高參數(shù)動靜壓機械密封摩擦副界面流固耦合分析

穆塔里夫·阿赫邁德，任立朝

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047;2.新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

機械密封是旋轉密封中性能優(yōu)良的密封，也是結構比較復雜的一種密封形式［1］。從國內(nèi)外密封技術的發(fā)展來看，隨著石化、能源、航空航天等領域的迅猛發(fā)展，對極端工況 (高溫、高壓、高速等)下的機械密封性能、使用壽命和可靠性提出了更高的要求。由于非接觸式機械密封中的流體靜壓密封和流體動壓密封能實現(xiàn)可控的泄漏量，且不磨損或很小的磨損，從而得到了廣泛的使用［2］。

液體靜壓型機械密封是將壓力足以平衡端面壓緊載荷的封液或被密封的自身介質(zhì)引入密封端面間，使之形成對密封端面具有充分潤滑和冷卻作用的靜壓流體膜。流體動壓式機械密封工作原理是當密封軸旋轉時，潤滑液體在密封端面產(chǎn)生流體楔動壓作用擠入端面之間，建立一層端面流體膜，對密封端面提供充分潤滑和冷卻［3］。極端工況條件下的靜壓密封和動壓密封的密封副和油膜呈現(xiàn)的特性有所不同，以高參數(shù)工況機械密封為研究對象，對密封副和油膜進行了數(shù)值建模，并對開圓弧槽動壓密封與普通靜壓密封的流固耦合分析結果進行對比，從而得到了液膜流場的動力學特性以及流場特性對摩擦副應力應變的影響。

1 CFD基本理論

流固耦合分析就是將流體計算結果和固體結構計算結果通過交界面相互傳遞，運算過程包含有流體控制方程、固體控制方程和流固耦合方程［4］。

1.1 流體控制方程［4］

流體流動要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。質(zhì)量守恒方程:

動量守恒方程:

其中:t表示時間，ff是體積力矢量。ρf是流體密度，v是流體速度矢量Δ，τf是剪切力張量，可表示為:

能量方程:

其中:λ表示導熱系數(shù)，SE表示能量源項。

1.2 固體控制方程［4］

固體部分的守恒方程可以由牛頓第二定律導出:

其中:ρs是固體密度，σs是柯西應力張量，fs是體積力矢量，是固體域當?shù)丶铀俣仁噶俊?/p>

由溫差引起的熱變形量:

關于講武堂的說法，盡管部分沒有得到確證，但從1909年至1935年26年中，所培養(yǎng)的杰出軍事人才的確遠超最初的設想（為云南新軍培養(yǎng)中下級軍官），其影響力超出了云南的范圍，輻射到東南亞、東北亞，對于20世紀上半期東亞、東南亞多國轟轟烈烈的民族解放運動和民主主義革命產(chǎn)生了不可估量的影響。

1.3 流固耦合方程［4］

在流固耦合交界面處，流體與固體應滿足守恒方程:

其中:τf、df、qf和Tf分別表示流體的應力、位移、熱流量和溫度，τs、ds、qs和Ts分別表示固體的應力、位移、熱流量和溫度。

2 流固耦合數(shù)值計算

動壓密封以開圓弧槽的動環(huán)為研究模型，槽深為2 mm，屬于深槽，如圖1所示。靜壓密封動環(huán)尺寸與動壓密封動環(huán)去掉圓弧槽相同，靜壓密封和動壓密封所采用的靜環(huán)尺寸相同。應用流固耦合分析方法對摩擦副和液膜進行耦合分析，分析摩擦副之間油膜的動力特性和密封環(huán)的應力應變，最終得到端面液膜壓力分布、液膜開啟力和密封環(huán)的應力應變情況。液膜和密封環(huán)的材料屬性見表1和表2。

圖1 帶圓弧槽動環(huán)

表1 液膜的材料屬性

3 結果與分析

首先對液膜進行流體分析，提取與密封環(huán)相交界面的壓力場和溫度場，并以此為密封環(huán)固體結構分析的變界條件，計算固體結構部分的應力應變。封腔壓力采用3～5 MPa，以分析封腔壓力對密封開啟力的影響。轉速采用3 000～5 000 r/min，以分析主軸轉速對密封開啟力的影響。

由圖2可以看出:靜壓密封液膜壓力沿徑向由里向外逐次增大，與密封腔相連的液膜外徑由于受封腔壓力的影響壓力最大，與空氣接觸的內(nèi)徑處液膜壓力最小。由圖3可以看出:動環(huán)外徑處的應變最大，內(nèi)徑處的應變最小。

圖2 靜壓密封油膜的壓力分布圖

圖3 靜壓密封動環(huán)應變圖

由圖4可以看出:由于密封環(huán)的圓弧槽對密封腔的液體進行抽吸作用，密封腔壓力比較高，液膜最大壓力集中在圓弧槽處，最小壓力集中在內(nèi)徑處，呈現(xiàn)出壓力由內(nèi)徑到外徑依次增大。由于動壓密封的流體動壓效應，潤滑液體在密封端面產(chǎn)生流體楔動壓作用擠入端面之間，建立一層更穩(wěn)定的流體膜。由圖5可以看出動環(huán)最大應變發(fā)生在圓弧槽處。

圖4 動壓密封油膜的壓力分布云圖

圖5 動壓機械密封動環(huán)應變圖

由圖7可以看出:在其他條件相同時，動壓和靜壓密封開啟力都隨封腔壓力的增大而增大，同等條件下動壓密封的開啟力要大于靜壓密封的開啟力。

圖6 端面間液膜壓力沿半徑方向的分布

圖7 封腔壓力對密封開啟力的影響

圖8是靜壓密封開啟力隨不同主軸轉速和黏度的變化圖，可以看出:不同黏度液膜的開啟力都隨主軸轉速的增大而增大，其中黏度為4.413 Pa·s的液膜在相同轉速下，液膜開啟力要大于黏度為3.923 Pa·s的液膜開啟力，黏度為3.923 Pa·s的液膜開啟力大于黏度為3.432 Pa·s的液膜開啟力，而且液膜黏度對開啟力的影響要比轉速對開啟力的影響明顯。

圖9是動壓密封開啟力隨不同主軸轉速和黏度的變化圖，其變化趨勢和靜壓密封開啟力的變化趨勢相似，液膜開啟力隨主軸轉速的增大而略微增大，液膜開啟力受黏度的影響要比受轉速的影響明顯。

圖8 靜壓密封開啟力隨轉速和黏度的變化

圖9 動壓密封開啟力隨轉速和黏度的變化

4 結論

液膜壓力沿徑向由內(nèi)徑到外徑逐次增大，其中外徑與密封腔介質(zhì)相接觸，壓力最大。油膜內(nèi)徑處與空氣接觸，壓力最小。在相同條件下，動壓密封液膜壓力高于靜壓密封的液膜壓力，靜壓密封的動環(huán)外徑處的應變最大，動壓密封動環(huán)圓弧槽處的應變最大。

無論是動壓密封還是靜壓密封，密封開啟力都隨密封腔壓力的增大而增大，在相同條件下，動壓密封的開啟力大于靜壓密封的開啟力。

靜壓密封和動壓密封的開啟力都隨軸轉速的增大而增大，都隨液膜黏度的增大而增大，其中液膜黏度對密封開啟力的影響比軸轉速對密封開啟力的影響要明顯。

【1】楊惠霞，顧永泉.圓弧深槽熱流體動壓機械密封理論研究［J］.流體機械，1997，25(9):12 －18.

【2】王玉明，劉偉，劉瑩.非接觸式機械密封基礎研究現(xiàn)狀與展望［J］.液壓氣動與密封，2011(2):29－33.

【3】郝木明.機械密封技術及應用［M］.北京:中國石化出版社，2010.

【4】宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.

【5】郝木明，李香.斷面弧形淺槽機械密封溫度及變形研究［J］.流體機械，2010，38(4):23 －27.

【6】朱良，朱毅征，李松虎.動壓環(huán)槽端面密封的泄漏量影響因素［J］.流體機械，1995，23(1):19 －24.

【7】WANG Yuming，WANG Jiangli，YANG Huixia，et al.Theoretical Analysis and Design Guidelines of Oil-film Lubricated Mechanical Face Seals with Spiral Grooves［J］.Tribology Transactions，2004，47(4):537 －542.

【8】LUAN Zhaogao，KHONSARI M M.Numerical Simulations of the Flow Field around the Rings of Mechanical Seals［J］.Journal of Tribology，2006，128(3):559 －565.