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(1.中國船舶重工集團公司第705研究所，西安 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室，西安 710075)

目前國內(nèi)的機械密封所能達到的線速度約為100 m/s左右，密封形式單一。在某型號渦輪機的研制中，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已超過50 000 r/min，密封端面線速度超過150 m/s,轉(zhuǎn)速極高；密封設(shè)計空間受限；且密封裝置需要對做完功的乏氣和潤滑油兩種介質(zhì)進行密封；同時泄漏量要求極小，其設(shè)計指標已經(jīng)超過國內(nèi)成熟的研究與應(yīng)用范圍，密封設(shè)計難度很大。針對這種空間受限的超高速工況，通過分析選取一種機械密封結(jié)構(gòu)，總結(jié)超高速情況下機械密封材料的選擇，并選取合適材料進行溫度場初步研究，得到機械密封裝置端面溫度分布規(guī)律及冷卻水量對溫度場的影響。旨在從溫度場方面驗證所設(shè)計機械密封裝置的合理性，為超高速機械密封的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 機械密封結(jié)構(gòu)

1.1 機械密封結(jié)構(gòu)分析

超高速情況下，單純靠選用耐高溫、導熱性好、線膨脹系數(shù)低的密封副材料不一定會帶來預(yù)期的效果。何況對于密封潤滑性差和易揮發(fā)的液體來說，還會出現(xiàn)液膜和介質(zhì)氣化等問題，需采用沖洗措施。對機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，改善潤滑條件，防止干運轉(zhuǎn)和雜質(zhì)集積，從而降低機械密封裝置的溫度。此處機械密封裝置由兩個獨立的機械密封裝置組成，兩機械密封中間充滿冷卻水，一個機械密封負責對外層介質(zhì)和冷卻水進行密封；另一個機械密封負責對內(nèi)層介質(zhì)和冷卻水進行密封。這樣既密封住了兩種介質(zhì)，又對密封副端面進行了冷卻。

單個機械密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機械密封示意

1.2 機械密封冷卻水量的確定

沖洗液的流速會影響密封裝置表面的對流換熱系數(shù)，從而影響機械密封溫度場分布。在確定機械密封的沖洗量時應(yīng)該考慮密封端面的摩擦熱和旋轉(zhuǎn)元件的攪拌熱，但由于攪拌熱不易確定，通常按端面摩擦熱考慮合適的摩擦系數(shù)來確定。將兩個機械密封的端面摩擦熱疊加計算其沖洗量，冷卻液選用30 ℃清水，其摩擦熱采用如下公式進行計算。

N=fpcVmAf

(1)

式中：f——摩擦系數(shù)，取0.1；

pc——密封端面比壓；

Vm——密封面平均線速度；

Af——密封環(huán)面面積。

摩擦熱采用如下公式進行計算。

(2)

式中，帶o下標的參數(shù)表示外靜環(huán)參數(shù)，帶i下標的參數(shù)表示內(nèi)靜環(huán)參數(shù)。其各符號含義如下。

pg——端面比壓;

c——沖洗液比熱容；

ρ——沖洗液密度；

tx——沖洗液出入口溫差。

則沖洗量：Qx≈10.8 L/min。冷卻水管道內(nèi)徑尺寸為

(3)

式中：Q——液體流量，m3/s；

v——流速，m/s。

則冷卻水流速為v=9.19 m/s。

2 超高速情況下機械密封動、靜環(huán)材料的選取

通常情況下，摩擦副的動環(huán)和靜環(huán)材料選用一硬一軟兩種材料配對使用。其中軟材料主要保證密封面的磨合性和自潤滑性，其應(yīng)用范圍最廣的是石墨。硬材料要具有高的耐磨性和導熱性，以便不被磨損，盡快將密封端面的熱量傳遞到其它地方。適用于高速高壓的機械密封端面硬材料主要有兩種：工程陶瓷和硬質(zhì)合金[1]。

由于摩擦功耗與機械密封端面平均線速度成正比：Nf=fpgvA，超高速情況下，密封端面平均線速度超過150 m/s，從而產(chǎn)生大量摩擦熱，密封副溫度急劇升高，導致密封環(huán)內(nèi)產(chǎn)生過大的熱應(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，機械密封的端面磨損率也與密封副周速成正比：γ=KwpcV/H，速度越高，磨損越嚴重。而密封副的端面比壓，平均線速度等值是不變的，因此，在超高速條件下，只能通過改變摩擦系數(shù)、材料硬度等值來降低機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熱性能、自潤滑性、熱膨脹性和一定的耐磨性?；谝陨峡紤]，軟環(huán)一般選擇浸漬不同材料的碳石墨，與之配對的硬環(huán)材料通常選擇導熱性良好的反映燒結(jié)或無壓燒結(jié)碳化硅，當可能遭受腐蝕時，選擇化學穩(wěn)定性更好的熱壓燒結(jié)碳化硅。在計算機械密封溫度場時，選擇了浸銀碳石墨M106G和反映燒結(jié)SiC兩種材料分別作為密封面軟材料和硬材料，其各項物理性能指標見表1[2]。

表1 機械密封材料特性

3 機械密封溫度場研究

3.1 基本假設(shè)

鑒于機械密封裝置實際工作時的復雜性，考慮所有的因素將增加計算量，降低可求解性，因此在研究其溫度場時，做如下假設(shè)。

1)穩(wěn)定工況下，忽略靜環(huán)座的軸向移動對彈簧力大小的影響，并忽略輔助密封件的摩擦阻力等。

2)假定動靜環(huán)完全接觸，忽略密封環(huán)的加工、安裝誤差以及裝配應(yīng)力導致的密封端面變形。

3)忽略因密封環(huán)端面的徑向變形導致對應(yīng)接觸節(jié)點的溫度差，并忽略端面間液膜的熱傳導。

4)密封副材料性質(zhì)和密封介質(zhì)的性質(zhì)不隨溫度變化，密封介質(zhì)的溫度是恒定的。

5)摩擦副產(chǎn)生的摩擦熱全部由冷卻水強制對流換熱帶走，且其它密封環(huán)表面均視為絕熱。

3.2 對流換熱系數(shù)的確定

目前對流換熱系數(shù)的確定主要有3種方法。①實驗法，即通過試驗方法間接測量其對流換熱系數(shù)；②數(shù)值法，即通過熱流耦合計算流固邊界的對流換熱系數(shù)；③解析法，即通過經(jīng)驗公式計算對流換熱系數(shù)。由于在該機械密封裝置中，被密封介質(zhì)的流動狀態(tài)很復雜，故本文采用解析法計算對流換熱系數(shù)。其對流換熱邊界分為以下3種情況計算[3]。

1)動環(huán)外徑處與外界介質(zhì)之間的對流傳熱需要考慮動環(huán)旋轉(zhuǎn)的攪拌作用，以及橫向繞流的作用，其對流換熱系數(shù)為a=Nu·λ/Ddor，相應(yīng)的努賽爾數(shù)為

(4)

2)對于流體繞流圓柱體的對流換熱，其努賽爾數(shù)可采用丘吉爾-朋斯登關(guān)聯(lián)式：

(5)

實驗驗證范圍為RePr>0.2。

3)對于掠過平板的湍流對流換熱，平均努賽爾數(shù)可用下式計算。

其中，各符號含義參見文獻[3]。

3.3 溫度場計算分析

采用UG建立機械密封模型，導入ANSYS WORKBENCH，采用其自帶的工具進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件為①動環(huán)緊貼轉(zhuǎn)軸的面的溫度取22℃；②摩擦熱以熱流密度形式分別加載到兩靜環(huán)端面，自動實現(xiàn)熱量分配；③對流換熱系數(shù)添加到對應(yīng)表面。所得結(jié)果見圖2～4。

圖2 內(nèi)靜環(huán)端面溫度隨半徑變化規(guī)律

圖3 外靜環(huán)端面溫度隨半徑變化規(guī)律

圖2、3給出了轉(zhuǎn)速為50 000 r/min，冷卻水量為10 L/min情況下的內(nèi)、外靜環(huán)端面溫度隨半徑的變化規(guī)律。兩靜環(huán)表面溫度分布近似呈拋物形。其中，內(nèi)靜環(huán)最高溫度為74.11℃，與之對應(yīng)的半徑為r=17.3 mm；外靜環(huán)最高溫度為106.81℃，與之對應(yīng)的半徑r=30.6 mm。且內(nèi)、外靜環(huán)與密封介質(zhì)及冷卻水接觸部分的溫度均在100℃以下，因此不會引起冷卻水汽化。

圖4給出了轉(zhuǎn)速為50 000 r/min時，機械密封裝置的最高溫度隨冷卻水量的變化規(guī)律。由圖4可知：當冷卻水量從1 L/min增加到10 L/min時，其最高溫度從115.8 ℃降低到了106.2 ℃，但降幅不太明顯。另外，冷卻水量增加時，其壓力隨之增大，從而使得機械密封端面比壓增大，摩擦功耗增大，溫度升高。因此，無限度的增加冷卻水量未必可行，通過分析，最終將合適的冷卻水量定為10 L/min。

圖4 密封裝置最高溫度隨冷卻水量的變化

4 結(jié)論

1)在轉(zhuǎn)速為50 000 r/min，選用冷卻水量為10 L/min情況下，所設(shè)計密封裝置的最高溫度為106.81 ℃，滿足密封性能要求。從溫度場方面說明了在需要對超高速情況下兩種介質(zhì)同時進行密封時，采用兩個獨立機械密封形式是可行的。

2)最高溫度隨冷卻水量的增加而降低，但降幅不大。通過分析，最終確定合適的冷卻水量為10 L/min。

3)密封端面的溫度呈拋物形分布，最高溫度處于背離與冷卻水接觸表面，距離為2/3表面寬度處。與冷卻水接觸表面的溫度均在100 ℃以下，不會引起冷卻水汽化。

[1] 江志斌，馬 強.高速高壓機械密封的材料研究[J].現(xiàn)代制造工程，2007，17(11):62-64.

[2] 郝木明.機械密封技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2010.

[3] 錢濱江.簡明傳熱手冊[M].北京：高等教育出版社,1983.

[4] 顧永泉.機械密封實用技術(shù)[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 單曉亮，胡欲立.基于Ansys的機械密封環(huán)溫度場分析[J].潤滑與密封，2006(9)：116-119.

[6] 朱學明，劉正林，朱漢華，等.高壓機械密封動態(tài)溫度場分析研究[J].船海工程，2005(2)：52-55.