朱曉琳

（內(nèi)蒙古廣播電視大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

在石油石化行業(yè)中，煉油廠中諸多裝置的工作介質(zhì)溫度較高，因此，會用到泵組操作溫度在200℃～400℃的高溫油泵，這類油泵一旦發(fā)生泄漏，極易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此，高溫泵用密封的安全性非常重要。相比接觸式機械密封，螺旋槽非接觸式液膜密封是在高溫泵中應(yīng)用較為廣泛、且安全系數(shù)較高的密封形式之一。高溫泵用螺旋槽液膜密封的工作原理圖如圖1所示，由于內(nèi)外徑溫差較大，潤滑油黏度會隨溫度的變化而發(fā)生變化，從而對密封性能的數(shù)值分析產(chǎn)生較大影響，本文以螺旋槽非接觸式液膜密封為研究對象，采用FLUENT仿真分析軟件，對高溫泵用液膜密封的黏溫特性進行數(shù)值研究。

圖1 螺旋槽液膜密封結(jié)構(gòu)圖

1 建模及條件參數(shù)設(shè)置

1.1 潤滑油黏溫方程

液壓潤滑油的黏度對溫度變化十分敏感，表現(xiàn)為溫度升高時，黏度降低。黏度隨溫度變化的程度與標(biāo)準(zhǔn)油黏度隨溫度變化的程度的比值稱為黏度指數(shù)。黏度指數(shù)越高，表示潤滑油受溫度影響越小，其黏溫性能越好。本文選擇Slotte方程（式1）對潤滑油的黏溫特性進行擬合計算。

其中，a、b、c為與油液有關(guān)的常數(shù)。

本文選擇32號液壓油作為潤滑油，通過圖表可查得其黏度隨溫度變化的實驗測定數(shù)值，將其帶入公式，可以得到潤滑油的黏溫方程為：

1.2 幾何建模及條件參數(shù)

選取動環(huán)、液膜和靜環(huán)作為研究對象，靜環(huán)開槽，按照線、面、體的順序進行分塊網(wǎng)格劃分。最終生成的網(wǎng)格單元數(shù)為122744，網(wǎng)格最大傾斜率沒有超過0.9，99.69%的網(wǎng)格傾斜率都在0.4以下，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

動環(huán)材料采用硬度較小的浸漬銻碳石墨，開槽的靜環(huán)采用硬度較大的鎢鋼作為材料，封液采用溫度為373K的液壓油，其黏度為η=0.00387Pa·s。熱邊界條件設(shè)置如表1所示，動靜環(huán)內(nèi)外徑的對流傳熱系數(shù)參考相關(guān)文獻計算結(jié)果。

表1 螺旋槽液膜密封的熱邊界條件

2 液膜密封的壓力場和溫度場

圖2是在不考慮黏溫效應(yīng)的情況下得到的液膜壓力分布，黏度釆用入口油液的黏度值來進行計算，算得槽尖處最高壓力為42.5MPa，而且最低壓力出現(xiàn)了負(fù)值，負(fù)壓區(qū)域如圖（b）中圓圈內(nèi)所示，這是因為發(fā)生了空化。對于螺旋槽密封，空化的產(chǎn)生也是形成端面開啟力的必要條件，但是，空化容易產(chǎn)生空化減阻和空蝕，因此，應(yīng)該盡量避免。

圖2 定黏度液膜的壓力分布

同時，得到液膜溫度場如圖3所示，油液在泵入到密封端面后，溫度會迅速升高，液膜溫度場變化較大，黏度會隨著溫度的升高而下降，因此，釆用入口處的黏度值來計算是非常不準(zhǔn)確的，綜上考慮，為了提高對高溫泵液膜密封黏溫效應(yīng)分析的準(zhǔn)確度，本文對定黏度的計算采用的是密封面的平均溫度下的黏度來進行計算的。

圖3 液膜的溫度分布

圖4液膜的溫度分布可以看出，液膜與靜環(huán)接觸面溫差變化相對較大，液膜端面入口處溫度變化較大，但是，中間溫度較為均勻，計算得出出入口的平均溫度近似為467K，查得該溫度下的油液黏度為8.09×10-4Pa·s，用此黏度計算得到的液膜壓力分布如圖4(a)所示，槽尖處的最高壓力為9.19MPa。圖4（b）為代入液膜黏溫公式得到的壓力分布圖，計算結(jié)果顯示，槽尖處壓力峰值僅為2.67MPa?？梢钥闯?，兩種情況下得到的壓力峰值相差三倍之多，所以，對于高溫油泵來說，液膜黏溫效應(yīng)是必須要考慮的分析計算因素。

圖4 液膜的壓力分布圖

3 操作參數(shù)對密封性能的影響

3.1 轉(zhuǎn)速對密封性能的影響

軸的轉(zhuǎn)速對密封性能的影響，主要體現(xiàn)在對液膜的開啟力和泄漏量的影響。由圖5 (a)可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，液膜開啟力都是呈線性增大的趨勢，考慮黏溫效應(yīng)時的開啟力位于定黏度開啟力的下方，數(shù)值偏小，且考慮黏溫效應(yīng)時的開啟力變化速度偏小；從圖5（b）可以看出，考慮黏溫效應(yīng)時的泄漏量大于定黏度時的泄漏量，而且考慮黏溫效應(yīng)的泄漏量變化斜率更大，即隨轉(zhuǎn)速增大而增加的更快。這是因為液膜的溫度隨轉(zhuǎn)速變化較大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，油液溫度升高，考慮黏溫效應(yīng)時黏度會發(fā)生下降，因此，動壓效應(yīng)減弱，計算得出的開啟力會偏小、泄漏量會偏大。

圖5 開啟力和泄漏量隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖6為摩擦功耗隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，端面摩擦功耗是隨著轉(zhuǎn)速的增大成拋物線增加的，低轉(zhuǎn)速時功耗變化相對較小，轉(zhuǎn)速越大，摩擦功耗增加的越快；相比于定黏度的摩擦功耗，考慮黏溫效應(yīng)的摩擦功耗計算值明顯偏小，而且變化趨勢較為平緩，這是因為摩擦轉(zhuǎn)矩由壓力轉(zhuǎn)矩和黏性轉(zhuǎn)矩組成，考慮黏溫效應(yīng)時，黏度沿半徑增大的方向減小，因此，摩擦功耗也會變小。

圖6 摩擦功耗隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

3.2 內(nèi)外徑壓力比對密封性能的影響

對于內(nèi)徑開槽的螺旋槽非接觸式液膜密封，外側(cè)密封介質(zhì)壓力一般是不發(fā)生變化的，內(nèi)徑處壓力是封液潤滑油的壓力，內(nèi)、外徑壓力比pi/po的值就能夠反映封液的壓力變化。

如圖7（a）所示，隨著內(nèi)外徑壓力比的增加，液膜開啟力成線性增大的趨勢，考慮黏溫效應(yīng)時的計算結(jié)果要遠遠大于定黏度的計算結(jié)果，二者的變化速度基本一致；圖7（b）可以看出，隨著內(nèi)外徑壓力比的增大，考慮黏溫效應(yīng)時的泄漏量遠大于定黏度時的泄漏量，而且二者的差距愈發(fā)顯著，考慮黏溫效應(yīng)的泄漏量增大速度遠遠大于定黏度時計算的泄漏量，這是因為隨著入口壓力的增加，泵送量也會相應(yīng)增大，泄漏量會變大，而考慮黏溫效應(yīng)時，黏度沿著半徑方向呈減小趨勢，動壓效應(yīng)減弱，從而使泄漏量增大的更快。

圖7 密封性能參數(shù)隨內(nèi)外徑壓力比變化規(guī)律

從圖8可以看出，內(nèi)外徑壓力比的增大對摩擦功耗的變化幾乎沒有影響，但是考慮黏溫效應(yīng)時算得的摩擦功耗遠遠小于定黏度時的計算結(jié)果，這是因為考慮黏溫效應(yīng)時的黏度會沿半徑方向減小，摩擦功耗相應(yīng)地也會變小。綜上分析，對于液膜密封來說，不考慮液膜的黏溫效應(yīng)會嚴(yán)重影響其性能研究以及相關(guān)參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

（1）對于高溫泵用液膜密封，其入口黏度不能夠作為計算條件，因為內(nèi)外徑溫差大，會為計算帶來較大誤差，因此，需要采用平均溫度下的黏度作為計算條件，與變黏度得到的結(jié)果進行分析對比。

圖8 摩擦功耗隨內(nèi)外徑壓力比變化規(guī)律

（2）對于高溫泵用液膜密封，考慮黏溫效應(yīng)時得到的液膜開啟力和摩擦功耗都偏低、泄漏量偏高，而且偏差較大，這是因為油液黏度隨著溫度的升高而減小，尤其隨著轉(zhuǎn)速和內(nèi)外徑壓力比的增大，黏度降低效應(yīng)愈發(fā)明顯，動壓效應(yīng)減弱。

（3）對于高溫泵用液膜密封，密封環(huán)內(nèi)、外徑溫差較大，溫度變化梯度大，黏溫效應(yīng)影響顯著，因此，黏溫效應(yīng)會對其性能的分析計算產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，此結(jié)果可為高溫泵液膜密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相關(guān)參考。