郭 磊 王和順 段益東

（西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川成都 610039）

轉(zhuǎn)速對波度式機械密封性能的影響

郭 磊 王和順 段益東

（西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川成都 610039）

以波度式機械密封為研究對象，采用差分法將雷諾方程離散化，利用Matlab軟件編制有限差分方程程序，分析轉(zhuǎn)速對波度式機械密封性能的影響。結(jié)果表明：在相同膜厚下，隨著轉(zhuǎn)速增大，密封開啟力明顯增大，泄漏量也隨之增加，但變化幅度很小。

機械密封；有限差分法；轉(zhuǎn)速

波度式機械密封是一種動靜壓結(jié)合的非接觸機械密封，具有泄漏量低和壽命長等優(yōu)點，可以用于核電站主泵的軸密封上。自20世紀(jì)60年代開始，國外學(xué)者對波度式機械密封進行了許多理論和實驗研究［1-2］。中國學(xué)者楊惠霞、顧永泉提出一種二維機械密封混合模型［3］，徐漢平等對內(nèi)壓式WTD機械密封特性進行了研究［4］，王小燕等將動壓和靜壓分開考慮，對波度密封進行了純流體性能仿真分析［5］。本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合核主泵密封系統(tǒng)采用有限差分法將雷諾方程離散化，利用Matlab軟件進行編程，通過改變轉(zhuǎn)速參數(shù)，分析在不同轉(zhuǎn)速下密封的開啟力和泄漏量，為核主泵波度密封的使用和研制提供參考。

1 理論模型和計算方法

1.1 液膜幾何模型

圖1為端面周向波度密封靜環(huán)及其端面示意圖。錐度、波度和密封壩都加工在靜環(huán)端面上，動環(huán)端面為平面。

圖1

液膜的極坐標(biāo)幾何模型可表達為，

式中，h-任意位置的液膜厚度（μm），r-半徑（mm），ho-壩區(qū)液膜厚度（μm），θ-任意位置的角度，n-波數(shù)，rd-密封壩根徑（mm），ro-密封環(huán)外徑（mm），ri-密封環(huán)內(nèi)徑（mm），λ-波度的半幅值（μm）。

1.2 流體模型的計算

根據(jù)以上假設(shè)，穩(wěn)態(tài)二維雷諾方程柱坐標(biāo)形式可表達為：

采用差分法求解，首先對參數(shù)進行無量綱化，令

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

下邊討論時以轉(zhuǎn)速w和密封壩區(qū)膜厚ho為變化參數(shù)，從而觀察在小膜厚下轉(zhuǎn)速對密封性能的影響。

圖2 轉(zhuǎn)速對開啟力的影響

圖3 轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

3 轉(zhuǎn)速對密封性能的影響曲線

3.1 轉(zhuǎn)速對開啟力的影響

圖2是開啟力分別在膜厚ho=0.2和ho=0.4時隨不同轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖2可以看出，在同一膜厚下，密封環(huán)開啟力隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。而在同一轉(zhuǎn)速下，膜厚越小，開啟力越大。這是因為在小膜厚的情況下，轉(zhuǎn)速的提高使流體動壓效應(yīng)增強，液膜在波度收斂區(qū)壓力迅速增高，從而使開啟力增大。

3.2 轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

圖3是泄漏量分別在膜厚ho=0.2和ho=0.4時隨不同轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖3可以看出，泄漏量在同一膜厚下，隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，但變化幅度很??；而泄漏量在同一轉(zhuǎn)速下，隨膜厚的增大會有明顯的增大。

4 結(jié)論

通過分析轉(zhuǎn)速對密封環(huán)開啟力和泄漏量的影響，可知密封環(huán)轉(zhuǎn)速對密封端面間的流體動壓效果有很大影響。在相同膜厚下，轉(zhuǎn)速越大，密封動壓效應(yīng)越顯著，而相同轉(zhuǎn)速下，膜厚越小，這種密封效應(yīng)越明顯。因此，在潤滑冷卻條件充分時，可以適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速，以提高密封性能。

［1］Etsion I,Experimental observation of the dynamic behavior of noncontacting coned-face mechanicalseals［J］.ASLETransaction，1971，27（3）：263-273.

［2］Lebeck A O.Principle and Design of Mechanical Face Seal［M］.Wiley：New York，1991：180-185.

［3］楊慧霞，顧永泉.考慮表面錐度、波度和粗糙度的二維機械密封混合摩擦研究［J］.流體機械，1994，32（5）：3-8.

［4］徐漢平，晏衛(wèi)平.計入JFO邊界條件的斜波度機械密封研究［J］.上海大學(xué)學(xué)報，1996，2（3）：308-315.

［5］王曉雪，劉瑩，等.核主泵用動靜壓密封波度機械密封機理［J］.機械工程學(xué)報，2010，46（24）：131-135.

Effectof Rotational Speed on theW ave TypeM echanicalSealProperty

Guo Lei Wang Heshun Duan Yidong
(SchoolofMechanicalEngineering and Automation Xihua University，Chengdu Sichuan 610039)

Taking the wave type mechanical seal as the research object，using the difference method to achieve Reynolds equation discretization，using Matlab software for finite difference equation programing，this paper analyzed the effect of rotational speed on the wave type mechanical seal property.The results showed that:with the same thickness of films，as the speed increased，the seal opening force increased obviously，leakage also increased，but the variation was very small.

mechanical seal；finite differencemethod；rotational speed

TH136

：A

：1003-5168（2015）03-0056-2

2015-2-12

郭磊（1990-），男，碩士研究生，研究方向：機械密封。