螺旋槽機(jī)械密封環(huán)在熱-力耦合下的變形特性分析

馬高峰,王宇飛，高宗華，楊璽慶

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.人事處，甘肅 蘭州 730060)

機(jī)械密封是化工、核電裝備的基礎(chǔ)配件，一旦失效泄漏會造成嚴(yán)重后果[1,2]。近幾年行業(yè)的精細(xì)化發(fā)展對機(jī)械密封服役環(huán)境提出更高要求，然而機(jī)械密封的失效破壞大多是由于兩環(huán)摩擦生熱導(dǎo)致潤滑冷卻液膜蒸發(fā)，致使較大摩擦熱和多重效應(yīng)力耦合作用兩環(huán)端面所致。因此準(zhǔn)確評估機(jī)械密封環(huán)變形對化工、核電的安全生產(chǎn)有重大意義。

針對機(jī)械密封熱力耦合模型的建立和計(jì)算，國內(nèi)外專家已進(jìn)行了較多的研究，Zhu[3]和Brunetiere[4,5]建立了密封環(huán)的三維熱-力耦合模型，并用有限單元法迭代求解，得到了密封環(huán)在耦合求解過程中不可忽略熱彈變形的影響。李雙喜[2]考慮動靜環(huán)與顆粒介質(zhì)的摩擦，建立了密封環(huán)熱力耦合的有限元計(jì)算模型，得到了硬質(zhì)合金和陶瓷材料溫度場和端面變形規(guī)律。王永樂[5]彭旭東[6]對機(jī)械密封液膜壓力和密封環(huán)的溫度分布以及熱力耦合做了系統(tǒng)分析，得到了高溫高黏度下介質(zhì)熱傳導(dǎo)對密封環(huán)溫度場的影響占主導(dǎo)，且潤滑液膜的熱效應(yīng)不可忽略。

基于以上基礎(chǔ)建立了三維螺旋槽機(jī)械密封環(huán)熱力耦合模型，采用Workbench結(jié)構(gòu)模塊化進(jìn)行計(jì)算求解，考慮了端面混合摩擦熱、液膜平衡力以及高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力等多場耦合來分析密封環(huán)的變形情況。

1 理論模型

1.1 幾何模型

在機(jī)械密封動環(huán)端面通過激光打標(biāo)技術(shù)刻畫出序列化螺旋槽，其槽不但有助于減少密封流體的泄漏，而且還有一定的集油潤滑效果。兩環(huán)在服役期會形成一層極薄的液體潤滑膜，其膜對密封環(huán)端面的混合摩擦起到潤滑冷卻作用。密封環(huán)結(jié)構(gòu)三維圖如圖1，參數(shù)如表1。

(a)動環(huán) (b)液膜 (c)靜環(huán)

表1 螺旋槽機(jī)械密封環(huán)幾何參數(shù)

1.2 控制方程

動靜環(huán)之間的能量守恒方程表示為：

Qin+Qf=Qr+Qs+Qout

(1)

式中：Qin是潤滑流體帶入的熱量；Qf是由黏性摩擦產(chǎn)生的熱量；Qr是傳導(dǎo)給動環(huán)的熱量；Qs是傳導(dǎo)給靜環(huán)的熱量；Qout是由流體泄漏帶走的熱量；J。

1.2.1 動環(huán)的熱傳導(dǎo)方程

動環(huán)的熱傳導(dǎo)方程表示為[7]：

式中：ksr為動環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；ρr動環(huán)密度，

kg/m3；cr動環(huán)比熱容，J/(kg·K)；vsx動環(huán)在x方向分速度，m/s；vsy動環(huán)在y方向分速度m/s；Tr為動環(huán)溫度，K。

1.2.2 靜環(huán)的熱傳導(dǎo)方程

靜環(huán)的熱傳導(dǎo)方程可表示為[7]：

式中：kss為靜環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；Ts為靜環(huán)溫度，K。

1.2.3 耦合控制方程

熱-力耦合方程表示為：

式中：下標(biāo)f為流體；下標(biāo)s為固體；q為熱流量，W；T為溫度，K；τf為流體作用力，N；τs為固體應(yīng)力，Pa；z為位移，m。

2 結(jié)果討論分析

2.1 密封環(huán)熱-力耦合邊界條件

機(jī)械密封在熱-力耦合計(jì)算時，螺旋槽機(jī)械密封環(huán)的材料力學(xué)性能如表2，在動靜環(huán)各表面均加了相應(yīng)的熱-力條件和邊界約束，兩環(huán)四周分別做了能量耗散和絕熱假設(shè)。設(shè)置動環(huán)轉(zhuǎn)速區(qū)間為nr(8000-12000)r/min；設(shè)置服役溫度300℃；設(shè)置介質(zhì)壓力7MPa；動靜環(huán)貼合面為熱-力耦合面；具體耦合邊界設(shè)置如圖2所示。

表2 螺旋槽機(jī)械密封環(huán)的材料力學(xué)性能

圖2 密封副邊界條件

2.2 密封環(huán)變形

機(jī)械密封集裝運(yùn)轉(zhuǎn)時，液膜熱力作用和動環(huán)高速旋轉(zhuǎn)的慣性離心力等多重耦合載荷下導(dǎo)致動靜環(huán)端面發(fā)生微尺度變形。在Workbench溫度場和結(jié)構(gòu)場中將剛性約束和熱-力耦合作用在兩環(huán)的接觸面進(jìn)行分析計(jì)算。如下圖3和圖4為服役溫度300℃；力載荷約7MPa；轉(zhuǎn)速10000r/min下得到的兩環(huán)變形圖。

(a)熱應(yīng)變 (b)力應(yīng)變 (c)熱-力耦合應(yīng)變

(a)熱應(yīng)變 (b)力應(yīng)變 (c)熱-力耦合應(yīng)變

觀察圖3圖4看出，由熱作用引起的密封環(huán)變形最大，熱-力耦合次之，力變形最小，且動環(huán)在三種載荷下的變形始終大于靜環(huán)。對比分析圖3(a)和圖4(a)發(fā)現(xiàn)，動環(huán)端面的最大熱變形量為0.0385mm；靜環(huán)最大變形量為0.0323mm；動環(huán)最大變形部位主要集中在螺旋槽內(nèi)部，而靜環(huán)的最大變形部位處在光環(huán)的正端面，這是因?yàn)閯迎h(huán)端面產(chǎn)生的熱量較大，加之刻畫的螺旋槽對動環(huán)的連續(xù)性結(jié)構(gòu)有了一定的破壞，削弱了動環(huán)的承載能力，使變形量在螺旋槽處最大。而靜環(huán)相較于動環(huán)結(jié)構(gòu)完整，熱應(yīng)力的變形顯得不明顯。因此動環(huán)比靜環(huán)對熱載荷更敏感。

觀察圖3(b)和圖4(b)發(fā)現(xiàn)，密封環(huán)在力作用下時，兩環(huán)的接觸面均發(fā)生凹向變形，且動環(huán)的變形量略大于靜環(huán)，這一方面是螺旋槽動環(huán)端面的連續(xù)性結(jié)構(gòu)遭到破壞，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，另一方面是動環(huán)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下產(chǎn)生的各種力效應(yīng)疊加明顯。

觀察分析圖3(c)和圖4(c)得知，兩密封環(huán)熱-力耦合的變形始終小于熱應(yīng)力引起的變形，這是因?yàn)閮森h(huán)在熱作用產(chǎn)生凸向熱膨脹變形的同時，力作用引起的凹向變形抵消了部分的熱膨脹變形，使得熱-力耦合的變形小于熱引起的變形量，總體來看，熱應(yīng)力引起的變形才占主導(dǎo)地位。

2.3 工況條件的影響

2.3.1 轉(zhuǎn)速的影響

在Workbench結(jié)構(gòu)耦合場中設(shè)置轉(zhuǎn)速8000-12000r/min，溫度300℃以及合力載荷7MPa下，分析轉(zhuǎn)速對動靜環(huán)變形量的影響，具體如下圖5所示。

(a)動環(huán)

由圖5(a)和5(b)可知，轉(zhuǎn)速對動環(huán)的影響遠(yuǎn)大于對靜環(huán)的影響。隨著轉(zhuǎn)速在8000-12000r/min區(qū)間的增大，動環(huán)的熱變形、力變形和熱力耦合變形均增大；靜環(huán)的熱變形、熱力耦合變形依次增大，但力變形幾乎不變。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增大，動環(huán)與液膜間產(chǎn)生的摩擦熱不能及時隨潤滑冷卻液膜帶走，而是作用在密封環(huán)的正端面，致使兩環(huán)的端面發(fā)生熱膨脹變形，加之螺旋槽動環(huán)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性破壞的原因，使的熱應(yīng)力、離心慣性力均在螺旋槽根部聚集，使得各種效應(yīng)下動環(huán)的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，且由于兩環(huán)材料特性存在的差異，使得動環(huán)在各種情況下的變形領(lǐng)先靜環(huán)。

3 結(jié)論

1) 螺旋槽機(jī)械密封在實(shí)工況下的服役變形是多重?zé)?、力效?yīng)的耦合作用，而非單一因素影響，且熱-力耦合變形較熱作用引起的變形小，較力作用引起的變形大。

2) 螺旋槽動環(huán)由于應(yīng)力集中明顯，故而螺旋槽動環(huán)變形較靜環(huán)在熱作用、熱-力耦合作用和力作用下的變形大。

3) 轉(zhuǎn)速對機(jī)械密封的影響巨大，隨轉(zhuǎn)速的增加，動環(huán)在三種載荷下的變形近線性增大，而熱作用、熱-力耦合作用對靜環(huán)的變形影響大，力作用對靜環(huán)變形影響甚小。