張嘉禾, 楊赪石, 彭 博, 萬(wàn)榮華, 郭兆元, 高育科

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基于FLUENT的超高速機(jī)械密封換熱特性分析

張嘉禾1,2, 楊赪石1,2, 彭 博1, 萬(wàn)榮華1, 郭兆元1, 高育科1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第 705 研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710075)

為了研究超高速情況下機(jī)械密封與沖洗液的換熱特性, 確定換熱程度的強(qiáng)弱, 基于數(shù)值計(jì)算方法, 建立了超高速機(jī)械密封裝置的流固耦合模型, 通過(guò)計(jì)算得到了溫度場(chǎng), 提取了部分面的溫度分布, 根據(jù)公式計(jì)算出對(duì)流換熱系數(shù), 所得結(jié)果與解析解相近。得出結(jié)論: 通過(guò)該方法計(jì)算得到的對(duì)流換熱系數(shù)較為精確; 冷卻液與動(dòng)環(huán)接觸部分的換熱能力高于與靜環(huán)接觸部分的換熱能力, 但差別不大; 通過(guò)增加冷卻水入口沖洗量可有效增強(qiáng)部分壁面的對(duì)流換熱情況。該方法可為機(jī)械密封設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

超高速; 機(jī)械密封; 沖洗量; 換熱特性

0 引言

接觸式機(jī)械密封端面摩擦副單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量與端面平均線速度成正比。在密封副超高速(平均線速度大于100 m/s)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 密封端面會(huì)產(chǎn)生大量摩擦熱, 因此必須采用沖洗措施以帶走熱量[1-2]。在機(jī)械密封的研制過(guò)程中, 由于密封腔空間尺寸受限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速高, 從而導(dǎo)致沖洗液換熱情況復(fù)雜, 且難以采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。據(jù)此, 筆者借用FLUENT軟件, 對(duì)機(jī)械密封的冷卻液與固體域邊界的對(duì)流換熱進(jìn)行了研究, 旨在探索超高速情況下機(jī)械密封的對(duì)流換熱特性, 為機(jī)械密封的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

目前, 對(duì)密封腔內(nèi)流場(chǎng)換熱情況的研究較少。王志豪等人通過(guò)FLUENT軟件對(duì)機(jī)械密封腔內(nèi)流場(chǎng)和對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了數(shù)值研究, 結(jié)果表明, 靜環(huán)表面對(duì)流換熱系數(shù)的變化規(guī)律與動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速和沖洗量之間的相對(duì)大小有關(guān); 動(dòng)環(huán)表面的對(duì)流換熱系數(shù)則主要與轉(zhuǎn)速相關(guān)[3]。周劍鋒等人用解析法研究了機(jī)械密封環(huán)的傳熱特性, 結(jié)果表明, 絕大部分摩擦熱通過(guò)動(dòng)環(huán)傳遞到介質(zhì), 靜環(huán)端面溫升較小; 增大動(dòng)環(huán)與介質(zhì)的接觸面積或選用熱導(dǎo)率大的材料可降低動(dòng)環(huán)上的最高溫度和端面上內(nèi)外徑處的溫差[4]。本文研究對(duì)象及研究方法與上述不同, 其特點(diǎn)主要在于: 1) 研究對(duì)象的幾何模型復(fù)雜; 2) 動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速極高; 3) 采用自定義公式進(jìn)行換熱特性研究。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

本文研究對(duì)象為接觸式機(jī)械密封, 超高速情況下, 單純靠選用耐高溫、導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)低的密封副材料不一定會(huì)帶來(lái)預(yù)期的效果。何況對(duì)于密封潤(rùn)滑性差和易揮發(fā)的液體來(lái)說(shuō), 還會(huì)出現(xiàn)液膜和介質(zhì)氣化等問題, 這就不得不采用沖洗措施。對(duì)機(jī)械密封裝置部分表面的冷卻可以迅速移走摩擦熱量, 降低密封的工作環(huán)境溫度, 改善潤(rùn)滑條件, 防止干運(yùn)轉(zhuǎn)和雜質(zhì)集積, 從而降低機(jī)械密封裝置的溫度。本文研究對(duì)象由2個(gè)獨(dú)立的機(jī)械密封裝置組成, 兩靜環(huán)中間充滿冷卻水。外圈機(jī)械密封負(fù)責(zé)對(duì)外層介質(zhì)和冷卻水進(jìn)行密封; 內(nèi)圈機(jī)械密封負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)層介質(zhì)和冷卻水進(jìn)行密封。這樣一來(lái), 既密封住了2種介質(zhì), 又對(duì)2個(gè)密封副端面進(jìn)行了冷卻。單個(gè)機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械密封裝置示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分方式既影響計(jì)算速度和所需存儲(chǔ)量, 又影響數(shù)值解的收斂性和準(zhǔn)確性。尤其對(duì)于復(fù)雜邊界形狀的模型, 選擇合適的網(wǎng)格生成方法尤為關(guān)鍵。鑒于本文的研究對(duì)象大多為圓柱狀或環(huán)狀, 本文采用ANSYS ICEM CFD中的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。在網(wǎng)格劃分時(shí), 由于整個(gè)流體域結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 對(duì)于部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件, 進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格, 選用的網(wǎng)格劃分軟件為ANSYS ICEM CFD。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件, 設(shè)置INTERFACE接觸面, 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格之間的連接與耦合。最后, 得到的網(wǎng)格總數(shù)約為466048, 將網(wǎng)格劃分情況導(dǎo)入到TECPLOT中觀察, 其網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

2 數(shù)學(xué)物理模型

1) 質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

2) 動(dòng)量守恒方程(N-S方程)

3) 能量方程

以上3式中各物理量的含義參見文獻(xiàn)[5]。

3 計(jì)算方法及邊界條件的確定

3.1 基本假設(shè)

1) 密封環(huán)為理想彈性體, 即環(huán)的材料是均勻連續(xù)、各向同性和完全彈性;

2) 穩(wěn)定工況下, 靜環(huán)座的軸向移動(dòng)對(duì)彈簧力大小的影響忽略;

3) 假設(shè)動(dòng)、靜環(huán)完全接觸, 即忽略端面間液膜厚度;

4) 忽略密封環(huán)O型圈上的摩擦阻力;

5) 假設(shè)摩擦熱全部由冷卻液及熱傳導(dǎo)帶走。

3.2 計(jì)算方法

3.3 邊界條件

3.3.1 材料及冷卻液的選擇

由于摩擦功耗與機(jī)械密封端面平均線速度成正比, 超高速情況下, 密封端面平均線速度超過(guò)150 m/s, 從而產(chǎn)生大量摩擦熱, 密封副溫度急劇升高, 導(dǎo)致密封環(huán)內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力并出現(xiàn)熱裂, 造成密封環(huán)變形甚至斷裂; 端面溫升還可能使液膜和密封介質(zhì)汽化, 造成密封失穩(wěn), 泄漏量增加。同時(shí), 速度越高, 磨損越嚴(yán)重。因此, 在超高速條件下, 可以通過(guò)改變摩擦系數(shù)、材料硬度等值來(lái)降低機(jī)械密封的摩擦功耗與磨損率, 即所選密封材料要具有良好的導(dǎo)熱性能、自潤(rùn)滑性、熱膨脹性和一定的耐磨性。基于以上考慮, 軟環(huán)一般選擇浸漬不同材料的碳石墨, 與之配對(duì)的硬環(huán)材料通常選擇導(dǎo)熱性良好的反應(yīng)燒結(jié)或無(wú)壓燒結(jié)碳化硅, 當(dāng)可能遭受腐蝕時(shí), 選擇化學(xué)穩(wěn)定性更好的熱壓燒結(jié)碳化硅[6]。本文在計(jì)算機(jī)械密封溫度場(chǎng)時(shí), 選擇浸銀碳石墨M106G和反應(yīng)燒結(jié)SiC 2種材料分別作為密封面軟材料和硬材料, 材料及冷卻液的物性如表1所示。

表1 材料及冷卻液的物性值

3.3.2 摩擦熱的計(jì)算、加載與熱量分配

機(jī)械密封在運(yùn)行過(guò)程中, 動(dòng)、靜環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)必然會(huì)發(fā)生摩擦并產(chǎn)生摩擦熱。由于摩擦熱的產(chǎn)生和分配受諸多復(fù)雜因素的影響, 端面上的摩擦熱大小難以確定, 熱載荷計(jì)算只有先從總摩擦熱入手。摩擦熱的計(jì)算與密封端面的摩擦狀態(tài)有關(guān), 本文采用式(6)來(lái)計(jì)算摩擦熱。

摩擦熱以表面熱的形式加載, 對(duì)應(yīng)的載荷名稱為熱流密度(HEAT FLUX), 即第2類邊界條件。摩擦熱的分配采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[7]

式中: 帶下標(biāo)為與靜環(huán)相關(guān)的物理量, 帶下標(biāo)為與動(dòng)環(huán)相關(guān)的物理量。采用式(7)計(jì)算所得的熱量分配比例進(jìn)行溫度場(chǎng)初步計(jì)算, 發(fā)現(xiàn)動(dòng)、靜環(huán)交界處溫差較大, 采用試湊法修改比例系數(shù), 重新分配熱量比例, 再用所得溫度場(chǎng)進(jìn)行校核。最終的熱量分配比例如表2所示。

表2 熱量分配情況

3.3.3 沖洗量的確定

本文所選模型的入口邊界條件定為質(zhì)量流量, 出口邊界條件為壓力。計(jì)算前, 首先要確定冷卻水的沖洗量, 即質(zhì)量流量。其沖洗量根據(jù)摩擦熱計(jì)算得到。假設(shè)兩側(cè)機(jī)械密封產(chǎn)生的摩擦熱全部由冷卻水帶走, 則沖洗量按如下公式計(jì)算

表3 冷卻水入口沖洗量隨轉(zhuǎn)速變化情況

4 結(jié)果分析

取迭代步數(shù)為1 000步, 迭代到273步時(shí)收斂。

4.1 對(duì)流換熱系數(shù)的求解

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

給定轉(zhuǎn)速為10萬(wàn)轉(zhuǎn)/min, 出口壓力P為0.1 MPa以及不同入口沖洗量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。所得結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出, 冷卻水與動(dòng)環(huán)交界處的對(duì)流換熱系數(shù)值最大, 與內(nèi)靜環(huán)接觸處的最小。因?yàn)閯?dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速極高, 與動(dòng)環(huán)接觸部分冷卻水的速度很大, 因此對(duì)流換熱系數(shù)高。隨著冷卻水入口沖洗量的增加, 其邊界的對(duì)流換熱系數(shù)相應(yīng)增加, 開始增加劇烈, 后面變得緩慢。

圖3 數(shù)值解與解析解結(jié)果對(duì)比

圖4 平均對(duì)流換熱系數(shù)隨入口沖洗量的變化

給定入口沖洗量Q=0.32 kg/s、出口壓力P=0.1 MPa、不同動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速所得數(shù)值解如圖5所示。由圖5可看出, 隨著動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的提高, 各邊界對(duì)流換熱系數(shù)基本呈線性增大。轉(zhuǎn)速處于1×104r/min到3×104r/min時(shí), 冷卻水與動(dòng)環(huán)接觸部分的對(duì)流換熱系數(shù)小于其與外靜環(huán)接觸部分的值; 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3×104r/min時(shí), 所得結(jié)果相反。這是因?yàn)? 轉(zhuǎn)速不高時(shí), 影響對(duì)流換熱強(qiáng)弱的因素主要取決于冷卻水的沖洗量或者沖洗速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍時(shí), 轉(zhuǎn)速則對(duì)對(duì)流換熱的強(qiáng)弱起主導(dǎo)作用。對(duì)比圖4和圖5也可發(fā)現(xiàn), 轉(zhuǎn)速對(duì)對(duì)流換熱強(qiáng)弱的影響比冷卻水流量的影響更大。

5 結(jié)論

1) 采用ANSYS ICEM CFD分塊劃分網(wǎng)格, 并導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算可以較真實(shí)地模擬機(jī)械密封沖洗液流通部分的換熱情況, 這樣有助于提高設(shè)計(jì)效率, 降低研發(fā)成本, 縮短研發(fā)周期。

圖5 平均對(duì)流換熱系數(shù)隨動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的變化

3) 動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速為1×105r/min時(shí), 冷卻液與動(dòng)環(huán)接觸部分的換熱能力高于與內(nèi)、外靜環(huán)接觸部分的換熱能力。

4) 對(duì)于本文所建立的機(jī)械密封模型, 在動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速低于3×104r/min時(shí), 冷卻量對(duì)對(duì)流換熱強(qiáng)弱起主導(dǎo)作用, 大于3×104r/min時(shí), 動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速則起主導(dǎo)作用。

[1] 顧永泉. 機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[2] Jeffrey Moore J. Three Dimensional CFD Rotor Dynamic Analysis of Gas Labyrinth Seals[J]. ASME Journal of Vi- brations and Acoustics, 2003.

[3] 王志豪, 索雙富, 黃偉峰, 等. 機(jī)械密封對(duì)流傳熱系數(shù)數(shù)值研究[J]. 潤(rùn)滑與密封, 2011, 36(6): 29-33.Wang Zhi-hao, Suo Shuang-fu, Huang Wei-feng, et al. Numerical Analysis of Heat Transfer Coefficient in Me- chanical Face Seals[J]. Lubrication Engineering, 2011, 36(6): 29-33.

[4] 周劍鋒, 顧伯勤. 機(jī)械密封環(huán)的傳熱特性分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006, 42(9): 201-206.

[5] 李進(jìn)良, 李承曦, 胡仁喜. 精通FLUENT6.3流暢分析[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[6] 郝木明. 機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)石化出版社, 2010.

[7] 廖和濱. 機(jī)械密封環(huán)溫度場(chǎng)/應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 福建: 福州大學(xué), 2005.

[8] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[9] 錢濱江. 簡(jiǎn)明傳熱手冊(cè)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1983.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Analysis on Heat Transfer Characteristic of Super-speed Mechanical Seals Based on FLUENT

ZHANG Jia-he,YANG Cheng-shi,PENG Bo,WAN Rong-hua,GUO Zhao-yuan,GAO Yu-ke

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To understand the heat transfer characteristic between mechanical seals and flushing fluid in super-speed condition and to obtain the intensity of the heat transfer, a fluid-solid model of the mechanical seals is built based on the numerical calculation method. Subsequently, the temperature field is calculated, the temperature distributions of some surfaces are achieved. Moreover, the convection heat transfer coefficient is calculated by the formula, which coincides with the analytic solution. It is concluded that the calculated convection heat transfer coefficient is accurate; the heat transfer capability of the flushing liquid in contact with moving loop is slightly higher than that in contact with static loop; the heat transfer on some walls can be significantly enhanced by increasing the flow rate of flushing liquid at inlet.

super-speed; mechanical seals; flow rate of flushing liquid; heat transfer characteristic

TJ630.32; TK261

A

1673-1948(2014)01-0044-05

2013-09-16;

2013-10-20.

張嘉禾(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)槟茉磩?dòng)力推進(jìn)技術(shù).