ef o rt h ef l u i df i e l di ns e a lc a v i 移a n dt e m p e r a t u r ef i e l do ff r i c t i o n i n t e r f a c ea l ep r e s e n t e d 。t h el i q u i di ns e a lc a v i t ya n df r i c t i o ni n t e r f a c ec l e a r a n c ei ss t u d i e d 。 f i r s t l y , t h ef l u i df i e l do ft h ew h o l es e a lc a v i t yi sp r e s e n t e db ys o l v i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ln - s e q u a t i o n s ，t h ef l o wp r o c e s sf r o me n t r a n c et oi n t e r f a c ec l e a r a n c e i sa n a l y z e d ，a n dt h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o n ，s p e e dd i s t r i b u t i o n ，p a r t i c l et r a c k ，s w i r l i n gd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d t h e n , t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fs e a lc a v i t ya n df r i c t i o ni n t e r f a c ea n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o r t e m p e r a t u r er i s ea l ea 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 n s 。t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n d i n f l u e n c ef a c t o r sf o rt e m p e r a t u r er i s eo fb o t hc o n t a c ts e a la n dt h es p i r a lg r o o v es e a la r e a n a l y z e dc o n t r a s t i v e l y t h r e e * d i m e n s i o n a lc o n f i g u r a t i o nm e s hf o rt h el i q u i di ns e a lc a v i t ya n df r i c t i o ni n t e r f a c e c l e a r a n c ei sa p p l i e d i ts 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 a c r ot om i 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 em a k et h es i m u l a t i o n so ff l o wd e v e l o p m e n ta n dh e a tt r a n s f e r v i s i b l ea n de x p l i c i t , a n dt h e yc a l lb ea v a i l a b l ef o rp a r a m e t e ra n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n d e s i g n so fs e a l s ，a l s o 氇e yl 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 f s e a lr i n g s k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l s ，f l u i df i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，f r i c t i o ni n t e r f a c e ，c f d 勃 主要符号表王姜符号爱 比热，j ( k g 鹚 表面摩擦系数 疋 1 3 合力，n 开启力，n 对流传热系数，w ( m 2 k ) 螺旋槽深，岫 非槽区膜厚，陋 焓，j k g 导热系数，w ( m k ) 转速，r p m 螺旋槽数 摩擦力，n 流体静压，m p a 端面接触比载荷，w m 2 雷诺数 流体普朗特数 泵送量，m l m i n 螺旋槽外径，t o n i 密封环内径，i t l l r l 密封环外径，r n l t l 温度，k 直角坐标系下，x 轴方向上的速度，m s 直角坐标系下，y 轴方向上的速度，m s 直角坐标系下，z 轴方彝上的速度，m s 摩擦功耗，n ( m s ) 泰勒准数 槽径比 堰宽与槽宽比 r 口 蚝 ， 嚣 毋 矽岛 恐 辟 q 喙 以 如 f 掰 v w 姆勋 夕 厂 批 d 社 p a 6 0 努塞尔数 流体运动粘度，m 2 s 流体动力粘度，p a s 密度，k g m 3 螺旋角，r a d 旋转角速度，r a d s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声葫：所呈交鳇论文是本人在指导教筛指导下独立进行硬究王作所取褥的 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邑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匿油 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作出了明确的说明。 若宥不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：岔碉碉豳期；。髫年胃| 1 3 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：傺留学位论文，按规定向困家有关部门( 机构) 送交学使论文，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蓐的使震授投闻土。 学位论文作者签名： 磊瑕裥 指导教群签名已，乏爹乙m 日期：钟岔年石月7 日 臼麓：o 孵舌胄气日 孛藿石油丈学( 华东) 矮士学经论文 第一章前言 规械密封广泛应用于各类旋转枫械中，虽然只是一个很小的零部件，龆起着至关重 要的作用。尤其在石油化工行业中，存在大量的高温热油类易燃介质，具有高温、高粘 度、低自燃点、高污染性等特性，此类介质一旦发生泄漏，将会引起着火，不仅造成大 量的物质损失，还带来严重戆安全生产闯题和环境污染闻题。就矫，祝械密封还广泛应 用于其它行业罩需要严格控制泄漏的旋转机械中。 随着工业的高速发展，高温、商压和高速的工作状况使机械密封摩擦剐端面温升过 高，影响密封的正常工作。端蟊温升过嵩会带来诸多闯题：端面高温易孳l 起液膜汽讫， 造成密封失稳，泄漏量增加；密封环内的温度梯度会使密封环产生热变形，导致形成圆 锥形的端丽，这不但改变了端面的接触和润滑状态，端面的磨损也会加剧，泄漏量随之 增鸯蠢；溺度梯度还会使密封环产生内应力，当局部内应力超过材料的许用应力时，端面 会产生龟裂，密封失效【i 】。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。 域此，对机械密封摩擦副温度场进行研究非常重露。 关于机械密封温度场的闷题，有关学者已做了大量研究工作，但丰要选用数值解析 法、经验法和实测法进行分析，通用性和直观性较差。虽然也有关于流体力学软件模拟 机械密封温发场的研究报道，但他们仅仅针对密封环温度场进行研究，未涉及整个密封 腔内流场对摩擦副温度场的影响。实际上，腔内流体的传热过程与流体流动密切耀关， 流体的流动形式、流速、压力、温度等直接影响着摩擦副温度场。因此，有必要将密封 脏内流场和摩擦副温度场 乍为个整体进行研究，模拟出流体的流动形式，并给出流体 参数变化对摩擦副温度场的影响规律，从i 找滋控制温升的有效措施，指导机械密封的 优化设计。 本文借助c f d 软件吓l u e n t 强火的计算能力和成熟的模拟功能，对机械密封 腔内流场及摩擦副温度场进行了全三维数值模拟。通过求解三维流动方程，得剑脏内流 体的压力分布、速度矢量分布、质点轨迹以及涡量分布，具体分析了流体从入口到抵达 螺旋槽端瞳间隙内流动的整个过程以及端面间隙内流体的微流动形式与微传热形式，即 流体在端面潮如何流动，如何实现零澄漏甚至零逸出。同时计算研究了接触式机械密封 与非接触式机械密封的温度场，将两者的端而温度分布以及端面温升的影响因素进行了 对比分析，从而指导密封结构的优化设计。 另外，将计算流体力学应用予机械密封腔内流场及摩擦副温度场的计算中，使计算 第一章蓠富 速度加快，精度提高。同时，计算流体力学可视化软件的应用，使流动动态模拟更加直 观，便于观察流动的形成与发展、流动与传热以及流动变化对温度场的影响过程，进而 找出影响规律，为密封结构及性裁的优化设计提供依据，为后续密封环的变形计算奠定 基础。 2 孛莺磊演大学( 华东) 硕圭学链论文 2 1 机械密封简介 第二章文献综述 弟一早义陬琢怂 机械密封是一种先进的动密封产品，是旋转机械防止泄漏、节约能源、控制环境污 染的重要功能基础件，它靠介质压力及弹簧力，利用一对光滑平直并存有流体膜的表面 达到密封效果。与填料密封相比，机械密封具有密封效果好、不磨损转轴、使用寿命长、 消耗功率小等优点，在动密封部位采用的比较多。特别适用予一些工作环境比较恶劣的 场合，如高速、高温、高压、低温、有毒、真空、腐蚀性、易燃易爆等。机械密封技术 直接影响配套主枧产品的质量和运行的可靠性，是制约石化重大装备实现囡产化的重要 因素之一。机械密封件与所有密封件的构成比例，在较大程度上反映了一个国家石化通 用机械行业生产技术水平的高低。据代表我国当代工业水平的石化行业统计，8 0 9 0 的离心泵采用机械密封。工业发达的禹家里，在旋转枧械的密封装置孛，枫械密鸷的用 量占全部密封使用量的9 0 以上【2 】。 机械密封的研究由来已久翻。1 8 8 5 年在英国出现了第一个密封专利，直到1 9 0 0 年 才开始用于轴承密封。1 9 0 8 年由几个汽轮机密封，改进为可移动的密封环密封。1 9 1 3 年出现了汽轮机上使用双端面密封的专利。1 9 1 9 年出现了单端面机械密封专利。1 9 2 0 年小型家用冷冻压缩机和汽车上水泵的轴封采用了机械密封。1 9 3 0 年采用机械密封在一 定程度上解决轻烃泵的密封问题。秦1 9 4 0 年起主要改进密封筒材料，1 9 4 5 年出现了陶 瓷、石墨、硬质合金材料的密封，加工精度也大为提高，表面精度r a 由0 4 岬提高到 o 1 0 2 11 t m ，同时在新结构上出现了平衡型机械密封、中间环密封和其它专利的机械密 封。1 9 5 7 年美国e g & g 公司制造出邀赛上第一套焊接波纹管机械密封并孀于航空中。 1 9 6 7 1 9 8 0 年出现了高参数的热流体动力楔密封及各种非接触式流体静压密封和流体动 压密封。此时机械密封在美国已得到普及和推广，并用到石油和化学工业中。此阶段在 流体动压润滑和流体静藤润滑等理论指导下，零| 用轴承等方面先进技术，机械密封向深 度方向发展，出现了各种高参数和新结构的接触式和非接触式机械密封，与此同时，为 了满足各种要求又出现了组合密封。 在接触式机械密封方面，由于孩电和宇航的需要，高参数的枕械密封发展较快。1 9 7 7 年出现碳化硅。石墨做摩擦副的机械密封，只矿值迅速提到3 6 0 m p a m s 。新结构密封也 不断出现，诸如弹性变形波度密封、中间多环密封、窄带接触密封、剖分环密封、集装 式密封、监控密封等。本世纪6 0 年代出现了菲接触式祝械密封，诸如周向圆弧槽雷捌 3 第二章文簸综述 台阶面和螺旋槽面的流体动压密封、台阶面和凹槽节流的流体静压密封，将机械密封的 只y 值提蕙到5 0 0 m p a m s 。此外，适用于高参数和综合复杂条件的机械密封与螺旋横密 封的组合密封、半接触式变载荷系数机械密封和些混合的阻塞密封都纷纷出现，并得 到广使用。 从8 0 年代初开始，出现了新结构、新概念、薪方法、新技术、新工艺和薪材料的 新型密封 4 1 。诸如出现了“上游泵送 新概念、产生了菲接触式的新结构上游泵送机械 密封。新结构可使非接触式密封达到极少泄漏，甚至是无泄漏，进而打破了非接触式密 封总是泄漏的陈| 日概念。在新材料方面，出现了h 复合材料，采用喷涂技术和新工 艺来修复硬面和制造硬面环。机械密封技术正向更深层次方向发展高参数、高性能 ( 干运转、无泄漏、无油润滑、含颗粒介质) 和高水平。非接触式机械密封的发展方向就 是减少泄漏、提高稳定性和可靠性、延长寿命和扩大使用范围。菲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，适合于高压差、高速和润滑性差的密封介质( 气 体、沸腾液体、低温液体) 条件下工作。流体静压机械密封和流体动压机械密封现已成 功应用予压差达2 8 m p a ，速度达1 8 5 m s ，轴径达1 5 0 0 m m 熬设备中。这些梳械密封还 用在液体燃料发动机、高压涡轮泵、航空发动机及压缩机、原子能电站循环泵、动力系 统给水泵和其他机器中。8 0 年代中期以后，国外螺旋槽机械密封已基本成熟，被广泛应 用于离心式压缩枫等高速旋转机械上，舅前研究仍不断深入【5 】。1 9 9 0 年，b u c kg s 等溯 和j a m e sn p 7 1 分别介绍了利用“上游泵送”原理的螺旋槽机械密封成功应用的工业实 例。1 9 9 3 年，t o ml a i 8 】研制了几种包括人字形、y 字形在内的非接触、无泄漏液相螺 旋槽机械密封，并成功地应用于工业实践，萁结掌鼋特点在予无上游泵送机械密封所必需 的下游流体保障系统，简化了结构，但未给出设计原理和具体设计分析方法。1 9 9 4 年， 张俊铃等研究了一种螺旋槽和雷利台阶组合的油润滑机械密封 9 】。近年来出现了一些新 型的动静压结合的端面型式，刘菊川对其作了总结，并对这几种端面结构的密封型式提 供了较为全面的定量分析比较。其中提到的常用的端面非接触式密封的几种典型端面结 构有螺旋槽顺流泵、螺旋槽逆流泵、带静压小孔螺旋槽、瑞利阶梯、小孔浅槽及小孔深 槽等，如篷2 一l 所示。 2 0 0 0 年，宋鹏云等【l o 】利用实验研究了端面内侧开槽机械密封的性能。2 0 0 2 年，盂 剑等( 1 l 】对逆流泵送机械密封进行了实验研究。同年，由n a s ag l e n n 研究中心研制出了 手指密封( f i n g e rs e a l ，篙称f s ) 【磔，它是一种新型磊l 式密封。当压力、轴的轴向和径 向转动变化时，这种新型密封可在不改变密封能力的情况下改变形状，相对缓和了当今 4 孛藿夏浦丈学( 华东) 磺士学蕴论文 使用的一些密封( 如迷宫式、蜂窝式和机械端面密封) 的缺陷。手指密封的大部分特征 类似于刷式密封，所不同的是手指密封的提升裁力大些，能实现非接触运转，允许轴向、 径向偏差，减小磨损，从而相对于迷宫密封和刷式密封寿命更长。这种密封在n a s a g l e n n 研究中心已得到成功的应用测试。 z - w 旋槽顺流泵 3 啼供气小我炼旋穰( 蔟流黎) 2 一螺旋槽逆流聚 和端利阶梯 冀 a i 一 一l 一l ， ， 1h 屯r j i 丸 彩钐彭形钐彭形彩彭彭彩形形形钐勿嬲 l l- 受心心心r 葚漤r 苯整& 芯r 心义甚浏 iil i 5 叫、孔浅整秘小孔深腔 图2 - 1 几种典型的密封端面结构型式 f i 9 2 - 1 s e v e r a lt y p i c a lc o n f i g u r a t i o nm o d e l so fs e a li n t e r f a c e 2 2 机械密封流场与温度场的研究现状 棍械密封正常工作时，由密封环的相互贴合并相对转动产生的摩擦热以及密封附件 搅拌产生的搅拌热，会导致密封环特另f j 是密封端面的温度升高，从而产生很多问题：端 面温度升高有可能使液膜汽化，造成密封失稳，泄漏量增加；密封环内的温度梯度会使 密封环产生热变形，导致形成圆锥形的端面，这不但改变了端面的接触和润滑状态，端 面的磨损和泄漏都会增加；温度梯度还会使密封环产生内应力，当局部内应力超过材料 5 第二章文献练述 的许用应力时，端面会产生龟裂，密封失效。因此机械密封的温度问题一真受到关注。 欲计算温度场，就要研究流体的传热过程，而传热过程与流体流动是密切相关的，尤其 是密封腔内缓冲流体的流动。缓冲流体一方面阻止被密封介质泄漏，另一方面起到冷却 液的作用，通过在密封腔内循环带走热量。缓冲流体的流动形式、流动速度、压力等参 数直接影响着密封环摩擦副的温度场。因此，机械密封腔内流场和摩擦副、温度场息息相 关，相互影响，应同时给予研究。然而，国内外研究大都将流场和温度场分开来进行研 究，与实际相差较远。 2 2 1国外磅究现状 2 2 1 1 实验及测量技术研究进展 在实验研究方面，国外起步较早。1 9 6 6 年，m u i j d e r m a n t l 3 】提出窄槽理论后，就作 了陶制螺旋槽止推轴承的空气压缩机试验。1 9 6 7 年，j a m e s 和p o t t e r 也彳乍了类似的实验。 d o u s t 和p a r m e r ( 1 9 7 5 ) 、d o a n e 掣1 4 】( 1 9 9 1 ) 分别作了实验确定在机械密封端面上的 热变形。1 9 8 8 年，d e m k oe ta 1 1 1 5 】将流场数值结果和实验热膜测量结果进行比较，结果 显示了回流区和横穿喷射流区平均流度之间的关系。戈了更好的测量环纹密封的复杂流 场，m o r r i s o n 1 q 提出了三维激光多普勒测量仪( l d a ) 测量技术。1 9 9 1 年，b r a u n 等【1 7 】 实验模拟了刷式密封中的速度和压力分布，并对结构内复杂的流场进行了模拟。1 9 9 6 年，a t h a v a l ee ta l 强】将s c i s e a l 的数值结果与旋转平面环纹密封的l d a 测量值进行了 比较，标准k 模型和低r e 数下的湍流模型均产生了相似结果。1 9 9 7 年，r o b e i r t 和 p h i l l i p s 【l 硼通过实验量化了机械密封的热性能参数和操作条件。实验测量了正常操作条 彳孛下的密封面扭矩、热梯度、流体流动样式，并虽横据实验数据计算了密封端面产生的 热量和静环润湿表面的n u 准数。它采用基于有限元分析的数值模拟方法，以密封面产 生的热量为输入条件，换热系数为边界条件。该方法能够准确预测由热梯度引起的密封 面变形。1 9 9 8 年，s h i r a z i ，e ta l 瑟0 根据l e b e c k 的实验结果，发展了一种计算分析方法， 来预测机械密封端面的热效应。p h i l l i p s 2 1 1 贝0 开发了一种密封测试环，可在舆型的泵送运 转环境下确定出机械密封端面的热力特性。 机械密封端面温度的实验测量方法主要有热电阻法、熟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一种方法，其优点是测试精度高，稿对稳定性好，能准确反 6 孛莺磊i 爨大学( 华东) 磺童学整论交 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。 实验测量困其真实性，毵够起到验证数值计算正确性与准确性的作用。因此，迄今 为止，实验测量依然在机械密封的温度场、流场研究中占据着重要位置。随着科学技术 的发展，实验技术越来越先进，精度也越来越高。 2 2 1 2 基于有限元的数值方法研究进展 有限元法出现于2 0 世纪5 0 年代中期至6 0 年代末 2 2 1 ，其基本思想是把计算区域划 分为一系列的单元，在每个单元上取数个点作为节点，然后通过对控制方程做积分获褥 离散方程。有限元法的主要优点是对不规则区域的适应性好。主要缺点是计算的工作量 大。 1 9 7 6 年，l i 2 3 】利用有限元法求解了机械密封的熟变形阀题。为了求解熊量方程，假 设有一定热量输入密封界面，流体特性参数沿密封坝保持恒定。最终利用有限元数值解 法获得温度场，并且给出了密封座和密封环的等温线。1 9 8 0 年，h u g h e s 和c h a o 2 4 】分析 了等温、绝热边界下液膜润滑密封豳温舞引起的相交问题。在分析模型中，配对环被假 设为半无限大固体。此假设忽略了由密封环外径传至周围密封液体的热量。l e b e c k 2 5 】 采用实际密封模型计算温度场而对于动、静环的高压密封流体接触面采用普通换热系 数。这个边晃条 牛忽略了动、静环边界土强制、自然对流的差别，以及膜厚方向的温度 梯度。1 9 8 7 年，d u m b r a v a 和m o r a r i u e 2 6 1 针对面对面双端面密封采用热流体动力学( t h d ) 分析，对端面温度采用解析法，同时考虑了流体流动和密封环内产生的热量以及冷却液 的对流。但是该分折假设沿密封坝端面恒温，这是不符合实际的。同年，d o u s t 和p a r m a t 2 7 】 给出了更符合实际的模型，利用了有限元计算模型。不足是不能实现解析参数化研究和 结果的无因次表示。1 9 9 0 年，z e n s 2 8 】利用有限元热分析得到了密封环和密封座的温度 分布，并虽给出其等溢线。1 9 9 1 年，l e b e 文【2 轫分析了若予由热环境引发的重要因素， 如：径向锥度、波度、热裂纹、过热点等。1 9 9 2 年，p a s c o v i e im 。d 和e t s i o ni 【3 0 】对机 械端面密封采用t h d 分析，同时考虑密封间隙内横、纵向温度和粘度变化以及实际边 界条件，用解析法求解能量方程，并以隐式方程的形式给出径向温度变化。1 9 9 9 年， b u c k 3 l 】建立了将密封视为散热源的有限元分析模型，给出了一种基于该模型来确定密封 温度的方法。2 0 0 3 年，j a n g 和k a t l o n s a r i 3 2 1 应用热弹性分析方法来预测密封端面发生过 热时的临界速度。不足是此研究没有考虑由注入冲洗液引起的机械密封环周匿的流动， 但实际上机械密封对流换热依赖于冲洗流体的流动特性。 7 第二章文献缘述 2 2 。1 3c f d 研究进展 计算流体动力学( c h ) ) 是在经典力学、数值计算方法和计算机技术基础上建立起 来的新型学科。它是通过建立数学物理模型，根据提供的边界条件和参数对速度场、温 度场、压力场等诸多物理量进行仿真模拟，从而提供流动区域内精细的流场和温度场。 随着c f d 的可靠性网益提高，应用范围日益广泛，它在流体机械研究中的重要性也越 来越瞬显。相对于瑾论分析和实验研究，数值模拟不但可以降低流体机械研究的周期和 成本，而且有较好的重复性、灵活性和抗干扰性，可以避免许多实验条件的局限，给出 流动区域全场的流动信息。 1 9 8 6 年，r h o d ee ta l 3 习首次将数值c f d 模型与开槽环纹密封实验进行比较，并将 其结果与s t o f f 的一维l d a 测量结果和m o r r i s o ne ta l 的压力测量结果进行了比较。1 9 9 9 年，j e f f r e ym o o r e 翻田p a l a z z o l oa l a nb 1 3 4 1 应用基于压力的c f d 模型来计算旋转槽液膜 密封的流场和转子动力学强度，并与l d a 的测量结果进行了比较，发现吻合较好，求 解过程应用了标准、低尺e 数下的k - 占湍流模型。同年，r a yc l a r k 和h e n r ia z i b e r t 3 5 】 利用c f d 软件f l u e n t 模拟了密封闻隙内阻塞流体的流动、循环情况，指出通过减小 静环与轴套间的间隙可改善其轴向循环，提高冷却效果。它突破了实验室测试的局限性， 通过计算机模拟便可了解原始设计中轴向循环存在的问题，从而找出改进措施，并进一 步验证了用f l u e n t 作为评价工具，能更有效地促进密封设计的改进。其不是是仅仅 模拟了静环与轴套间的流动、循环情况，未涉及密封腔内的其他部位。 19 9 9 年，p a r v i zm e m t i 和n o r ia k i o k i t at 3 6 幂l j 用f l u e n t 软件建立了用于机械密封 流动与传热分析的计算模型，通过计算润湿表面的n u 准数来计算密封端西的温度分布。 结果以图形方式显示了密封腔和动、静环的速度、压力、温度分布，并且指出高温发生 在密封端面内径处，最大热流密度在动环表面靠近动静环接触区。作者同时改进了数值 计算的计算能力，使之能应焉于不同工作条件下的不同密封设计，不足是建立的是轴对 称二维模型，与实际的三维流动差距较大。2 0 0 0 年，s h i f e n gw u 和r a yc l a r k 3 7 】研究了 槽开在动环和开在静环上两种不同的结构，考虑了惯性力的影响，建立稳定流动惯性( 不 旋转) 坐标系，用计算流体力学来解全三维n 。s 方程。计算由软件f l u e n t 实现，将 流体膜内的压力产生过程、速度矢量变化过程进行了可视化。2 0 0 1 年，k u d r i a v t s e v 和 b r a u n 【3 8 l 应用全三维n s 方程来研究泵入式螺旋槽密封中的流体流动形态。该研究采用 可压缩理想气体的层流和k - 湍流模型，焉结构化多重网格的数值方法进行计算，得到 了在实际操作条件下螺旋槽密封的速度场和压力场。计算过程由软件c f d - a c e + 完成。 8 孛国磊演大学华东) 磺童学位论文 2 0 0 2 年，b r a u n 等【3 9 】又将计算流体力学应用于一种新型刷式密封手指密封，建立基 于n s 方程的三维模型( 如图2 2 所示) ，可计算力学、热传导及动态性能。其中包括 固体单元模型和流体动压模型。前者用有限元法来模拟刚度计算压力分布，后者模拟密 封的流体动态提升效果和泄漏量，借助于可视化计算软件c f d a c e + 可看到密封内的流 动模拟效果。 z 盈2 - 2 非接触式密封的兰维模型 f i 9 2 - 2 t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fn o n - c o n t a c t i n gs e a l 2 0 0 5 年，b r a u nm ，明电p i e r c o nh m 。阐利用基予n - s 方程的商用软件c f d - a c e + 获得了指状密封( f s ) 的温度、压力三维数值结果，得出了指导f s 设计改进的方案。 2 0 0 6 年，z h a o g a ol u a n 和k h o n s a r im m 【4 1 1 利用c f d 软件分析了由注入的冲洗液和密 封环转动共同弓l 起的密封腔内流体的流动，遥过求解柱面坐标下n s 方程，获得了动、 静环周围的三维流动特性，引进了压力修正方法和s i m p l e 算法，指出当注入冲洗液流 量超过一定值时，冷却效果并不会增强。 2 。2 。主4 可视纯技术进展 由于机械密封属于内部结构，其中的流体流动形式很难观察到，而流体流动又与传 热、温度分布密切相关。因此，进行流体流动可视化的研究势在必行。1 9 8 7 年c h e l l a i a h s 和v i 感憾鑫瞰】利用电解技术对永渗透性多孔介质内的流动进行了可视化。其原理是电解 作用导致p h 值发生变化，溶液颜色则相应改变，从而显示了多孔介质内流体的流动形 9 誉 溉 栅 帅 第二章文麸综述 式。1 9 8 8 年，b r a u n 等【4 3 】首次利用全流场拍摄技术( f f f t ) 来研究流体静压、动压轴 承微小闻隙虑的流体流动。随后，b r a u n 又将其扩展到宏观结构中的流动模拟，利用激 光技术进行测量、拍照，并计算得到速度、压力分布，通过计算机终端将其可视化。1 9 9 1 年，b r a u n 和c a l l a c c i m 利用f f f t 测量、模拟了刷式密封的速度、压力分布，并对密封 结构内复杂的流动区域进行了可视化，结果以图形方式显示了刷内部的流动形式和流体 速度变化情况。1 9 9 3 年，w m o w i tj 。a 【4 5 】建立了s p i r a l i 、s p i r a l g 模型，p e c l m tg g 建立了c r a n e sc s t e d y 模型并用于螺旋槽内流体流动的计算模拟。但他们仅仅限于窄 槽理论，没有准确考虑湍流、惯性、非恒温流、流动堵塞的影响。1 9 9 7 年，b r a u nm 。了 和d z o d z om b 。两】利用基于三维n 。s 方程的数学模型，描述了流体静压槽内的三维流 动。作者采用了并行体网格的有限元容积法，并求解了能量方程，同时将库埃特流和喷 射流进行了三维可视化，给出其压力分布。2 0 0 1 年， k u d r i a v t s e vv 。v 和b r a u nm 。j 弘乃 突破窄槽理论的局限性，利用全三维n s 方程求解器( c f d a c e + ) 研究了入口泵螺旋 槽密封内的流体流动，建立了可压缩层流和肛8 湍流模型，对槽内三维流动形式和压力 分布进行了可视化。 2 2 2 国内研究现状 2 2 。2 。1 有限元数值方法及解析法研究 国内关于梳械密封流场及温度场研究起步较晚，且内容单一，与国外差距较大。最 早是8 0 年代，李克永f 4 8 】( 1 9 8 0 ) 、李红 4 9 1 ( 1 9 8 6 ) 利用解析法建立了机械密封环稳态 温度场的计算模型。采用了分离变最法求解温度场控制方程。其不足是只针对密封环截 面为矩形的情况，蓊且没有给出对流换热系数的计算方法。隧爱，法元金疆锈( 1 9 8 9 ) 、 陈文毅【5 l j ( 1 9 9 1 ) 用有限元法计算了密封环的温度场，给出的对流换热系数计算方法只 适用于计算内流式机械密封外径处的对流换热系数。1 9 9 5 年，朱孝平1 5 z 】分析了混合摩 擦状态下双端面机械密封的传热特点，建立了端面温度分布的简纯计算模型，并用数值 方法计算和分析了闭合力、锥度、表面纹理等因素对端面温度分布的影响，指出通过控 制闭合力可以控制端面温度。1 9 9 6 年，彭旭东、谢友柏【5 3 1 等介绍了一种根据机械密封 的密封介质、工作条件、密封环和密封箱豹结构尺寸以及密封环与周围介质的热传导等 因素计算端面平均温度的简单方法，并编制了一种电算程序。该程序可以计算多种介质 机械密封的端面温度及性能参数，通过分析可判断出机械密封的相态稳定性。上述方法 的缺点是任务单一，通用性差，数据输入量大，直观性、交踅性差。 l o 孛蚕石泊大学( 华东) 矮圭学位论文 2 0 0 1 年，陈利海，葛培琪等【5 4 】开发了一套图形交互式且具有定通用性的机械密 封可视化计算分析系统m f s c a d 。在m f s c a d 系统中可以对四种温度边界条件进 行处理，即规定温度值边界、绝热边界、对流边界和规定热流量的边界。作者根据有限元 的计算原理，假设温度场为轴对称稳态分布，忽略因热辐射而损失的热量，推导了用于机 械密封温度场计算的有限元方程，用三焦形环单元的集合代替回转体，给出了动、静环 的温度分布曲线。2 0 0 2 年，程建辉、葛培琪等【5 5 】推导了用于机械密封环温度场计算的 有限元方程，并编制了相应的计算软件。作者利用计算软件和实验测试研究了转速和密 封面宽度对密封环端面温度的影响，指出采用窄密封面可以明显降低端蟊温升。2 0 0 4 年，王胜军等p 6 】采用有限元法计算了机械密封的温度场分布，分析了密封环端面温度随 密封压力、主轴转速、材料性质等因素的变化情况，并利用a n s y s 软件显示了温度图。 图2 3 所示为该文中采用的有限元模型霹格图。 图2 - 3 机械密封有限元模型网格图 戮酩- 3 f i n i t ee l e m e n tm e s hf i g u r eo fm e c h a n i c a ls e a l 2 0 0 5 年，于小丹，孙铁等【5 7 】利用a n s y s 软件建立了机械密封环温度场的数学模型， 用以计算机械密封环的温度场，并且利用经验公式计算了密封介质与密封环之间的对流 传热系数。圆年，朱学翡、刘正林等【躅利用a n s y s 软件建立了高压机械密封动态温度 场模型，反映了机械密封启动、加载过程中端面的热机效应，指出介质压力更易导致湍 面温升。其不足是忽略了端面液膜的导热作用和介质温度的变化。2 0 0 6 年，单晓亮、胡 欲立等【5 9 】利用a n s y s 计算了特定工况下的祝械密封环温度场，得至l 了环内温度分布瓶 律，发现导热系数对端面温度影响显著。 以上方法大多是基于有限元理论，采用a n s y s 软件进行计算，无法实现流场、温 度场的可视化。 第二章文麸综述 2 2 2 2c f d 软件研究 随着c f d 软件的可靠性日益提高，应用范围日益广泛，它在流体机械研究中的重 要性也越来越镶显。其庞大的软件系统可以避免许多实验条件的局限，给出流动区域全 场的流动信息，实现流场、温度场的可视化。其中以f l u e n t 应用最广泛。 2 0 0 4 年，钟汝琳、陈次昌等【删利用f l u e n t 对密封环的温度场、密封腔内流体的 温度场进行了建模、计算和分析，得到了密封运转稳态下，机械密封环的温度、压力分 布以及密封腔内流体流动情况。但是它仅仅对某一具体的稳定工况进行了模拟分析，而 未涉及条件变化的动态流场对温度场的影响。 2 0 0 5 年，南小妮、周昆颖等【6 l 】幂| 用流场分析软件f l u e n t 对高速运转下的螺旋槽 气体密封的三维流场进行了数值研究，图示了气膜压力的分布情况，且结果与实验值接 近。因此软件f l u e n t 可用于指导千气密封设计。其不足是仅仅涉及了压力分布，两 未涉及流场的其它参数。 2 3 研究现状总结 从对上述近年来国内外有关机械密封流场及温度场理论、实验研究的分析中可以看 出： ( 1 ) 关于机械密封腔内流场的研究较少。大多数研究只针对密封端面的温度场、 热变形进行计算，没有考虑密封腔内流场对端面温度场的影响； ( 2 ) 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麓、并适用予多种密封型式的分析方法； ( 3 ) 目前的研究大多数将密封环摩擦副拿出来独立进行研究，考虑某些具体参数 如闭合力、锥度、表面纹理、密封面宽度等对端面温度的影响，而没有将摩擦副放在整 个密封系统中进行研究。这样将流动与传热分开计算，忽视了流动与传热、温度与粘度 之间的相互影响，不符合实际； ( 4 ) 现有的数值模拟大多数利用近似的简化模型或方程来求得近似解，求解n s 方程荠考虑湍流、愤性及流动堵塞等影响因素的较少； ( 5 ) 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， 至今未能实现密封腔及密封间隙内三维流动的测量，无法对现有结论进行验证。 1 2 中嚣露涵大学( 华东) 颧士学位论文 第三章机械密封流动与传热理论及计算方法 机械密封是一种先进的动密封产品，是旋转机械防止泄漏、节约能源、控制环境污 染的重要功能基础件。随着科学技术的发展，机械密封逐渐向高速、高压和高温方向发 展，机械密封腔内流动与传热阿题更加突出。在机械密封正常运转时，由端面摩擦、密 封附件搅拌等产生的热量会使密封环特别是摩擦刹端面温升过高，产生较大温度梯度， 导致密封环变形、密封面磨损加剧、密封介质汽化等问题，泄漏量增加，严重影响密封 装置的安全运行。因此，本文以机械密封腔内流场及摩擦副温度场为对象进行研究。 3 1 机械密封的密封机理 机械端面密封是一种轴南端面密封，简称枧械密封，是常用的旋转轴密封，特别是 在石油化工装置的机泵中应用最普遍 6 2 1 。它依靠弹性元件对动、静环端面摩擦副的预紧 和介质压力与弹性元件压力的压紧来达到密封。典型的机械密封结构如图3 。1 所示。 图3 1 典型机械密封结构示意图 i 9 3 - 1 s c h e m a t i c d r a w i n go ft y p i c a lm e c h a n i c a ls e a lc o n f i g u r a t i o n 机械密封的基本类型包括接触式和非接触式。接触式机械密封是指密封面微凸体接 触，密封面间隙h = o 5 - 2 p m ，摩擦状态为混合摩擦和边界摩擦，而非接触式机械密封 是指密封蕊微凸体不接触，密封面闻隙对于流体动压密封h 2 m ，对于流体静压密封 h