螺旋槽机械密封端面流体润滑膜动压效应和密封性能分析

【摘要】 机械密封技术是现代流体旋转机械发展的最为重要的技术，随着现代工业对密封性能的要求不断提高，以往的普通机械密封已无法满足工作的需求。为适应高温高压高转速等高参数及复杂工况下能保持良好的密封性能，表面造型技术成为一个新的突破口，即通过对密封端面开设各种流槽来提高机械密封性能，从而更好的满足密封需求。目前研究最为热门、密封性最好的密封方式就是螺旋槽机械密封，本文也是基于螺旋槽机械密封进行的分析与研究。本文首先对螺旋槽机械密封动静环之间的流体润滑膜进行单独三维建模，划分出质量较高的离散网格，对计算模型设置了合适的初始条件和边界条件，采用计算流体动力学(CFD)计算原理，求解器中选用层流计算模型和SIMPLEC压力基算法，空间离散化方法用二阶迎风格式，然后求解流体域的三维N-S方程和连续性方程，得到了流体润滑膜的总压力分布图、动压分布图、静压分布图、出口处的泄漏量、端面的开启力，分析分布规律及其对流体的密封产生的影响。然后分别改变动环转速、密封介质压力、介质动力粘度等参数，得到这些参数对流体的总压、动压、静压、泄漏量、开启力会产生什么样变化规律。最后改变螺旋槽的槽数、螺旋角、槽深、槽坝比、槽区堰区宽度比，分别研究这些参数对密封性能的影响规律。 

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.国家自然科学基金项目“高参数金属波纹管机械密封关键零部件热流固耦合分析”，编号：51165043

2.新疆维吾尔自治区高校科研计划资助项目“大轴经高速波纹管机械密封热流固耦合分析及关键技术研究”，编号：XJEDU2010I15

3.新疆维吾尔自治区自然科学项目“高参数机械密封摩擦副界面的热流固耦合分析关键技术”，编号：2013211A005

1.2 选题的背景与意义

当今的世界科学技术水平突飞猛进，在石油化工行业对一些大型和高精端设备的要求越来越高，以能满足在复杂高参数工况下工作的需求。新疆地区具有丰富的油气资源，一些石化企业所采用设备比以往采用的尺寸规格要大，介质工作参数要高。因此高温、高速、高压、大尺寸等高参数工况条件成为密封行业中研究的重要问题，在这些高参数工况下密封的性能、工作可靠性、使用寿命成为了有关企业和相关单位的研究热点。在直径超过 130mm、转速超过3000rpm 或摩擦副线速度超过 25m/s、压力超过 2Mpa、温度超过 120℃，就认为是高参数密封。

机械密封有接触式密封和非接触密封，接触式密封泄漏量小，但磨损比较快，而普通非接触密封又容易出现泄漏，所以通过表面改形的非接触密封有效的解决了这一问题。在机械密封领域中，螺旋槽端面非接触式机械密封（又称上游泵送机械），依靠端面间流体的动压效应所产生的黏性剪切压力来平衡端面内外侧的压力差。在工作中端面摩擦磨损不明显、能长期平稳运行和消耗资源小等特点，可以使泄漏量达到很小，甚至都不发生逸出（不可见的挥发物），随意它已经在旋转流体机械中得到广泛应用。在所使用的场合上，一般的工况参数已无法满足，必须追求在高速、高压、高压等高参数工况下的计算。

综上，对高参数条件下螺旋槽机械密封的密封性能的研究就具有重要的意义。

第二章 螺旋槽机械密封基本原理

2.1 机械密封基本构成

机械密封是一种在对具有相对运动结构的容器进行密封的设备，是流体旋转机械中阻止密封介质外漏、减小环境污染、节约资源的重要部件，他通过弹簧或波纹管的预紧力和介质的压力，利用动静环之间形成油膜来控制泄漏。与填料、O型圈等静态密封形式相比，机械密封具有更好的密封性能、更小的摩擦磨损、更小的消耗功率和更长的使用寿命等优点。机械密封特别适用于一些工作条件相当恶劣的环境，像密封介质具有很高的温度和较大的压力，需要较高的泵送速度，甚至有些密封介质具有易燃腐蚀等特点，所以机械密封关键部件的运行是否可靠影响到整套设备运行的稳定性，是石油化工行业特大设备实现国有的瓶颈。有数据显示，机械密封在所有密封形式中所占的比值，在一定程度上代表了一个国家石油化工领域发展技术水平。根据我国石油化工业的统计，八成到九成的离心泵已使用机械密封。而在一些发达国家，机械密封的使用占全部密封使用量九成以上。

经典的机械密封的基本结构如下图所示。

机械密封主要组成部件有：端面配合元件(1-静环和2-动环)、传动件(3-传动销和8-传动螺钉)、辅助密封元件(10、11-O形密封圈)、固定件(9-压环、13-压盖、5-弹簧座、7-轴套与6-紧定螺钉)、防转件(14-防转销)、预紧和缓冲元件(4-弹簧)。动环通过防转件固定在主轴上，保持相同的运动状态，静环则固定在压盖上，一直保持静止状态，动静环组成一个摩擦副。

2.2 螺旋槽机械密封概述

机械密封中根据结构的不同，在运行过程中动静环组成的摩擦副可以是接触的，也可以是分离的，据此可将机械密封分为两大类，接触式机械密封和非接触式机械密封两种类型。

接触式机械密封为运行时动环与静环是接触的，通常由于接触的端面并非完全平整，存在微小的凸起，还有接触面为动态的配合，所以密封介质往往会通过一些微小间隙泄漏出去，出现这个问题则需要增大施加在密封环上的预紧力使密封副紧密贴合，以减小密封间隙，提高密封性能。但这样做的缺点是摩擦副间的摩擦力大大增加，端面磨损非常严重，密封设备运行年限也将缩短。

非接触机械是指密封端面间能形成一层极薄的流体膜（厚度达几微米的液膜或气膜），使动静环在工作时不直接接触，而是有一层流体膜润滑隔开，这样就优化了端面的润滑状况，因而大大减小了端面的接触摩擦和磨损，延长了密封设备运行年限。相关研究人员对非接触式机械密封的研究日益增多。非接触式机械密封又可细分为流体静压型机械密封和流体动压型机械密封。

流体静压型机械密封指密封设备运行时，通过一定的方式使动静环之间进入密封介质，依靠密封介质的压力使推开两个密封端面，推开距离一般只有几个微米。有密封介质对端面的推力而提供的开启力与弹簧或波纹管的预紧力提供的闭合力平衡，以达到设备的平稳运行。端面间引入密封介质的方式主要有端面径向坡度、开设端面流槽和节流孔。

第三章 螺旋槽端面流体润滑膜数值模拟......... 22

3.1 流体力学计算方法........... 22

3.1.1 流体动压效应..............23

3.1.2 流体动力学基本方程................ 24

第四章 螺旋槽端面流体润滑膜性能分析..................... 33

4.1 流体润滑膜压力分布规律及分析............... 33

4.2 工况参数对密封性能的影响.................34

第五章 结论与展望.......45

5.1 研究工作总结........... 45

5.2 今后工作展望................45

第四章 螺旋槽端面流体润滑膜性能分析

模拟计算结束后，在后处理中查看流体膜的性能，主要查看动环端面处的总压分布、动压分布、开启力和出口处的流量情况，并将计算参数不断改变，研究参数的改变对密封性能的影响规律。

4.1 流体润滑膜压力分布规律及分析

图 4-1 为动环端面上的总压力分布图，总体分布规律为从外径侧到内径侧，逐渐降低，但在槽区由于密封堰的阻碍作用使流体被压缩而出现明显的高压区，在槽底圆尖角处到达最大值，最大压力比入口处的压力增大了 0.96MPa。在内径处有负压力，这有利于将泄漏出去的流体泵吸回螺旋槽内。提取槽边界处径向压力如图4-2所示。

第五章 结论与展望

5.1 研究工作总结

本文以螺旋槽机械密封流体润滑膜为研究对象，建立了流体润滑膜的三维计算模型，采用计算流体力学方法，通过数值模拟计算，得到了螺旋槽机械密封的密封特性，分析了工况参数、螺旋槽几何参数及端面槽型形状对密封性能的影响规律。总结所做的主要工作和得到的结论有以下几点：

1.建立计算模型，对模型进行简化处理，对模型进行网格划分，做出正确合理的求解设置。

2.分析了螺旋槽机械密封的特点，得到螺旋槽结构能产生很好的动压效应的结论。

3.通过改变动环转速、密封介质压力、介质粘度研究了工况参数对螺旋槽机械密封性能的影响规律

4.通过改变槽数、螺旋角、槽深、槽坝比、槽区堰区宽度比研究了螺旋槽几何结构对螺旋槽机械密封性能的影响规律

5.2 今后工作展望

本文中还有许多不足之处，望后来的研究者能做进一步的完善。

1.本文为单一物理场下模拟分析，，没有考虑到摩擦热效应的影响，热效应对流场的影响还是比较重要的，应建立三维热弹流体润滑膜模型，进一步进行研究。

2.研究密封变化规律时只在单一变量下进行研究，没有得到多个变量同时变化时密封性能呈现怎样的变化规律。

3.本文只针对螺旋槽一种槽型进行了分析，希望以后对不同的槽型进行对比分析。

4.模拟计算结果缺乏相关实验数据的验证，可能会存在较大误差，希望以后能进行相关实验研究。

参考文献（略）