郝木明，韓 婕，王赟磊，徐魯帥

（中國石油大學(xué)（華東）密封技術(shù)研究所，山東 青島 266555）

1 引言

目前，石油化工行業(yè)對機(jī)械密封的使用要求越來越高，對機(jī)械密封的性能提出了更高要求。由于使用工況更加苛刻，加劇了機(jī)械密封端面的磨損，降低了機(jī)械密封的使用壽命和安全性，因此需要提高機(jī)械密封的潤滑性能。端面微造型機(jī)械密封通過激光技術(shù)改變端面形態(tài)達(dá)到減小端面間摩擦的效果，從而提高密封的潤滑特性。端面微造型機(jī)械密封已在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)[1-2]利用解析法研究了微造型端面的密封性能，并得到了動(dòng)壓系數(shù)、壓力分布和泄漏率；隨后[3-4]又建立了半球型微孔和圓柱型微孔的端面機(jī)械密封幾何模型，求解了液膜的壓力分布及開啟力等性能參數(shù)，并分析了動(dòng)靜壓效應(yīng)與微孔效應(yīng)之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[5-6]對LST-MS的磨損性能進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)低于傳統(tǒng)機(jī)械密封；文獻(xiàn)[7-8]探究了孔型排列方式、工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等對端面密封性能的影響規(guī)律。研究者大都研究徑向排列的微造型槽，鑒于螺旋槽液膜密封[9-10]具有承載能力好，泄漏量低等特點(diǎn)，基于流體質(zhì)量守恒模型，以沿螺旋線方向排列的端面微造型機(jī)械密封流體膜為研究對象建立了物理模型?？紤]了幾何參數(shù)和工況參數(shù)對端面間液膜潤滑性能的影響，進(jìn)而分析了參數(shù)對密封性能的影響規(guī)律，為后續(xù)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供理論參考。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 幾何模型

圖1 端面微造型機(jī)械密封液膜模型Fig.1 Micro-Texture Mechanical Seal Liquid Film Model

機(jī)械密封端面微造型液膜的幾何示意圖，如圖1所示。圓柱形微造型沿螺旋線方向分布。選取沿螺旋線方向排列的一列微造型為單周期液膜模型進(jìn)行研究。

選取水為模擬介質(zhì)，具體密封端面幾何參數(shù)，如表1所示。

表1 密封端面幾何參數(shù)Tab.1 Geometry Parameters of Seal Face

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

由于所建立的微造型液膜模型在厚度方向是微米數(shù)量級，無法對網(wǎng)格進(jìn)行直接劃分，因此，采用了將槽區(qū)與非槽區(qū)分區(qū)畫網(wǎng)格的方法以保證網(wǎng)格的精度。由于微造型液膜長寬尺寸為毫米級，而液膜厚度、微造型深度屬于微米級，故涉及跨尺度網(wǎng)格劃分問題。對此，采用統(tǒng)一網(wǎng)格劃分加局部網(wǎng)格加密的方法。將微造型密封環(huán)的內(nèi)徑、外徑分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口邊界條件，將計(jì)算域的左、右堰區(qū)的豎直面定義為周期邊界條件；靜環(huán)為靜止元件，將靜環(huán)表面設(shè)置為靜止；動(dòng)環(huán)為旋轉(zhuǎn)元件，將旋轉(zhuǎn)速度賦給動(dòng)環(huán)表面；其它邊界默認(rèn)為壁面邊界條件。

2.3 控制方程

為了便于計(jì)算，忽略一些對研究重點(diǎn)影響較小的因素，作如下基本假設(shè)：（1）密封介質(zhì)為粘性不可壓縮流體；（2）不計(jì)重力；（3）密封表面無相對滑動(dòng)；（4）密封表面為剛性端面；（5）潤滑層的熱狀態(tài)為等溫狀態(tài)；（6）介質(zhì)的流動(dòng)過程為穩(wěn)態(tài)。采用連續(xù)性方程描述流動(dòng)過程中流體質(zhì)量的性質(zhì)[11]，直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程表示為：

式中：u、v、w—速度；ρ—流體密度。

2.4 性能參數(shù)

2.4.1 開啟力

密封端面開啟力是指作用在密封端面上液膜壓力的總和，對端面液膜壓力場積分得：

式中：Ω—整個(gè)計(jì)算域；p—液膜壓力；r—徑向坐標(biāo)。

2.4.2 泄漏量

泄漏量作為決定密封性能的重要參數(shù)，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：h—膜厚。

2.4.3 摩擦扭矩

為了計(jì)算相應(yīng)的摩擦扭矩，必須先求得端面上對應(yīng)的摩擦力。將該摩擦近似認(rèn)為純流體摩擦，摩擦力通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：τ—液膜剪應(yīng)力；d A—面積微元。

忽略壓力梯度影響，由牛頓粘性剪切定律得：

式中：U—切向線速度；μ—液體的動(dòng)力粘度。

端面的摩擦扭矩可近似為：

3 模擬結(jié)果與討論

機(jī)械密封端面微造型液膜壓力分布云圖，如圖2所示。當(dāng)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高壓側(cè)的流體泵入槽區(qū)，由于動(dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)表面形成流體膜，在切向剪切力的作用下流體在槽區(qū)內(nèi)流動(dòng)，由于每一個(gè)微造型孔都相當(dāng)于一個(gè)微動(dòng)力滑動(dòng)軸承[12]，會(huì)在微造型上方及其周邊產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，即形成流體動(dòng)壓效應(yīng)。在槽區(qū)和非槽區(qū)的收斂區(qū)域形成壓力最高點(diǎn)，在槽區(qū)和非槽區(qū)的發(fā)散區(qū)壓力迅速下降，形成壓力最低點(diǎn)。

圖2 單周期液膜壓力云圖Fig.2 Single Period Liquid Film Pressure Distribution

3.1 槽深對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)半徑、非槽區(qū)深度以及螺旋角不變時(shí)，轉(zhuǎn)速不同時(shí)端面微造型機(jī)械密封的密封性能參數(shù)隨槽區(qū)深度的變化曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，隨著槽區(qū)深度的增加，開啟力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，rp＜2.5mm時(shí)，開啟力隨著槽區(qū)深度的增加而增加，當(dāng)rp＞2.5mm時(shí)，流體動(dòng)壓效應(yīng)增加的趨勢小于槽區(qū)內(nèi)流體靜壓的增加趨勢，因此開啟力減??；同樣研究了轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響，隨著槽區(qū)深度的增加，泄漏量呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢。壓差不同時(shí)端面微造型機(jī)械密封的密封性能參數(shù)隨槽區(qū)深度的變化規(guī)律是：隨著槽區(qū)深度的增加，在改變壓差時(shí)泄漏量緩慢增加；隨著槽區(qū)深度的改變，開啟力在壓差改變的情況下隨著槽區(qū)深度的增加逐漸增加；同時(shí)，由結(jié)果可知，當(dāng)槽區(qū)半徑固定不變時(shí)，隨著壓差和轉(zhuǎn)速的增加，泄漏量和開啟力呈現(xiàn)增加趨勢。

圖3 槽區(qū)深度-開啟力關(guān)系圖Fig.3 Relationship of Groove Depth and Opening Force

3.2 槽區(qū)半徑對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)深度、非槽區(qū)深度以及螺旋角不變時(shí)，轉(zhuǎn)速不同時(shí)端面微造型機(jī)械密封的密封性能參數(shù)隨槽區(qū)半徑的變化曲線，如圖4所示。由4圖可知，轉(zhuǎn)速固定不變時(shí)，隨著槽區(qū)半徑的增加泄漏量和開啟力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；開啟力逐漸變小是由于當(dāng)槽區(qū)半徑增加時(shí)，微造型之間的排列過于緊密，兩個(gè)微造型之間的距離過小導(dǎo)致流體在槽階梯收斂區(qū)還未充分增壓就進(jìn)入發(fā)散區(qū)開始降壓，因此動(dòng)壓效應(yīng)減弱，開啟力減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于3000r/min時(shí)，隨著槽區(qū)半徑的增加，泄漏量的減小趨勢緩慢，而轉(zhuǎn)速大于3000r/min時(shí)，泄漏量的減小趨勢逐漸變大；固定槽區(qū)半徑增加轉(zhuǎn)速，開啟力逐漸增大。轉(zhuǎn)速、槽區(qū)半徑一定壓差不同時(shí)，隨著壓差的增加，泄漏量和開啟力隨之增加。

圖4 槽區(qū)半徑-泄漏量關(guān)系圖Fig.4 Relationship of Groove Radius and Leakage

3.3 非槽區(qū)深對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)深度、槽區(qū)半徑以及螺旋角不變時(shí)，壓差和轉(zhuǎn)速不同時(shí)端面微造型機(jī)械密封的密封性能參數(shù)隨非槽區(qū)深度的變化曲線，如圖5所示。由圖5（a）可知，當(dāng)壓差＜0.2MPa時(shí)，隨著槽區(qū)深度的增加，泄漏量的增加趨勢緩慢，當(dāng)壓差＞0.2MPa時(shí)，泄漏量的增加趨勢變大，當(dāng)非槽區(qū)深度不變時(shí)，隨著壓差的增加泄漏量逐漸增加；由圖5（b）可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，泄漏量先逐漸增加，當(dāng)非槽區(qū)深度＞6μm時(shí)，增加趨勢變緩慢；壓差或非槽區(qū)深度中的任何一項(xiàng)增加，開啟力會(huì)隨著增加；隨著非槽區(qū)深度的增加開啟力增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4000r/min時(shí)開啟力增加趨勢變大。

圖5 非槽區(qū)深度-開啟力-泄漏量關(guān)系圖Fig.5 Relationship of Non-Groove Radius，Opening Force and Leakage

3.4 螺旋角對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)深度、槽區(qū)半徑以及非槽區(qū)深度不變時(shí)，轉(zhuǎn)速不同時(shí)端面微造型機(jī)械密封的密封性能參數(shù)隨微造型排列螺旋角的變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨著微造型所在螺旋線角度的變化，泄漏量和開啟力會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，由圖6（a）可知，在壓差不變時(shí)，隨著螺旋角的增加泄漏量逐漸減??；在壓差變化的情況下，隨著角度的增大，開啟力雖然減小，但是減小趨勢緩慢；由圖6（b）可看出，在轉(zhuǎn)速變化的情況下，隨著角度的增大，開啟力先逐漸減小，且當(dāng)螺旋角為27°時(shí)開啟力有最小值，后續(xù)隨著角度增加開啟力又呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖6 螺旋角-開啟力-泄漏量關(guān)系圖Fig.6 Relationship of Spiral Angle，Opening Force and Leakage

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/h3>

圖7 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀Fig.7 Tachometer Torquemeter

機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面間的摩擦扭矩影響著密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的端面磨損情況及摩擦熱等性能參數(shù)，對機(jī)械密封的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)有重要的影響。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀對端面微造型機(jī)械密封的摩擦扭矩進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，如圖7所示。并與模擬值進(jìn)行了對比，采用的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.8 Experimental Device Figure

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

壓差和轉(zhuǎn)速對摩擦扭矩的影響，如圖9所示。由圖9（a）和圖9（b）可知，隨著壓差或轉(zhuǎn)速的增加，端面微造型機(jī)械密封的摩擦扭矩逐漸增大，且在理論研究中，隨著壓差和轉(zhuǎn)速的增加摩擦扭矩的增長率小于實(shí)驗(yàn)研究中摩擦扭矩的增長率，這是由于實(shí)際工況中，密封副表面的粗糙度不可忽略。

圖9 壓差-轉(zhuǎn)速-摩擦扭矩關(guān)系圖Fig.9 Relationship of Pressure Differentials，Rotation Rate and Friction Torque

5 結(jié)論

（1）槽區(qū)深度、槽區(qū)半徑、非槽區(qū)深度以及螺旋角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對端面微造型機(jī)械密封的開啟力、泄漏量有影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)存在最佳值，并未考慮，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究；轉(zhuǎn)速、壓差對端面微造型機(jī)械密封的開啟力、泄漏量的影響也不能忽略，在使用中應(yīng)選擇合理的操作參數(shù)；（2）實(shí)驗(yàn)所得摩擦扭矩變化規(guī)律與模擬所得摩擦扭矩變化規(guī)律基本吻合，但由于摩擦副的粗糙度等實(shí)際中不可忽略因素的存在，實(shí)驗(yàn)值大于模擬值。