丁武仁，謝景偉，袁俊馬

(1 中石油吉林石化公司合成樹脂廠，吉林 吉林 132000；2 中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

高溫油泵作為石油煉化裝置中的重要組成部分，分布于工藝流程中的各個(gè)裝置，但高溫油泵機(jī)械密封工作環(huán)境惡劣，易出現(xiàn)彈性元件失彈，工藝介質(zhì)結(jié)焦及密封端面變形甚至熱裂等問題。螺旋槽液膜密封為非接觸式機(jī)械密封，密封端面非接觸運(yùn)行，摩擦產(chǎn)熱少，端面間液體起到良好的沖洗、冷卻、潤(rùn)滑、介質(zhì)替代等作用，有利于延長(zhǎng)機(jī)械密封壽命，提高密封性能[1-2]。

近年來，眾多學(xué)者針對(duì)機(jī)械密封的溫度場(chǎng)進(jìn)行大量研究?？紤]傳導(dǎo)熱、端面摩擦熱及密封腔與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱，分別研究了密封環(huán)在層流和湍流狀態(tài)下沖洗液體對(duì)密封環(huán)溫度的影響規(guī)律[3-8]。Zhang[9]提出了適用于混合潤(rùn)滑軸承的非牛頓THD理論，研究了冪律指數(shù)對(duì)潤(rùn)滑性能及溫度場(chǎng)的影響。Bukovnik[10-11]建立了考慮溫度和流體非牛頓特性的TEHD模型，研究了剪切速率對(duì)軸承動(dòng)力潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律。Sharma以止推軸承為研究對(duì)象，結(jié)合冪律模型，研究表面織構(gòu)微造型對(duì)止推軸承潤(rùn)滑性能及溫度場(chǎng)的影響[12-13]。建立了混合潤(rùn)滑EHD模型，基于冪律模型和JFO邊界條件，研究了流體非牛頓特性對(duì)斯特封密封性能影響規(guī)律[14-16]。

越來越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到流體非牛頓特性對(duì)液體潤(rùn)滑性能的影響，本文以中石油吉林石化公司合成樹脂場(chǎng)某高溫油泵用螺旋槽液膜密封為研究對(duì)象，建立新型雙端面液膜密封整體全尺寸三維模型，基于熱流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論和描述流體非牛頓特性的冪律模型，分析冪律指數(shù)對(duì)螺旋槽液膜密封溫度場(chǎng)影響規(guī)律，研究操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封環(huán)溫度場(chǎng)影響規(guī)律，為高溫油泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 物理模型

所研究的主密封為上游泵送螺旋槽液膜密封，副密封為接觸式機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)環(huán)材料為碳化硅，靜環(huán)材料為浸銻石墨，物性參數(shù)如表1所示；雙端面機(jī)械密封的端面結(jié)構(gòu)尺寸和工況參數(shù)如表2所示，高溫油泵入口壓力為1.0 MPa，為防止高溫介質(zhì)進(jìn)入到主密封腔體，影響密封環(huán)工作環(huán)境，因此確定沖洗液的壓力為1.1 MPa。

圖1 雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Dual mechanical seal structure

表1 介質(zhì)及物性參數(shù)Table 1 Material parameters of sealing medium

表2 密封環(huán)材料及其物性參數(shù)Table 2 Material parameters of sealing rings

2 數(shù)值求解

2.1 控制方程

(1)連續(xù)性方程的微分形式為：

(1)

式中，ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s。

(2)粘性流體的運(yùn)動(dòng)方程的微分形式為：

(2)

針對(duì)流體的非牛頓特性，冪律模型參數(shù)少、適用范圍廣，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，因此冪律模型表示流體的非牛頓特性，如式所示：

(3)

式中：m為稠度指數(shù)，Pa·s；n為冪律指數(shù)。

在描述潤(rùn)滑油的粘溫關(guān)系中，Vogel方程較為準(zhǔn)確，借助流變儀測(cè)量潤(rùn)滑油粘度隨溫度的變化關(guān)系，并通過UDF語言，加入到模擬計(jì)算中。

(4)

(3)液體區(qū)域能量方程：

方程右邊前三項(xiàng)分別描述了熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散和粘性耗散帶來的能量。

(5)

(4)固體區(qū)域能量方程：

(6)

(5)泰勒數(shù)Ta：

(7)

式中：η為腔體內(nèi)徑與動(dòng)環(huán)外徑之比；d為腔體內(nèi)徑與動(dòng)環(huán)外徑間隙，m；Ω為動(dòng)環(huán)角速度，rad/s；ν為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

2.2 數(shù)值求解

將與雙端面機(jī)械密封配合的泵體和轉(zhuǎn)軸一并建模，減少人工邊界條件設(shè)置，直接設(shè)置耦合面。

3 結(jié)果與討論

3.1 整體溫度場(chǎng)

圖2 新型雙端面機(jī)械密封溫度云圖Fig.2 New dual mechanical seal temperature field

圖2為雙端面機(jī)械密封溫度場(chǎng)云圖，主密封為上游泵送螺旋槽液膜密封，副密封為接觸式機(jī)械密封，考慮了泵體及主軸的傳導(dǎo)熱、端面摩擦熱和密封腔液體的攪拌熱，副密封端面為最高溫度，泵體和腔體的左側(cè)溫度次之，再次是主密封環(huán)端面溫度。主密封為非接觸運(yùn)行，內(nèi)外徑壓差小于副密封，導(dǎo)致端面摩擦扭矩較小，密封環(huán)溫度較低。動(dòng)環(huán)采用碳化硅材料，靜環(huán)采用浸銻石墨材料，動(dòng)環(huán)溫度低于靜環(huán)溫度，動(dòng)環(huán)的導(dǎo)熱系數(shù)大于靜環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)，通過沖洗液體的冷卻，動(dòng)環(huán)的熱量更多的通過液體傳遞出去。

3.2 非牛頓特性對(duì)溫度場(chǎng)影響

圖3為單周期密封環(huán)端面溫度沿周向角度的變化情況，隨著冪律指數(shù)變大，密封端面溫度逐漸升高，且溫度梯度逐漸增大，考慮粘溫關(guān)系時(shí)，端面溫度介于n=0.94和n=0.96之間，當(dāng)n<1時(shí)，密封端面溫度相對(duì)較低，當(dāng)n>1時(shí)，密封端面溫度較高，且隨冪律指數(shù)變化更加明顯；當(dāng)冪律指數(shù)不變時(shí)，不同周向角度的密封端面溫度基本保持恒定，在低冪律指數(shù)時(shí)，密封端面隨冪律指數(shù)變化較小，在高冪律指數(shù)時(shí)，密封端面隨冪律指數(shù)變化更明顯，隨著半徑的增大，密封端面溫度逐漸升高。

圖3 r=55.8 mm處，密封端面周向溫度分布Fig.3 Circumferential temperature distribution of sealing face

圖4為冪律指數(shù)和粘溫關(guān)系對(duì)密封端面溫度的影響。隨著半徑的變大，密封端面溫度逐漸升高，由于密封端面外徑壓力高于內(nèi)徑壓力，端面摩擦生熱量大，螺旋槽的泵送效果將內(nèi)徑液體泵送至外徑，導(dǎo)致外徑溫度升高；冪律指數(shù)變大，密封端面溫度逐漸升高，冪律指數(shù)越大密封端面溫度與冪律指數(shù)的相關(guān)性越大，液體的表觀粘度增大，摩擦生熱量變大。

圖4 θ=1.33 rad處，密封端面徑向溫度分布Fig.4 Radial temperature distribution of sealing face at θ=1.33 rad

3.3 操作參數(shù)的影響

如圖5(a)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著冪律指數(shù)變大，動(dòng)環(huán)最高溫度逐漸升高，轉(zhuǎn)速越大，冪律指數(shù)對(duì)動(dòng)環(huán)最高溫度影響越大，不同轉(zhuǎn)速下，動(dòng)環(huán)最高溫度分別增長(zhǎng)約5.9%，7.9%，9.8%，12.3%，13.6%，15.5%；當(dāng)冪律指數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，動(dòng)環(huán)最高溫度升高，冪律指數(shù)越大，轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)環(huán)最高溫度影響越明顯；如圖5(b)所示，靜環(huán)最高溫度隨冪律指數(shù)和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與動(dòng)環(huán)相似，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著冪律指數(shù)的變大，靜環(huán)最高溫度逐漸增大；當(dāng)冪律指數(shù)一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速升高，靜環(huán)最高溫度逐漸升高。冪律指數(shù)越大，液體的表觀粘度越大，轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的粘性剪切產(chǎn)熱增大，密封環(huán)溫度越高，轉(zhuǎn)速對(duì)密封環(huán)最高溫度影響越大。

圖5 轉(zhuǎn)速-冪律指數(shù)-密封環(huán)最高溫度Fig.5 Speed-power-law index-maximum temperature of the sealing ring

圖6 緩沖液壓力-冪律指數(shù)-密封環(huán)最高溫度Fig.6 Buffer pressure-power law index-maximum temperature of the sealing ring

如圖6(a)所示，當(dāng)緩沖液壓力一定時(shí)，動(dòng)環(huán)最高溫度隨冪律指數(shù)的變大逐漸升高，且增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸明顯，冪律指數(shù)變大，液體的表觀粘度變大，密封端面摩擦生熱量增多，導(dǎo)致密封環(huán)溫度升高，當(dāng)冪律指數(shù)一定時(shí)，緩沖液壓力對(duì)動(dòng)環(huán)最高溫度基本無影響，冪律指數(shù)越大，對(duì)動(dòng)環(huán)最高溫度影響越??；如圖6(b)所示，靜環(huán)最高溫度隨緩沖液壓力和冪律指數(shù)的變化規(guī)律與動(dòng)環(huán)最高溫度相似，冪律指數(shù)變大，靜環(huán)最高溫度升高，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變大，緩沖液壓力對(duì)靜環(huán)最高溫度基本無影響，冪律指數(shù)越大，緩沖液壓力對(duì)靜環(huán)最高溫度影響越小。

3.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

如圖7(a)所示，當(dāng)槽角一定時(shí)，動(dòng)環(huán)最高溫度隨冪律指數(shù)的變大逐漸變大，增長(zhǎng)幅值約為50 K，冪律指數(shù)變大，液體的表觀粘度變大，密封端面間摩擦生熱量變大，導(dǎo)致密封環(huán)溫度升高，當(dāng)冪律指數(shù)一定時(shí)，隨著槽角的變大，動(dòng)環(huán)最高溫度呈上升趨勢(shì)，冪律指數(shù)越大，槽角對(duì)動(dòng)環(huán)最高溫度的影響越大。如圖7(b)所示，靜環(huán)最高溫度隨槽角和冪律指數(shù)的變化規(guī)律與動(dòng)環(huán)最高溫度相似。

圖7 槽角-冪律指數(shù)-密封環(huán)最高溫度Fig.7 Groove angle-power law index-maximum temperature of the sealing ring

4 結(jié) 論

(1)副密封端面溫度最高，泵體和腔體左側(cè)溫度次之，主密封端面溫度最低，主密封的靜環(huán)溫度高于動(dòng)環(huán)溫度。

(2)當(dāng)冪律指數(shù)變大時(shí)，密封端面溫度升高，溫度梯度逐漸增大，密封端面溫度與冪律指數(shù)的相關(guān)性變大，密封端面溫度隨半徑的變大逐漸升高。

(3)當(dāng)冪律指數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，密封環(huán)溫度升高，冪律指數(shù)越大，轉(zhuǎn)速對(duì)密封環(huán)溫度影響越大；當(dāng)冪律指數(shù)一定時(shí)，緩沖液壓力對(duì)密封環(huán)溫度基本無影響，冪律指數(shù)越大，緩沖液壓力對(duì)密封環(huán)溫度影響越小。

(4)槽角變大，槽深加深，槽數(shù)增多，均導(dǎo)致密封環(huán)溫度升高，冪律指數(shù)越大，各因素對(duì)密封環(huán)溫度影響越大。