阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:张伟政,彭炜曦,赵明仁,等阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析润滑与密封,():,():基金项目:甘肃省自然科学基金项目()收稿日期:;修回日期:作者简介:张伟政(),男,博士,副教授,研究方向为阀门与流体动密封技术。:。阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析张伟政,彭炜曦 赵明仁 冯 帆(兰州理工大学石油化工学院 甘肃兰州;兰州理工大学温州泵阀工程研究院 浙江温州)摘要:为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,考
2、虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行 流体仿真分析。结果表明:工况参数及结构参数对液膜空化效应有显著的影响,其中随着膜厚、密封压力以及槽深的增加,液膜空化效应均减弱,随着转速的增大,液膜空化效应变强。以开漏比评价密封性能,结果表明,阶梯收敛槽机械密封在小膜厚、高转速、较低密封压力以及较小静环开槽深度下运行时可获得最优密封性能;但为保证密封端面液膜具有足够的承载力,开槽深度不宜过小。关键词:机械密封;流体仿真;空化效应;密封性能中图分类号:,(,;,):,:;机械密封具有防止介质泄漏、减少能耗、可靠性高、适用范围广等优点,被广泛应用于各种旋转机械中,在石化行业中,目前机械密
3、封的使用率达 以上。对于端面式机械密封性能优化的研究,目前主要体现在密封端面开槽形状。其中波度端面机械密封是非接触式机械密封的一种,具有泄漏率低、磨损小等优点,被应用于一些要求高压、高转速的重要场合,例如核电站主泵轴密封和潜艇螺旋桨轴密封。世纪 年代,国外学者 首先提出波度端面机械密封。之后国内外学者在动静压结合波度机械密封方面做了大量工作。王晓雪等针对 核主泵主轴所采用的动静压结合型波度端面机械密封,通过求解稳态二维雷诺方程,综合考虑空化作用分析了结构参数及工况参数对密封性能的影响,提出在小间隙和小压差的工况条件下液膜空化是动压效应起到承载作用的主要原因,揭示了动静压结合型波度端面机械密封的
4、工作机制。王小燕等对核主泵用流体动压型机械密封建立耦合模型,该密封端面结构为外径处均布 形槽,内径处均布半圆形槽;然后采用有限差分法研究了高压下密封环的变形,提出在软质密封环端面上加工动压深槽可在高压下形成较大的波度式形变,有利于提高密封的安全性与稳定性。楼建铭等建立了波度端面机械密封的三维热流固耦合模型,采用有限元法计算密封端面压力分布及开启力、泄漏率、摩擦因数等性能参数,对流体动力润滑和热流体动力润滑进行了参数化分析。刘伟等人考虑波度密封静环的轴向倾斜,采用有限差分法对密封进行流固耦合分析,发现密封端面的形貌在流体动、静压共同的作用下变化明显,开启力和泄漏量都有明显的增大,但是相比于未考虑
5、静环轴向倾斜时液膜刚度增大,静环的轴向倾斜使得液膜刚度减小。由于密封环高硬度的材料要求、复杂的面型要求以及高精度的加工要求,使得波度端面机械密封精密加工困难,因此本文作者基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,该槽型在平面方向和厚度方向上均呈现收敛间隙。同时,考虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行 流体仿真分析。该密封结构相较于波度密封,在具有相近密封性能的同时,具有结构简单、易于加工的优点。几何模型与基本假设 几何模型阶梯收敛槽机械密封由波度端面机械密封结构衍生而来,其结构为静环表面开槽,由
6、近似余弦曲线的 层等深台阶组成槽区,在静环周向呈周期性对称分布。利用 建立流体计算域三维模型,如图 ()所示。由于密封端面间隙液膜具有流动性,且几何结构关于中心对称。为提高计算效率,选取液膜计算域 进行研究,如图 ()所示。几何参数如表 所示。图 阶梯收敛槽机械密封结构示意 :();()表 阶梯收敛槽结构几何参数 几何参数数值外半径 内半径 一阶槽根半径 二阶槽根半径 三阶槽根半径 四阶槽根半径 槽数 个槽深 网格划分将使用 建立的端面间隙液膜三维几何模型保存为 格式,并将保存的 文件导入 进行网格划分,通过建立辅助点及辅助线,创建,将 中的 与 同几何模型中的 和 逐个关联,完成点关联与线关
7、联,从而建立网格与几何模型的映射关系。节点的个数决定生成网格的数量,一般可采用局部网格加密,在槽区设置相对密集的网格,六面体结构化网格如图 所示。图 计算域网格模型 年第 期张伟政等:阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析 计算域边界条件流体计算域外径处为压力进口,设置进口压力为,内径处为压力出口,设置出口压力为。给定旋转角速度,整个计算域上表面与静环相接触,设置为静止壁面,下表面与动环相接触,设置为旋转运动壁面,计算域液膜周向壁面设置为旋转型周期边界,且满足压力周期性边界条件:()()。计算域边界条件如图 所示。图 计算域边界条件 基本假设与控制方程为了便于计算,同时考虑研究对象的流动
8、特点,作如下基本假设:()忽略体积力的作用,例如重力;()介质为牛顿流体,密封间隙流体流动为层流;()介质为不可压缩流体,密度不随压力变化;()介质空化压力不变。基于空化的连续性方程、动量方程、气相传输方程分别如式()、()、()所示。()()()()()()()()式中:为混合物密度;为质量平均速度;为混合黏性系数;和 分别为气泡产生、溃灭源项;为气相体积分数;为气相密度;为气相速度。求解器设置及计算方法通过 设置计算域流体介质物性参数,文中所研究的流体介质为常温水,由于空化效应,空化区的液膜沸腾汽化,因此所计算的流体介质还包含水蒸气。设置流体介质为 和 两相,并设置其相关物性参数。选择 两
9、相流混合模型,通过 将第一相设置为液态水,第二相设置为水蒸气,通过 设置质量传递为从水到水蒸气,选择 空化模型,空化压力设置为饱和蒸气压 ,适当调整气泡直径、蒸发系数、冷凝系数等以设置两相之间的交互。压力和速度耦合采用 算法,运用最小二乘法计算空间梯度,二阶精度迎风格式计算压力差插值,密度、动量和能量离散均为二阶迎风格式。设置能量方程迭代精度为,动量方程迭代精度为,并采用标准初始化计算整个流域。网格无关性验证针对流体计算域设置不同的网格数,分别进行 流体仿真模拟,通过计算承载力,分析其数值变化以实现网格无关性验证,验证曲线如图 所示。图 网格无关性验证 网格独立性验证时,当计算结果误差小于 时
10、,则认为结果可取。由图 可知,网格数量从 增加到 时,承载力增长率为 。考虑计算效率,采用网格数量为 。网格划分的正确性验证为验证文中计算域网格划分的正确性,选取针对螺旋槽干气密封进行试验的端面几何结构进行数值模拟,以验证网格划分方法的正确性。验证模型的参数为:密封端面外径 ,内径 ,螺旋槽内径 ,密封端面螺旋槽数量 个,螺旋角,螺旋槽深度 ,进口压力 ,出口压力 ,进口及壁面温度 ,转速 ,气膜厚度分别为 、和 。根据验证模型的几何参润滑与密封第 卷数建立几何模型,由于密封端面气膜流动特性相同,选取整个气膜的 作为计算域,图 ()所示为螺旋槽干气密封计算域几何模型。采用与阶梯收敛槽机械 密
11、封 计 算 域 相 同 的 网 格 划 分 方 法,将 使 用 软件建立的 气膜的三维几何模型,保存为 文件导入,通过拓扑、建立辅助点、创建、点关联以及线关联等,将计算域划分为六面体结构化网格,并在槽区进行网格加密。图 ()所示为螺旋槽干气密封计算域网格模型。图 验证模型的几何结构及网格模型 ()()将网格保存为 文件,并导入 求解器进行流场计算。对密封端面气膜压力进行积分得到开启力数据,以开启力为判别依据,通过在相同的几何参数和工况参数下对比开启力的大小,分析其误差,以验证网格划分方法的正确性。以开启力为判定依据的验证数据如表 所示。模拟结果和试验数据相比,在气膜厚度为 时开启力数据误差为,
12、气膜厚度 时开启力误差为 ,气膜厚度 时开启力误差为 。可见数值计算和试验结果误差很小。模拟结果和经典文献数据相比,气膜厚度 时开启力误差为 ,气膜厚度 时开启力误差为 ,气膜厚度 时开启力误差为 。可见数值计算结果与文献结果误差极小,充分证明了研究方法的正确性。表 实验数据、文献数据、模拟结果比较 ,气膜厚度 开启力 实验数据文献数据模拟结果 计算结果及分析 液膜压力分布给定一组模型参数,外压 ,内压 ,密封环外径 ,内径 ,槽根半径 、,槽数,槽深 ,转速 ,介质为水,温度 ,此时动力黏度 ,液膜厚度 。一个周期内的压力分布如图 所示。图 液膜压力分布 在阶梯收敛槽机械密封运行时,动静环之
13、间发生相对转动,在密封环外径密封压力的作用下,流体进入密封端面间隙形成润滑液膜。上游外径侧流体介质压力的作用使润滑液膜形成压力流,密封环的相对旋转使润滑液膜形成剪切流,压力流和剪切流的共同作用使流体从密封环上游外径侧流向下游内径侧,形成泄漏流。流体流入槽区后,在面朝流动方向的槽根左侧位置受到挤压,形成压力峰值,在背朝流动方向的槽根右侧位置处流道扩张,形成空化区域,根据流体动力学理论,密封间隙润滑液膜产生流体动压效应。在平面方向上,由于阶梯收敛槽在密封上游侧开口较大,并逐渐向下游侧形成收敛间隙,因此能减小泄漏;在厚度方向上,润滑液膜在槽区呈阶梯型收敛,能提高流体静压效应,个方向上的收敛间隙能有效
14、提高流体动压效应,获得较强的承载力。同时槽型具有光滑过渡的余弦曲线轮廓,能有效防止密封环磨损颗粒的沉积,减小密封面的磨损,提高使用寿命。液膜相态分布为进一步研究空化效应的产生机制和对液膜流动的影响,通过相态分布可以确定液膜空化区的大小和位置,并结合压力分布对其进行分析。一个周期内的相态分布如图 所示。图 所示为液相所占体积分数。由于槽区的存在,在密封端面形成流道收敛区和发散区,流体在密 年第 期张伟政等:阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析 封环高速旋转和介质压力的作用下,由外径侧进入密封端面。当流体介质从槽区流入台区,流道收缩形成收敛间隙,由于周向剪切力使得流体压力升高,提供了流体动
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