郭金強(qiáng) 田斌

摘 要：將核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封作為研究的對(duì)象，其中考慮到密封圈的影響，在高速和高壓情況下，端面熱彈變形很容易影響到其展現(xiàn)出來的密封性能的特點(diǎn)，因此采用有限元法闡述密封環(huán)的熱彈變形，對(duì)其密封性能做出一定的分析。該文核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封在高壓、高速的條件下，高壓會(huì)導(dǎo)致密封端面力變形，而高速環(huán)境中則會(huì)使端面間流體膜因粘性剪切作用，同時(shí)再加上旋轉(zhuǎn)組件的攪拌生熱，在整個(gè)機(jī)械密封的溫度場發(fā)生改變的同時(shí)，密封環(huán)也產(chǎn)生了變形。

關(guān)鍵詞：核主泵 流體靜壓型機(jī)械密封 高壓和高速 機(jī)械密封性能

中圖分類號(hào)：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（a）-0104-01

核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封屬于一種全流體非接觸式的機(jī)械密封，核主泵作為核電站中十分重要的部件，其端面加工有收斂錐度的流體靜壓型機(jī)械密封是核主泵最主要的密封結(jié)構(gòu)之一。在高壓的環(huán)境中，整個(gè)密封端面的熱力耦合變形和流體靜壓潤滑作用對(duì)密封性能有較大的影響?？紤]密封環(huán)組建的非線性接觸作用，建立一個(gè)有限元軸對(duì)稱分析模型，發(fā)現(xiàn)雙錐面比單錐面密封性能更好，并且展示出來的可靠性更高，在此基礎(chǔ)上對(duì)具體的高壓高速環(huán)境下的密封性能進(jìn)行剖析。

1 核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封概述

在整個(gè)的密封層次中，其中的第一級(jí)是三級(jí)密封中最主要的一級(jí)，其采用的是表面開有錐度的流體靜壓型機(jī)械密封，其承受了整個(gè)系統(tǒng)中最主要的壓力。第二級(jí)采用接觸式機(jī)械密封，當(dāng)?shù)谝患?jí)密封失效時(shí)第二級(jí)密封能夠暫時(shí)代替其承受全部壓力，為后續(xù)的檢修爭取更多時(shí)間。第三級(jí)也是接觸式密封[1]。針對(duì)三級(jí)中第一級(jí)的重要性，一般在研究密封性能時(shí)主要以第一級(jí)為主。核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封常用結(jié)構(gòu)由兩種，一種是單收斂型；另一種是雙收斂型。這兩種端面結(jié)構(gòu)中，由于其錐角十分微小，導(dǎo)致了不管是單錐面還是雙錐面只要發(fā)生了微小的變形或者是誤差都會(huì)導(dǎo)致密封性能大大改變。

2 密封環(huán)組件有限元模型

依據(jù)核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封第一級(jí)密封的特點(diǎn)，建立一個(gè)密封靜環(huán)組建的二維軸對(duì)稱模型。在閉合力、重力及液膜開啟力的共同作用下，靜環(huán)組件維持了一個(gè)軸向力的平衡，而這時(shí)候端面間的液膜是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，要想建一個(gè)靜環(huán)組件有限元模型，就需要對(duì)位移約束邊界條件進(jìn)行制定[2]。在靜環(huán)約束邊界條件簡化過程中，整個(gè)靜環(huán)的底邊大范圍的緊密接觸靜環(huán)座的外徑側(cè)位置，在此情況下把靜環(huán)底邊的位移作為靜環(huán)的約束邊界條件。最終的有限元結(jié)果分析，在力載荷以及各個(gè)組件的相互作用之下，靜環(huán)端面呈現(xiàn)出了不同的變形行為。具體表現(xiàn)為靜環(huán)組件在受到力變形的影響時(shí)，其約束情況及支座結(jié)構(gòu)與靜環(huán)組件發(fā)生了偏差，當(dāng)靜環(huán)產(chǎn)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)端面呈現(xiàn)出發(fā)散變形的狀態(tài)，從而減小了密封間隙的收斂程度。

3 高壓和高速下的密封性能分析

當(dāng)核主泵用機(jī)械密封在高壓的環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，密封環(huán)與潤滑膜界面間產(chǎn)生摩擦生成的粘性剪切熱部分由潤滑液膜帶走，部分通過熱傳導(dǎo)向靜環(huán)散失。觀察螺釘力以及轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響，當(dāng)螺釘力發(fā)生變化時(shí)，由于是通過密封環(huán)和夾緊環(huán)支座兩者來固定的密封環(huán)，夾緊環(huán)通過均勻排列的螺釘來連接密封環(huán)支座，因此螺釘力的大小對(duì)密封環(huán)、密封性能有著重要作用。同時(shí)還對(duì)影響密封環(huán)的傾斜角度，對(duì)密封環(huán)端面的變形量產(chǎn)生影響[3]。O型圈是整個(gè)密封結(jié)構(gòu)中十分重要的輔助元件，對(duì)密封的性能也有一定的作用。O型圈槽內(nèi)徑的變化，會(huì)改變靜環(huán)底邊的軸向受力，同時(shí)還會(huì)造成螺釘力發(fā)生改變，影響到了靜環(huán)的彈性變形，從而使密封性能受到影響。

通過端面間流體膜以及動(dòng)、靜環(huán)組成了流體靜壓型機(jī)械密封，其中流體膜在穩(wěn)定狀態(tài)下能夠有效避免動(dòng)、靜環(huán)之間的接觸產(chǎn)生的磨損，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。由于高速、高壓是核主泵密封運(yùn)行工況，由于受到高速粘性剪切作用使流體膜生熱會(huì)引起密封環(huán)的熱變形，同樣密封端面彈性變形在高壓情況下也會(huì)發(fā)生。因此產(chǎn)生的熱彈流效應(yīng)的軸對(duì)稱密封數(shù)學(xué)模型，通過利用有限元來分析流體靜壓機(jī)械密封的密封性能。通過一系列的研究分析，表面壓力引起的彈性變形及溫差引起的熱變形是密封環(huán)的兩種主要變形形式。

圖1比較的是熱彈變形、熱變形以及彈性變形的機(jī)械密封端面的變形。通過圖可以看到，三種變形都顯示出端面收斂型，從而造成端面的靜壓承載力提高。針對(duì)核主泵用流體靜壓型密封，其中高壓引起的端面彈性變形大于溫度升高引起的熱變形。在具體的操作過程中，由于轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦生熱迅速升高，從某種程度而言，雖然動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)有利于散熱，但是散熱的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于端面升高的幅度。當(dāng)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速加快時(shí)，其靜環(huán)端面就會(huì)有越來越大的溫升，溫升增大會(huì)降低流體的粘度，與此同時(shí)，增加了端面熱變形，改變了端面膜厚，致使密封性能受到影響，增大了泄漏量。此外，注入流體壓力也會(huì)影響密封性能[4]。當(dāng)出口壓力保持不變時(shí)，不斷增加注入流體的壓力，靜環(huán)端面的溫度逐漸變小之后開始逐漸增大。壓力不大時(shí)，有很慢的端面的流體徑向流速，此時(shí)占主導(dǎo)的是周向旋轉(zhuǎn)剪切摩擦生熱，且有較高溫升；相反地，逐漸增加壓力，會(huì)增大徑向流速，流體冷卻明顯下降，有較小的溫升。

4 結(jié)語

通過采用有限元法建立一個(gè)靜環(huán)組件有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行簡單分析，將單錐度與雙錐度的端面密封比較，雙錐度端面密封的液膜剛度較高時(shí)其最高溫度值卻較低，在這種明顯的比較之下可以發(fā)現(xiàn)雙錐度端面具有良好的穩(wěn)定性。并且流體靜壓型機(jī)械密封的性能受到了壓力以及動(dòng)環(huán)角速度的影響產(chǎn)生變化，兩者的變化導(dǎo)致泄漏率、熱彈變形量也在發(fā)生改變。

參考文獻(xiàn)

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[2] 孫靜濤，呂曉春，周之入.核電站主泵的主軸、堆焊層和護(hù)環(huán)材料的抗腐蝕性能分析[J].水泵技術(shù)，2012，13（1）：206-207.

[3] 霍鳳偉，郭東明，康仁科.核主泵用流體動(dòng)壓密封環(huán)復(fù)雜形面超精密磨削[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，15（13）：216-217.

[4] 劉偉，彭旭東，白少先.流體靜壓型機(jī)械密封的三維傳熱數(shù)學(xué)模型及端面溫度分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（1）：57-63.