相變對(duì)螺旋槽液膜密封性能的影響

曹恒超，郝木明，李振濤，楊文靜，孫震，汪艷紅，任付軍

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相變對(duì)螺旋槽液膜密封性能的影響

曹恒超，郝木明，李振濤，楊文靜，孫震，汪艷紅，任付軍

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）密封技術(shù)研究所，山東青島 266580）

為了探究液膜相變現(xiàn)象對(duì)螺旋槽液膜密封性能的影響?；谫|(zhì)量守恒定律，以赫茲方程推導(dǎo)質(zhì)量源項(xiàng)并建立非接觸式液膜密封相變模型。使用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，分析了液膜相變現(xiàn)象對(duì)非接觸式機(jī)械密封性能的影響。結(jié)果表明：相變現(xiàn)象對(duì)密封性能的影響與密封功用密切相關(guān)，且動(dòng)壓槽開槽位置及槽內(nèi)相態(tài)分布對(duì)密封性能與端面壓力分布影響顯著；液膜發(fā)生相變后，下游泵送型密封開啟力增大且泄漏量減?。簧嫌伪盟托蛢?nèi)槽式密封開啟力先增大后減小，泄漏量先減小后增大再減小，外槽式密封開啟力呈線性增大，泄漏量先減小后增大；相變發(fā)生在槽區(qū)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)壓效應(yīng)明顯減弱，對(duì)端面壓力分布影響較大。

相變；液膜密封；密封性能；赫茲方程

引 言

液膜密封有著良好的潤(rùn)滑性能與穩(wěn)定性，在化工機(jī)械中有著廣泛的應(yīng)用。但在密封某些特殊介質(zhì)時(shí)（如高溫?zé)崴?、碳?xì)浠衔铮耗ぐl(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，從而使密封進(jìn)入兩相運(yùn)行狀態(tài)。密封在兩相狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定行為，如振蕩開啟等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致密封端面接觸，出現(xiàn)熱裂等現(xiàn)象，降低機(jī)械密封的使用壽命。

機(jī)械密封相變現(xiàn)象國(guó)外已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。Lymer[1]首先推導(dǎo)了預(yù)測(cè)兩相密封不穩(wěn)定性的模型；Hughes等[2]對(duì)汽化過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立了間斷沸騰模型；Saadat等[3]對(duì)混合物公式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Etsion等[4]對(duì)液膜為水油混合物的機(jī)械密封進(jìn)行了研究；Lau等[5]提出了簡(jiǎn)化的似等溫低泄漏層流模型；Basu等[6]發(fā)現(xiàn)流體的離心慣性在密封高速運(yùn)轉(zhuǎn)下會(huì)減小其承載能力；Lebeck[7]提出了流體靜力學(xué)機(jī)械端面密封混合摩擦模型；Peng等[8]提出流體膜壓系數(shù)來(lái)確定相態(tài)以及相態(tài)穩(wěn)定性；Beatty等[9]通過(guò)對(duì)間隙內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化建立了湍流絕熱兩相模型；Yasuna等[10]建立了連續(xù)沸騰模型針對(duì)高泄漏的情況有著更高的準(zhǔn)確性；Salant等[11]與Beeler等[12]對(duì)兩相密封的軸向穩(wěn)定性進(jìn)行了研究并提出應(yīng)考慮擠壓效應(yīng)對(duì)潤(rùn)滑膜剛度和阻尼的影響；Etsion等[13-15]對(duì)動(dòng)靜環(huán)偏斜與液膜汽化之間的相互作用進(jìn)行了研究；Migout等[16]發(fā)現(xiàn)平衡比對(duì)液膜汽化現(xiàn)象的影響不可忽略；顧永泉[17-20]在實(shí)驗(yàn)研究和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)似液相與似氣相混相密封的相態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行探討和分析；王濤等[21-23]對(duì)汽化現(xiàn)象的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)加工有表面微造型的機(jī)械密封汽化現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。雖然汽化可以提升密封性能，但也加劇了密封端面的摩擦磨損，因此抑制液膜汽化顯得更為重要。有研究表明在密封端面開設(shè)動(dòng)壓槽可有效提高密封的潤(rùn)滑性能，延長(zhǎng)密封的使用壽命。郝木明等[24]針對(duì)泵出型螺旋槽氣膜密封模擬阻塞氣壓力恢復(fù)到正常值時(shí)端面間隙的流動(dòng)狀況；李振濤等[25-26]對(duì)螺旋槽液膜密封空化機(jī)理進(jìn)行了研究；楊文靜等[27]建立考慮徑向錐度和周向波度的螺旋槽液膜密封數(shù)學(xué)模型，分析了徑向錐度及周向波度對(duì)液膜密封穩(wěn)、動(dòng)態(tài)特性的影響?？梢钥闯鱿惹皩W(xué)者所提出的汽化模型，只考慮了流體膜的徑向流動(dòng)，對(duì)于端面開設(shè)有動(dòng)壓槽的非接觸式液膜密封并不適用。

為了解決上述問(wèn)題，基于均質(zhì)混合物理論以赫茲方程推導(dǎo)質(zhì)量源項(xiàng)建立了非接觸式液膜密封相變模型，同時(shí)分析了相變對(duì)動(dòng)壓型液膜密封性能的影響。

1 物理模型

非接觸式機(jī)械密封依靠動(dòng)壓槽（圖1）產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)將密封端面打開，增強(qiáng)密封的潤(rùn)滑性能，降低密封端面間的磨損，延長(zhǎng)密封的使用壽命。但在密封特殊介質(zhì)時(shí)，如高溫?zé)崴?、烴類化合物等，在壓力和溫度的相互作用下流體膜出現(xiàn)相變現(xiàn)象。

圖1中o、i分別為密封環(huán)的外徑與內(nèi)徑；g1、g2分別為定義槽區(qū)位置的半徑，定義=(g2?o)/(o?i)，當(dāng)=0時(shí)為外槽式；當(dāng)=?1時(shí)為內(nèi)槽式。定義=i?o，當(dāng)>0時(shí)為下游泵送，當(dāng)<0時(shí)為上游泵送。d、g分別為壩區(qū)與槽區(qū)對(duì)應(yīng)的角度，d與(d+g)的比值為槽壩寬比。

2 數(shù)值求解

2.1 控制方程

動(dòng)壓型螺旋槽液膜密封相變計(jì)算十分復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)密封間隙內(nèi)流體膜做如下假設(shè)：

（1）動(dòng)環(huán)與靜環(huán)密封端面光滑且不存在角偏差；

（2）密封間隙內(nèi)液膜為層流流動(dòng)，在軸向方向上流體特性相同并且忽略進(jìn)口壓力損失；

（3）密封間隙內(nèi)液膜溫度梯度較小可視為液膜溫度相等；

（4）密封間隙內(nèi)流體膜為液相與氣相的均質(zhì)混合物，且兩相有著相同的運(yùn)動(dòng)速度，即兩者之間不存在滑移現(xiàn)象，并處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，有著相同溫度與壓力；

（5）液膜相變后以蒸氣形態(tài)存在，且不考慮非冷凝氣體的影響；

（6）當(dāng)流體膜發(fā)生相變后黏度值由液相值轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嘀?，?shù)值變化區(qū)間較大，因此不考慮膜溫對(duì)黏度的影響。

液膜密封間隙內(nèi)流體膜溫度高于飽和溫度時(shí)便會(huì)發(fā)生相變，由全液相轉(zhuǎn)變?yōu)槠簝上?，此時(shí)流體流動(dòng)遵循N-S方程[28]，同時(shí)氣相與液相之間的相態(tài)轉(zhuǎn)換由質(zhì)量輸運(yùn)方程控制

假設(shè)流體膜為液體與氣體的均質(zhì)混合物，由Wallis[29]對(duì)混合物的密度與黏度公式的研究成果可知，式（2）可以更精確地反映兩者的變化

(2)

2.2 質(zhì)量源項(xiàng)

非接觸式機(jī)械密封運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)流體膜溫度高于飽和溫度時(shí)便會(huì)出現(xiàn)相變現(xiàn)象，由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，反之則會(huì)由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵匆合嗟恼舭l(fā)過(guò)程與氣相的冷凝過(guò)程。在分子層面上，蒸發(fā)與冷凝進(jìn)程分別可以表示為分子從液相表面逃逸與氣相分子被液相表面捕獲。當(dāng)蒸發(fā)與冷凝進(jìn)程達(dá)到平衡時(shí)，從液相蒸發(fā)的分子數(shù)與從氣相冷凝的分子數(shù)相等。在真空條件下，假設(shè)分子的速度分布服從Maxwell分布函數(shù)，可以由赫茲方程[30]求得液體的蒸發(fā)通量

動(dòng)壓型螺旋槽液膜密封發(fā)生相變時(shí)，在流體膜相變界面處存在著質(zhì)量傳遞，液相分子的蒸發(fā)通量與氣相分子的冷凝通量不相等，因此液相凈蒸發(fā)通量可表示為

=e-c(4)

假設(shè)撞擊液體表面的分子最初服從Maxwell速度分布且液體表面的蒸發(fā)速度為，則分子撞擊液體表面的通量為

而液體表面的蒸發(fā)速度與凈蒸發(fā)率有關(guān)

聯(lián)立以上公式可求得相變界面處的凈蒸發(fā)通量

(7)

由文獻(xiàn)[23-26]可得，密封間隙內(nèi)流體膜內(nèi)徑向壓力梯度較大，溫度梯度相比之下較小，因此可選膜溫的平均值作為流體膜溫度。由于液體的可壓縮性較差，可以忽略壓力對(duì)其造成的影響，但隨著流體膜整體溫度的升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，促進(jìn)液體蒸發(fā)；同時(shí)溫度對(duì)氣體的影響較弱，而壓力會(huì)加劇氣體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)地被液相界面捕獲的概率也會(huì)增加，促進(jìn)氣體冷凝；因此綜合考慮溫度與壓力的影響，液相蒸發(fā)系數(shù)取為

將所得凈蒸發(fā)通量乘以界面密度就可得到質(zhì)量源項(xiàng)：

(9)

2.3 數(shù)值求解

使用Fluent軟件通過(guò)其UDF功能將式(3)與式(9)進(jìn)行編譯鏈接，對(duì)控制方程中的默認(rèn)變量進(jìn)行修改，借助其求解器對(duì)液膜密封相變問(wèn)題進(jìn)行求解，求解域如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，主要設(shè)置如下。

（1）計(jì)算模型采用為層流模型。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與工況參數(shù)

（2）邊界條件：邊界1和2為周期性邊界條件，即(2πg(shù))=()，邊界3為壓力入口邊界，即=i（密封介質(zhì)壓力），邊界4為壓力出口邊界，即o（大氣壓）。

（3）求解器選擇相場(chǎng)與壓力場(chǎng)耦合求解器，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的離散采用一階迎風(fēng)格式，收斂精度設(shè)為10?6。

3 結(jié)果分析

3.1 模型驗(yàn)證

對(duì)平端面密封相變進(jìn)行數(shù)值模擬，并與Yasuna等[10]的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示，由圖中可以看出在液相區(qū)本文計(jì)算所得壓力分布與連續(xù)沸騰模型所得結(jié)果一致，在氣相區(qū)存在一定的偏差，但偏差相對(duì)較小，整體吻合良好。

為了減少計(jì)算時(shí)間成本并保證計(jì)算的精度，對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證，如表2所示，其中c代表槽區(qū)，m代表膜區(qū)，數(shù)字代表所劃分網(wǎng)格的層數(shù)。可以得出當(dāng)網(wǎng)格層數(shù)高于c12m6時(shí)對(duì)開啟力的影響可以忽略不計(jì)，所以本文以此格式對(duì)計(jì)算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

3.2 相變對(duì)密封性能的影響

圖4為相變對(duì)上游泵送型與下游泵送型液膜密封性能的影響，圖5～圖8為相態(tài)分布，圖中紅色代表液相，藍(lán)色代表氣相。由圖4(a)與(b)可以看出，當(dāng)>0時(shí)，密封間隙液膜相變可以提升端面開啟力并減小泄漏量。不同之處在于，當(dāng)=0開啟力與泄漏量幾乎都呈線性變化，而當(dāng)=?1時(shí)相變對(duì)開啟力與泄漏量的影響隨溫度的升高而增大。其原因在于當(dāng)=0時(shí)，動(dòng)壓槽處于外徑低壓側(cè)，動(dòng)壓槽背風(fēng)側(cè)的擴(kuò)壓作用導(dǎo)致端面局部壓力降低，促進(jìn)了相變的發(fā)生，即使在溫度為406.5 K時(shí)槽區(qū)內(nèi)已變?yōu)槿珰庀?，如圖5(a)所示，且隨溫度升高相變區(qū)域明顯變大，當(dāng)溫度升至448.4 K時(shí)，由槽根半徑至外徑之間的區(qū)域已全部發(fā)生相變，如圖5(d)所示。當(dāng)=?1時(shí)，動(dòng)壓槽處于內(nèi)徑處，槽根迎風(fēng)側(cè)由于擠壓作用產(chǎn)生局部高壓，一定程度上抑制了相變的進(jìn)行，相變區(qū)域較小對(duì)開啟力影響較小。隨溫度升高槽根背風(fēng)側(cè)擴(kuò)壓作用的影響變大，如圖6(d)所示，背風(fēng)側(cè)相變區(qū)域明顯增大，因此對(duì)密封性能影響也顯著提高。當(dāng)<0時(shí)，相變對(duì)密封性能的影響規(guī)律較為復(fù)雜。當(dāng)=0時(shí)，開啟力隨溫度呈線性增長(zhǎng)，而泄漏量則先減小后增加。原因在于液膜溫度較低時(shí)槽根迎風(fēng)側(cè)角度較大，擠壓效應(yīng)較弱，產(chǎn)生的相變區(qū)域較大，導(dǎo)致泄漏量降低，隨著液膜溫度的升高，槽內(nèi)氣相體積比增大，由于氣相黏度低導(dǎo)致動(dòng)壓槽泵入能力減弱，因此泄漏量逐漸增大，相態(tài)分布隨液膜溫度的變化如圖7所示。當(dāng)=?1時(shí)，開啟力先減小后增大，而泄露量則先減小后增大再減小。由圖8(a)可以看出，槽內(nèi)存在較大區(qū)域液相體積比高于50%，動(dòng)壓槽仍有著較好的泵入能力，相變的發(fā)生使泄漏量減小，隨著液膜溫度的升高，氣相占比逐漸增大，動(dòng)壓槽泵入能力減弱，導(dǎo)致泄漏量增大，相變區(qū)域隨液膜溫度的升高而逐漸增大，促使泄漏量再次降低。

圖9為開漏比與相變體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)，開漏比為開啟力與泄漏量的比值，可以用來(lái)衡量密封的綜合性能。由圖9(a)～(c)可以看出隨液膜溫度的升高，開漏比逐漸增大，密封性能得到提升。但在=?1，<0時(shí)開漏比隨液膜溫度的升高先減小后增大，是由于隨液膜溫度的升高，開啟力相比于泄漏量的減小程度更大，隨后其增大的程度更小，導(dǎo)致開漏比降低。當(dāng)泄漏量再次降低時(shí)，開漏比逐漸增大。同時(shí)可以看出隨液膜溫度的升高，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，即相變區(qū)域逐漸變大，相比之下圖9(b)的氣相體積分?jǐn)?shù)整體較小，即當(dāng)=?1，>0時(shí)，有著較好的抑制相變的作用。

3.3 相變對(duì)壓力分布影響

為了具體分析相變對(duì)端面壓力分布的影響，著重對(duì)=?1，>0與=?1，<0兩種情況下切線處壓力分布進(jìn)行討論。圖10與圖11中(a)～(d)分別為切線1～4處（圖2）壓力。

由圖10(a)可以看出在切線1處由于動(dòng)壓槽產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)在槽根處產(chǎn)生了高壓，使得端面的徑向壓力明顯升高，受相變影響較小，徑向壓力整體升高不明顯；由于槽區(qū)迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的擠壓效應(yīng)以及背風(fēng)側(cè)的擴(kuò)壓效應(yīng)，切線2處壓力先升高后減小，相比切線1處徑向壓力變化較大，但槽區(qū)壓力分布影響較小，壩區(qū)影響較大，可以看出相變區(qū)與非相變區(qū)壓力變化率有著明顯不同，如圖10(b)所示；圖10(c)為壩區(qū)壓力周向分布，為發(fā)生相變時(shí)，在弧度1.2～1.3之間出現(xiàn)峰值，膜溫升高至424.9 K時(shí)壓力整體有所升高，但在弧度1.1左右壓力卻低于372 K時(shí)，這是由于此處液膜發(fā)生相變所致。隨著膜溫進(jìn)一步升高，相變區(qū)域擴(kuò)大，周向壓力繼續(xù)升高，壓力最高點(diǎn)位置右移，最低點(diǎn)位置也發(fā)生了變化。圖10(d)為相變對(duì)槽區(qū)周向壓力分布的影響，迎風(fēng)側(cè)壓力基本沒有變化，而背風(fēng)側(cè)壓力出現(xiàn)了較明顯的提升?？梢钥闯霎?dāng)=?1，>0時(shí)，液膜相變現(xiàn)象提升了端面壓力值，且對(duì)周向壓力分布影響較大，但對(duì)壓力整體變化趨勢(shì)影響較小。

當(dāng)=?1，<0時(shí)，相變明顯改變了端面壓力分布。圖11(a)中所示，相變的發(fā)生導(dǎo)致槽根處的壓力明顯下降，且膜溫越高下降幅度越大，其原因是隨著相變區(qū)域的變大，槽區(qū)氣相比例升高，導(dǎo)致動(dòng)壓效應(yīng)減弱，當(dāng)膜溫為448.4 K時(shí)切線1處的徑向壓力分布規(guī)律出現(xiàn)了明顯的不同，由動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的壓力峰值已經(jīng)不明顯，相變帶來(lái)的壓力提升開始顯現(xiàn)。由圖11(b)可以看出切線2處壓力值整體減小且分布規(guī)律出現(xiàn)了較大變化。相變導(dǎo)致了槽區(qū)整體黏度降低，明顯減弱了擠壓效應(yīng)，改變了槽區(qū)壓力的分布。雖然隨膜溫的升高壓力整體增大，但槽區(qū)的壓力分布趨勢(shì)基本不變。當(dāng)膜溫高于438 K時(shí)迎風(fēng)側(cè)壓力相比未發(fā)生相變時(shí)依然較低，而背風(fēng)側(cè)壓力值則逐漸高于未發(fā)生相變時(shí)。圖11(c)與(d)分別為壩區(qū)與槽區(qū)的周向壓力分布，當(dāng)相變發(fā)生后兩處的壓力都明顯降低。對(duì)于切線3處，當(dāng)相變發(fā)生后，周向壓力明顯下降，在弧度為1.1處出現(xiàn)了最小值，此處靠近動(dòng)壓槽背風(fēng)側(cè)，在弧度為1.3處有最大值，是由于迎風(fēng)側(cè)的擠壓效應(yīng)造成的，同時(shí)由于此處壓力較高此處仍為液相區(qū)。隨著相變區(qū)域的變大，以發(fā)生相變區(qū)域的壓力逐漸變大，但在槽根處仍為液相區(qū)，其區(qū)域逐漸變小，導(dǎo)致最大壓力值逐漸變小。由圖11(d)可以看出，在弧度1～1.1之間的壓力最高值與弧度0.8處的壓力最低值在發(fā)生后相變后分別降低和升高，這也說(shuō)明黏度的降低明顯減弱了動(dòng)壓槽對(duì)壓力周向分布的影響。隨膜溫的升高，周向壓力雖整體有所升高但仍低于未發(fā)生相變時(shí)。相對(duì)于動(dòng)壓槽所產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)，相變所帶來(lái)的壓力提升較小。

4 結(jié) 論

（1）基于質(zhì)量守恒定律，以赫茲方程推導(dǎo)質(zhì)量源項(xiàng)建立動(dòng)壓型液膜密封相變模型，借助CFD軟件進(jìn)行離散求解，所得結(jié)果有著較高的精確度。

（2）動(dòng)壓槽位置對(duì)液膜密封相變性能有著顯著的影響，對(duì)于上游泵送型密封，外徑開槽時(shí)開啟力呈線性增大，泄漏量先減小后增大，內(nèi)側(cè)開槽時(shí)開啟力先增大后減小，泄漏量先減小后增大再減小；對(duì)于下游泵送型密封，外徑開槽時(shí)開啟力與泄漏量呈線性變化，內(nèi)徑開槽時(shí)開啟力與泄漏量的變化率隨溫度的升高而增大。

（3）相變現(xiàn)象對(duì)端面壓力分布的影響與槽區(qū)相態(tài)有著密切的聯(lián)系，當(dāng)槽區(qū)發(fā)生相變時(shí)，端面壓力分布規(guī)律變化較大，且由于動(dòng)壓效應(yīng)減弱導(dǎo)致端面壓力值降低。

（4）以上僅為相變現(xiàn)象對(duì)液膜密封性能影響的理論分析，下一步將開展螺旋槽液膜密封相變現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究。

符 號(hào) 說(shuō) 明

d——相變界面直徑，m F——承載力，N h——液膜厚度，m hg——槽深，m J——分子通量，mol·m?2·s?1 M——分子質(zhì)量，kg·mol?1

Ng——槽數(shù) p——流體膜壓力，Pa psat——飽和壓力，Pa Q——泄漏量，kg·s?1 R——?dú)怏w常數(shù)，J·mol?1·K?1 Rg1——?jiǎng)訅翰弁鈴?，m Rg2——?jiǎng)訅翰蹆?nèi)徑，m Ri——密封環(huán)內(nèi)徑，m Ro——密封環(huán)外徑，m T——液膜溫度，K u——流體膜速度，m·s?1 w——混合物氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% a——螺旋角，rad ζ——修正系數(shù) θ——周向弧度，rad μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s ρ——密度，kg·m?3 σc——冷凝系數(shù) σe——蒸發(fā)系數(shù) Ψ——質(zhì)量源項(xiàng)，kg·s?1·m?3 ω——?jiǎng)迎h(huán)旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s?1 下角標(biāo) f——相變界面附近液相 g——相變界面附近氣相 i——內(nèi)徑 l——液相 o——外徑 r——?jiǎng)迎h(huán) s——靜環(huán) v——?dú)庀?/p>

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Effect of phase change on performance of spiral groove liquid film seals

CAO Hengchao, HAO Muming, LI Zhentao, YANG Wenjing, SUN Zhen, WANG Yanhong, REN Fujun

(Institute of Sealing Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

In order to investigate phase change effect of liquid film on sealing performance of spiral groove liquid film seals, phase change model of non-contacting liquid film seals was established on the basis of mass conservation and mass source from Hertz equation. By discretization of governing equations with finite volume method, the effect of liquid film phase change on sealing performance was analyzed. Results show that phase change on sealing performance is closely related to sealing effectiveness.Both groove position and phase distribution in dynamic pressure groove have significant influence on sealing performance and pressure distribution at end face. During phase change in liquid film,seal opening force was increased but leakage was decreased for downstream pump seal, whereas the effect was different for upstream pumping seal.If the slot was close to inner diameter,seal opening force of upstream pumping seal was first increased and then decreased, but leakage was first decreased and then increased and finally decreased. If the slot was close to outer diameter,seal opening force of upstream pumping seal was increased linearly but leakage was first decreased and then increased. Phase transitionoccurred in groove region could strongly weaken hydrodynamic effects and largely impact on pressure distribution at the end face.

phase change; liquid film seal; sealing performance; Hertz equation

10.11949/j.issn.0438-1157.20170299

TB 42

A

0438—1157（2017）08—3190—12

郝木明。第一作者：曹恒超（1988—），男，博士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375497）；山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)項(xiàng)目（2014ZZCX10102-4）。

2017-03-27收到初稿，2017-05-10收到修改稿。

2017-03-27.

Prof. HAO Muming, haomm@upc.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51375497) and the Shandong Special Projects of Independent Innovation and Achievement Transformation (2014ZZCX10102-4).