兩種動(dòng)壓機(jī)械密封性能的對(duì)比研究

湯占岐，姜國(guó)平

TANG Zhan-qi, JIANG Guo-ping

（北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

機(jī)械密封又稱端面密封，廣泛應(yīng)用于泵、壓縮機(jī)、攪拌反應(yīng)釜等旋轉(zhuǎn)機(jī)械上，按運(yùn)行時(shí)動(dòng)、靜環(huán)表面是否接觸可分為流體動(dòng)壓型和普通型兩類(lèi)。動(dòng)壓型機(jī)械密封是利用流體動(dòng)壓效應(yīng)，在動(dòng)、靜環(huán)表面間產(chǎn)生一層極薄的流體膜，實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜環(huán)非接觸，與普通型機(jī)械密封相比，動(dòng)壓機(jī)械密封可降低密封面磨損，提高密封可靠性，延長(zhǎng)使用壽命[1]。雖然普通型機(jī)械密封由于制造和安裝誤差產(chǎn)生的偏心和偏斜、表面波度和表面粗糙度等也會(huì)在端面間產(chǎn)生流體動(dòng)壓液膜，但這層動(dòng)壓液膜是不完整的，存在部分微凸體的直接接觸，在重載、高速和低黏工況下，微凸體直接接觸，導(dǎo)致密封端面磨損、磨損加劇，溫度上升，液膜氣化，使密封失效[2]。為獲得可靠、穩(wěn)定的流體動(dòng)壓膜，可在密封端面上加工出各種型式的動(dòng)壓槽，充分利用槽的動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生端面開(kāi)啟力，使密封動(dòng)、靜環(huán)端面間形成動(dòng)壓液膜，從而避免端面接觸；同時(shí)，流體動(dòng)壓效應(yīng)使得液膜具有較大的剛度，以適應(yīng)外界工況的變化。某些型式的動(dòng)壓槽還具有上游泵送效應(yīng)，將隔離液或由密封腔泄漏出的液體泵送回密封腔，實(shí)現(xiàn)被密封介質(zhì)零泄漏、零逸出[3,4]。

機(jī)械密封端面間流體的流動(dòng)計(jì)算，其實(shí)質(zhì)是對(duì)雷諾方程的求解，根據(jù)機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)，可作適當(dāng)?shù)募僭O(shè)：1）在穩(wěn)定載荷下，沿液膜法向的速度可視為零；2）被密封介質(zhì)和隔離流體均為液體，視為不可壓縮流體，即ρ=常數(shù)；3）流體的動(dòng)力黏度 μ = 常數(shù)。在上述假設(shè)條件下，對(duì)普遍雷諾方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的雷諾方程圓柱坐標(biāo)下的表現(xiàn)形式為：

本文用數(shù)值模擬的方法，對(duì)內(nèi)裝式徑向直線槽和外裝式斜直線槽機(jī)械密封的密封性能進(jìn)行對(duì)比分析，以期為密封的設(shè)計(jì)、選型提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

圖1（a）和（b）分別為徑向直線槽和斜直線槽密封的幾何模型，其中徑向直線槽為內(nèi)裝式，外徑側(cè)為被密封介質(zhì)；斜直線槽為外裝式，內(nèi)徑側(cè)為被密封介質(zhì)。開(kāi)槽部分的作用是在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生流體動(dòng)壓力使兩密封端面實(shí)現(xiàn)非接觸，密封壩的作用是對(duì)上游側(cè)的高壓被密封介質(zhì)起節(jié)流降壓作用，同時(shí)在設(shè)備停運(yùn)時(shí)起到停車(chē)密封的作用。斜直線槽密封的旋向有限制，需按規(guī)定旋向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示；而徑向直線槽對(duì)旋向沒(méi)有要求，正、反轉(zhuǎn)均可。

圖1 密封端面結(jié)構(gòu)

以密封端面間的液膜為研究對(duì)象，由槽的對(duì)稱性和周期性分布的特點(diǎn)，選取如圖1中所示的計(jì)算區(qū)域建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于徑向直線槽，在半徑RO處，定義為壓力入口邊界，在Ri處，為壓力出口邊界；對(duì)斜直線槽，在半徑Ri處，定義為壓力入口邊界，在半徑RO處，為壓力出口邊界。計(jì)算區(qū)域的側(cè)面定義為周期性邊界；液膜與槽壁面、密封壩、密封堰以及靜環(huán)接觸的面均定義為固定壁面。采用層流模型進(jìn)行計(jì)算，壓力速度耦合采用 SIMPLE 算法，動(dòng)量方程的離散采用二階迎風(fēng)格式。

1.2 基本參數(shù)

計(jì)算所用的基本參數(shù)為：密封環(huán)外半徑RO=51mm，內(nèi)半徑Ri=41mm，密封壩半徑Rd=47mm，非槽區(qū)液膜厚度h=3μm，槽數(shù)N=36，槽深Hg=10 μm，斜直線槽的槽線傾角為α=30°，密封槽周向?qū)挾扰c密封堰軸向?qū)挾戎燃床垩邔挶?=1，動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速n=3000 轉(zhuǎn)/分鐘，被密封流體壓力pi=0.3 MPa（表壓），泄漏側(cè)流體壓力po=0MPa（表壓），流體介質(zhì)為常溫水。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2 計(jì)算區(qū)域內(nèi)液膜壓力分布

以1.2所列出的基本參數(shù)計(jì)算，得到的兩種槽型計(jì)算區(qū)域內(nèi)液膜的壓力分布云圖如圖2所示。由圖可看出，在動(dòng)壓槽的根部，逆著轉(zhuǎn)動(dòng)方向的一側(cè)，形成了一個(gè)收斂的間隙，滿足流體動(dòng)壓效應(yīng)形成的條件，因此在此處的液膜產(chǎn)生了較高的壓力，而在另一側(cè)則相反，流動(dòng)空間在此處發(fā)散，使液膜壓力降低。

通過(guò)改變槽深、槽數(shù)和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，研究其對(duì)徑向直線槽和斜直線槽機(jī)械密封的密封性能如泄漏量、剛度和開(kāi)啟力的影響，對(duì)這兩種槽型的機(jī)械密封進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 槽深對(duì)密封性能的影響

改變槽深Hg，其余參數(shù)不變，其對(duì)密封端面最大壓力Pmax，泄漏量QL，端面開(kāi)啟力FO和液膜剛度K的影響如圖3所示。由圖3（a）可以看出，槽深相同時(shí)，斜直線槽端面最大壓力大于徑向直線槽端面最大壓力，動(dòng)壓效應(yīng)優(yōu)于徑向直線槽。在槽深Hg=10μm時(shí)，斜直線槽的動(dòng)壓效應(yīng)最優(yōu)，而徑向直線槽的動(dòng)壓效果在槽深Hg=7μm時(shí)最為顯著。由于動(dòng)壓槽的動(dòng)壓效應(yīng)，使得被密封介質(zhì)在密封端面上產(chǎn)生較大的壓力，從而形成了端面開(kāi)啟力，并克服作用在動(dòng)環(huán)上的彈簧力和介質(zhì)背壓力，使動(dòng)、靜環(huán)分離，實(shí)現(xiàn)密封面的非接觸。圖3（b）示出了泄漏量QL隨槽深的變化規(guī)律，泄漏量為負(fù)值表示流體向高壓側(cè)的密封腔內(nèi)流動(dòng)。可見(jiàn)，外裝式斜直線槽密封具有上游泵送效應(yīng)，會(huì)將低壓側(cè)隔離流體或由高壓側(cè)泄漏的流體反送回高壓側(cè)，從而達(dá)到零泄漏。流體動(dòng)壓效應(yīng)會(huì)在某一槽深時(shí)最為明顯，隨槽深的增加，動(dòng)壓效應(yīng)削弱，端面最大壓力和開(kāi)啟力都會(huì)下降，圖3（a）和（c）表明了這種變化規(guī)律。圖3（d）則表明了在相同條件下，斜直線槽的液膜剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向直線槽。

圖3 槽深Hg對(duì)密封性能的影響

2.2 槽數(shù)對(duì)密封性能的影響

改變動(dòng)壓槽槽數(shù)N，其余參數(shù)同1.2，其對(duì)密封端面最大壓力Pmax，泄漏量QL，端面開(kāi)啟力FO和液膜剛度K的影響如圖4所示。結(jié)果表明，隨著槽數(shù)N的增加，密封端面上產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)的區(qū)域增多，所以端面開(kāi)啟力和泄漏量（或負(fù)泄漏量）增大，液膜剛度總體上也增加。而隨著N的增加，端面最大壓力呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槊總€(gè)動(dòng)壓槽的周向?qū)挾葴p小，流體在槽內(nèi)被“擠壓”的過(guò)程縮短，所以最大壓力減小。圖4進(jìn)一步表明，斜直線槽的動(dòng)壓效果明顯高于徑向直線槽。

圖4 槽數(shù)N對(duì)密封性能的影響

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響

改變動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速n，其余參數(shù)同1.2，其對(duì)密封端面最大壓力Pmax，泄漏量QL，端面開(kāi)啟力FO和液膜剛度 K 的影響如圖5所示。

結(jié)果表明，隨動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加，兩種槽型密封的上述四個(gè)性能參數(shù)中均增加?？梢?jiàn)轉(zhuǎn)速越大，動(dòng)壓效應(yīng)越明顯，對(duì)外裝式斜直線槽密封而言，負(fù)泄漏量（上游泵送量）也越大。

3 結(jié)論

圖5 轉(zhuǎn)速n對(duì)密封性能的影響

內(nèi)裝徑向直線槽和外裝斜直線槽機(jī)械密封均能產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，在相同條件下，后者的動(dòng)壓效應(yīng)明顯優(yōu)于前者，其端面最大壓力、端面開(kāi)啟力和液膜剛度均遠(yuǎn)大于前者，較大的液膜剛度可使密封能夠抵抗較為劇烈的外界工況（如振動(dòng)、載荷等）的變化；斜直線槽密封具有明顯的上游泵送效應(yīng)，能將泄漏流體泵送至上游，可達(dá)到零泄漏工況，這一優(yōu)點(diǎn)在對(duì)有毒、有害介質(zhì)的密封場(chǎng)合顯得尤為重要；斜直線槽密封有特定的轉(zhuǎn)向，不得反轉(zhuǎn)，而徑向直線槽密封則不受轉(zhuǎn)向限制。

[1]于新奇,王振輝,蔡仁良.動(dòng)壓型機(jī)械密封技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].流體機(jī)械,2005,33(8):28-32.

[2]袁世先,薛曉虎,楊惠霞.機(jī)械端面密封的動(dòng)壓效應(yīng)[J].工程機(jī)械,2003,(9):39-42.

[3]李貴勇,郝木明,閆明強(qiáng).螺旋槽上游泵送機(jī)械密封密封特性數(shù)值計(jì)算[J].潤(rùn)滑與密封,2010,35(9):56-59.

[4]周劍鋒,顧伯勤.上游泵送機(jī)械密封在真空裝備中的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封,2008,33(1):129-132.