探討核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封在高壓和高速下的機(jī)械密封性能

郭金強(qiáng) 田斌

摘 要：將核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封作為研究的對象，其中考慮到密封圈的影響，在高速和高壓情況下，端面熱彈變形很容易影響到其展現(xiàn)出來的密封性能的特點(diǎn)，因此采用有限元法闡述密封環(huán)的熱彈變形，對其密封性能做出一定的分析。該文核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封在高壓、高速的條件下，高壓會導(dǎo)致密封端面力變形，而高速環(huán)境中則會使端面間流體膜因粘性剪切作用，同時再加上旋轉(zhuǎn)組件的攪拌生熱，在整個機(jī)械密封的溫度場發(fā)生改變的同時，密封環(huán)也產(chǎn)生了變形。

關(guān)鍵詞：核主泵 流體靜壓型機(jī)械密封 高壓和高速 機(jī)械密封性能

中圖分類號：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0104-01

核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封屬于一種全流體非接觸式的機(jī)械密封，核主泵作為核電站中十分重要的部件，其端面加工有收斂錐度的流體靜壓型機(jī)械密封是核主泵最主要的密封結(jié)構(gòu)之一。在高壓的環(huán)境中，整個密封端面的熱力耦合變形和流體靜壓潤滑作用對密封性能有較大的影響。考慮密封環(huán)組建的非線性接觸作用，建立一個有限元軸對稱分析模型，發(fā)現(xiàn)雙錐面比單錐面密封性能更好，并且展示出來的可靠性更高，在此基礎(chǔ)上對具體的高壓高速環(huán)境下的密封性能進(jìn)行剖析。

1 核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封概述

在整個的密封層次中，其中的第一級是三級密封中最主要的一級，其采用的是表面開有錐度的流體靜壓型機(jī)械密封，其承受了整個系統(tǒng)中最主要的壓力。第二級采用接觸式機(jī)械密封，當(dāng)?shù)谝患壝芊馐r第二級密封能夠暫時代替其承受全部壓力，為后續(xù)的檢修爭取更多時間。第三級也是接觸式密封[1]。針對三級中第一級的重要性，一般在研究密封性能時主要以第一級為主。核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封常用結(jié)構(gòu)由兩種，一種是單收斂型；另一種是雙收斂型。這兩種端面結(jié)構(gòu)中，由于其錐角十分微小，導(dǎo)致了不管是單錐面還是雙錐面只要發(fā)生了微小的變形或者是誤差都會導(dǎo)致密封性能大大改變。

2 密封環(huán)組件有限元模型

依據(jù)核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封第一級密封的特點(diǎn)，建立一個密封靜環(huán)組建的二維軸對稱模型。在閉合力、重力及液膜開啟力的共同作用下，靜環(huán)組件維持了一個軸向力的平衡，而這時候端面間的液膜是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，要想建一個靜環(huán)組件有限元模型，就需要對位移約束邊界條件進(jìn)行制定[2]。在靜環(huán)約束邊界條件簡化過程中，整個靜環(huán)的底邊大范圍的緊密接觸靜環(huán)座的外徑側(cè)位置，在此情況下把靜環(huán)底邊的位移作為靜環(huán)的約束邊界條件。最終的有限元結(jié)果分析，在力載荷以及各個組件的相互作用之下，靜環(huán)端面呈現(xiàn)出了不同的變形行為。具體表現(xiàn)為靜環(huán)組件在受到力變形的影響時，其約束情況及支座結(jié)構(gòu)與靜環(huán)組件發(fā)生了偏差，當(dāng)靜環(huán)產(chǎn)生順時針偏轉(zhuǎn)時，整個端面呈現(xiàn)出發(fā)散變形的狀態(tài)，從而減小了密封間隙的收斂程度。

3 高壓和高速下的密封性能分析

當(dāng)核主泵用機(jī)械密封在高壓的環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)時，密封環(huán)與潤滑膜界面間產(chǎn)生摩擦生成的粘性剪切熱部分由潤滑液膜帶走，部分通過熱傳導(dǎo)向靜環(huán)散失。觀察螺釘力以及轉(zhuǎn)速對密封性能的影響，當(dāng)螺釘力發(fā)生變化時，由于是通過密封環(huán)和夾緊環(huán)支座兩者來固定的密封環(huán)，夾緊環(huán)通過均勻排列的螺釘來連接密封環(huán)支座，因此螺釘力的大小對密封環(huán)、密封性能有著重要作用。同時還對影響密封環(huán)的傾斜角度，對密封環(huán)端面的變形量產(chǎn)生影響[3]。O型圈是整個密封結(jié)構(gòu)中十分重要的輔助元件，對密封的性能也有一定的作用。O型圈槽內(nèi)徑的變化，會改變靜環(huán)底邊的軸向受力，同時還會造成螺釘力發(fā)生改變，影響到了靜環(huán)的彈性變形，從而使密封性能受到影響。

通過端面間流體膜以及動、靜環(huán)組成了流體靜壓型機(jī)械密封，其中流體膜在穩(wěn)定狀態(tài)下能夠有效避免動、靜環(huán)之間的接觸產(chǎn)生的磨損，能夠提高整個系統(tǒng)的安全性。由于高速、高壓是核主泵密封運(yùn)行工況，由于受到高速粘性剪切作用使流體膜生熱會引起密封環(huán)的熱變形，同樣密封端面彈性變形在高壓情況下也會發(fā)生。因此產(chǎn)生的熱彈流效應(yīng)的軸對稱密封數(shù)學(xué)模型，通過利用有限元來分析流體靜壓機(jī)械密封的密封性能。通過一系列的研究分析，表面壓力引起的彈性變形及溫差引起的熱變形是密封環(huán)的兩種主要變形形式。

圖1比較的是熱彈變形、熱變形以及彈性變形的機(jī)械密封端面的變形。通過圖可以看到，三種變形都顯示出端面收斂型，從而造成端面的靜壓承載力提高。針對核主泵用流體靜壓型密封，其中高壓引起的端面彈性變形大于溫度升高引起的熱變形。在具體的操作過程中，由于轉(zhuǎn)速的增加，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦生熱迅速升高，從某種程度而言，雖然動環(huán)旋轉(zhuǎn)有利于散熱，但是散熱的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于端面升高的幅度。當(dāng)動環(huán)轉(zhuǎn)速加快時，其靜環(huán)端面就會有越來越大的溫升，溫升增大會降低流體的粘度，與此同時，增加了端面熱變形，改變了端面膜厚，致使密封性能受到影響，增大了泄漏量。此外，注入流體壓力也會影響密封性能[4]。當(dāng)出口壓力保持不變時，不斷增加注入流體的壓力，靜環(huán)端面的溫度逐漸變小之后開始逐漸增大。壓力不大時，有很慢的端面的流體徑向流速，此時占主導(dǎo)的是周向旋轉(zhuǎn)剪切摩擦生熱，且有較高溫升；相反地，逐漸增加壓力，會增大徑向流速，流體冷卻明顯下降，有較小的溫升。

4 結(jié)語

通過采用有限元法建立一個靜環(huán)組件有限元模型，并對其進(jìn)行簡單分析，將單錐度與雙錐度的端面密封比較，雙錐度端面密封的液膜剛度較高時其最高溫度值卻較低，在這種明顯的比較之下可以發(fā)現(xiàn)雙錐度端面具有良好的穩(wěn)定性。并且流體靜壓型機(jī)械密封的性能受到了壓力以及動環(huán)角速度的影響產(chǎn)生變化，兩者的變化導(dǎo)致泄漏率、熱彈變形量也在發(fā)生改變。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭旭東，白少先，盛頌恩，等.流體靜壓型機(jī)械密封的三維傳熱數(shù)學(xué)模型及端面溫度分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2010，11（1）：125-126.

[2] 孫靜濤，呂曉春，周之入.核電站主泵的主軸、堆焊層和護(hù)環(huán)材料的抗腐蝕性能分析[J].水泵技術(shù)，2012，13（1）：206-207.

[3] 霍鳳偉，郭東明，康仁科.核主泵用流體動壓密封環(huán)復(fù)雜形面超精密磨削[J].機(jī)械工程學(xué)報，2014，15（13）：216-217.

[4] 劉偉，彭旭東，白少先.流體靜壓型機(jī)械密封的三維傳熱數(shù)學(xué)模型及端面溫度分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2010，30（1）：57-63.