考慮非牛頓流體特性的液膜密封溫度場分析

丁武仁，謝景偉，袁俊馬

(1 中石油吉林石化公司合成樹脂廠，吉林 吉林 132000；2 中國石油大學(華東)化學工程學院，山東 青島 266580)

高溫油泵作為石油煉化裝置中的重要組成部分，分布于工藝流程中的各個裝置，但高溫油泵機械密封工作環(huán)境惡劣，易出現(xiàn)彈性元件失彈，工藝介質(zhì)結焦及密封端面變形甚至熱裂等問題。螺旋槽液膜密封為非接觸式機械密封，密封端面非接觸運行，摩擦產(chǎn)熱少，端面間液體起到良好的沖洗、冷卻、潤滑、介質(zhì)替代等作用，有利于延長機械密封壽命，提高密封性能[1-2]。

近年來，眾多學者針對機械密封的溫度場進行大量研究。考慮傳導熱、端面摩擦熱及密封腔與周圍環(huán)境的對流換熱，分別研究了密封環(huán)在層流和湍流狀態(tài)下沖洗液體對密封環(huán)溫度的影響規(guī)律[3-8]。Zhang[9]提出了適用于混合潤滑軸承的非牛頓THD理論，研究了冪律指數(shù)對潤滑性能及溫度場的影響。Bukovnik[10-11]建立了考慮溫度和流體非牛頓特性的TEHD模型，研究了剪切速率對軸承動力潤滑性能的影響規(guī)律。Sharma以止推軸承為研究對象，結合冪律模型，研究表面織構微造型對止推軸承潤滑性能及溫度場的影響[12-13]。建立了混合潤滑EHD模型，基于冪律模型和JFO邊界條件，研究了流體非牛頓特性對斯特封密封性能影響規(guī)律[14-16]。

越來越多的學者認識到流體非牛頓特性對液體潤滑性能的影響，本文以中石油吉林石化公司合成樹脂場某高溫油泵用螺旋槽液膜密封為研究對象，建立新型雙端面液膜密封整體全尺寸三維模型，基于熱流體動力潤滑理論和描述流體非牛頓特性的冪律模型，分析冪律指數(shù)對螺旋槽液膜密封溫度場影響規(guī)律，研究操作參數(shù)和結構參數(shù)對密封環(huán)溫度場影響規(guī)律，為高溫油泵機械密封設計提供理論依據(jù)。

1 物理模型

所研究的主密封為上游泵送螺旋槽液膜密封，副密封為接觸式機械密封，結構如圖1所示。動環(huán)材料為碳化硅，靜環(huán)材料為浸銻石墨，物性參數(shù)如表1所示；雙端面機械密封的端面結構尺寸和工況參數(shù)如表2所示，高溫油泵入口壓力為1.0 MPa，為防止高溫介質(zhì)進入到主密封腔體，影響密封環(huán)工作環(huán)境，因此確定沖洗液的壓力為1.1 MPa。

圖1 雙端面機械密封結構圖Fig.1 Dual mechanical seal structure

表1 介質(zhì)及物性參數(shù)Table 1 Material parameters of sealing medium

表2 密封環(huán)材料及其物性參數(shù)Table 2 Material parameters of sealing rings

2 數(shù)值求解

2.1 控制方程

(1)連續(xù)性方程的微分形式為：

(1)

式中，ρ為密度，kg/m3；t為時間，s。

(2)粘性流體的運動方程的微分形式為：

(2)

針對流體的非牛頓特性，冪律模型參數(shù)少、適用范圍廣，在工程中得到了廣泛的應用，因此冪律模型表示流體的非牛頓特性，如式所示：

(3)

式中：m為稠度指數(shù)，Pa·s；n為冪律指數(shù)。

在描述潤滑油的粘溫關系中，Vogel方程較為準確，借助流變儀測量潤滑油粘度隨溫度的變化關系，并通過UDF語言，加入到模擬計算中。

(4)

(3)液體區(qū)域能量方程：

方程右邊前三項分別描述了熱傳導、組分擴散和粘性耗散帶來的能量。

(5)

(4)固體區(qū)域能量方程：

(6)

(5)泰勒數(shù)Ta：

(7)

式中：η為腔體內(nèi)徑與動環(huán)外徑之比；d為腔體內(nèi)徑與動環(huán)外徑間隙，m；Ω為動環(huán)角速度，rad/s；ν為流體的運動粘度，m2/s。

2.2 數(shù)值求解

將與雙端面機械密封配合的泵體和轉軸一并建模，減少人工邊界條件設置，直接設置耦合面。

3 結果與討論

3.1 整體溫度場

圖2 新型雙端面機械密封溫度云圖Fig.2 New dual mechanical seal temperature field

圖2為雙端面機械密封溫度場云圖，主密封為上游泵送螺旋槽液膜密封，副密封為接觸式機械密封，考慮了泵體及主軸的傳導熱、端面摩擦熱和密封腔液體的攪拌熱，副密封端面為最高溫度，泵體和腔體的左側溫度次之，再次是主密封環(huán)端面溫度。主密封為非接觸運行，內(nèi)外徑壓差小于副密封，導致端面摩擦扭矩較小，密封環(huán)溫度較低。動環(huán)采用碳化硅材料，靜環(huán)采用浸銻石墨材料，動環(huán)溫度低于靜環(huán)溫度，動環(huán)的導熱系數(shù)大于靜環(huán)導熱系數(shù)，通過沖洗液體的冷卻，動環(huán)的熱量更多的通過液體傳遞出去。

3.2 非牛頓特性對溫度場影響

圖3為單周期密封環(huán)端面溫度沿周向角度的變化情況，隨著冪律指數(shù)變大，密封端面溫度逐漸升高，且溫度梯度逐漸增大，考慮粘溫關系時，端面溫度介于n=0.94和n=0.96之間，當n<1時，密封端面溫度相對較低，當n>1時，密封端面溫度較高，且隨冪律指數(shù)變化更加明顯；當冪律指數(shù)不變時，不同周向角度的密封端面溫度基本保持恒定，在低冪律指數(shù)時，密封端面隨冪律指數(shù)變化較小，在高冪律指數(shù)時，密封端面隨冪律指數(shù)變化更明顯，隨著半徑的增大，密封端面溫度逐漸升高。

圖3 r=55.8 mm處，密封端面周向溫度分布Fig.3 Circumferential temperature distribution of sealing face

圖4為冪律指數(shù)和粘溫關系對密封端面溫度的影響。隨著半徑的變大，密封端面溫度逐漸升高，由于密封端面外徑壓力高于內(nèi)徑壓力，端面摩擦生熱量大，螺旋槽的泵送效果將內(nèi)徑液體泵送至外徑，導致外徑溫度升高；冪律指數(shù)變大，密封端面溫度逐漸升高，冪律指數(shù)越大密封端面溫度與冪律指數(shù)的相關性越大，液體的表觀粘度增大，摩擦生熱量變大。

圖4 θ=1.33 rad處，密封端面徑向溫度分布Fig.4 Radial temperature distribution of sealing face at θ=1.33 rad

3.3 操作參數(shù)的影響

如圖5(a)所示，當轉速一定時，隨著冪律指數(shù)變大，動環(huán)最高溫度逐漸升高，轉速越大，冪律指數(shù)對動環(huán)最高溫度影響越大，不同轉速下，動環(huán)最高溫度分別增長約5.9%，7.9%，9.8%，12.3%，13.6%，15.5%；當冪律指數(shù)一定時，轉速升高，動環(huán)最高溫度升高，冪律指數(shù)越大，轉速對動環(huán)最高溫度影響越明顯；如圖5(b)所示，靜環(huán)最高溫度隨冪律指數(shù)和轉速的變化規(guī)律與動環(huán)相似，當主軸轉速一定時，隨著冪律指數(shù)的變大，靜環(huán)最高溫度逐漸增大；當冪律指數(shù)一定時，隨著轉速升高，靜環(huán)最高溫度逐漸升高。冪律指數(shù)越大，液體的表觀粘度越大，轉動導致的粘性剪切產(chǎn)熱增大，密封環(huán)溫度越高，轉速對密封環(huán)最高溫度影響越大。

圖5 轉速-冪律指數(shù)-密封環(huán)最高溫度Fig.5 Speed-power-law index-maximum temperature of the sealing ring

圖6 緩沖液壓力-冪律指數(shù)-密封環(huán)最高溫度Fig.6 Buffer pressure-power law index-maximum temperature of the sealing ring

如圖6(a)所示，當緩沖液壓力一定時，動環(huán)最高溫度隨冪律指數(shù)的變大逐漸升高，且增長趨勢逐漸明顯，冪律指數(shù)變大，液體的表觀粘度變大，密封端面摩擦生熱量增多，導致密封環(huán)溫度升高，當冪律指數(shù)一定時，緩沖液壓力對動環(huán)最高溫度基本無影響，冪律指數(shù)越大，對動環(huán)最高溫度影響越??；如圖6(b)所示，靜環(huán)最高溫度隨緩沖液壓力和冪律指數(shù)的變化規(guī)律與動環(huán)最高溫度相似，冪律指數(shù)變大，靜環(huán)最高溫度升高，增長趨勢逐漸變大，緩沖液壓力對靜環(huán)最高溫度基本無影響，冪律指數(shù)越大，緩沖液壓力對靜環(huán)最高溫度影響越小。

3.4 結構參數(shù)的影響

如圖7(a)所示，當槽角一定時，動環(huán)最高溫度隨冪律指數(shù)的變大逐漸變大，增長幅值約為50 K，冪律指數(shù)變大，液體的表觀粘度變大，密封端面間摩擦生熱量變大，導致密封環(huán)溫度升高，當冪律指數(shù)一定時，隨著槽角的變大，動環(huán)最高溫度呈上升趨勢，冪律指數(shù)越大，槽角對動環(huán)最高溫度的影響越大。如圖7(b)所示，靜環(huán)最高溫度隨槽角和冪律指數(shù)的變化規(guī)律與動環(huán)最高溫度相似。

圖7 槽角-冪律指數(shù)-密封環(huán)最高溫度Fig.7 Groove angle-power law index-maximum temperature of the sealing ring

4 結 論

(1)副密封端面溫度最高，泵體和腔體左側溫度次之，主密封端面溫度最低，主密封的靜環(huán)溫度高于動環(huán)溫度。

(2)當冪律指數(shù)變大時，密封端面溫度升高，溫度梯度逐漸增大，密封端面溫度與冪律指數(shù)的相關性變大，密封端面溫度隨半徑的變大逐漸升高。

(3)當冪律指數(shù)一定時，轉速升高，密封環(huán)溫度升高，冪律指數(shù)越大，轉速對密封環(huán)溫度影響越大；當冪律指數(shù)一定時，緩沖液壓力對密封環(huán)溫度基本無影響，冪律指數(shù)越大，緩沖液壓力對密封環(huán)溫度影響越小。

(4)槽角變大，槽深加深，槽數(shù)增多，均導致密封環(huán)溫度升高，冪律指數(shù)越大，各因素對密封環(huán)溫度影響越大。