潘國(guó)軍，吳鑫燚，羅顯文，連加俤*，許靜

(1. 浙江開放大學(xué)教學(xué)中心， 浙江 杭州 310018； 2. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 3. 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

油氣混輸泵在油氣開采和輸運(yùn)過程中具有廣泛的應(yīng)用[1]，其輸送的流體介質(zhì)通常具有易燃易爆、有毒有害的特性，泄漏的被密封介質(zhì)不僅會(huì)污染環(huán)境，而且還存在重大的安全隱患，因此對(duì)泄漏需嚴(yán)格控制.另外，油氣混輸泵輸送流體相態(tài)復(fù)雜，可能是純氣態(tài)、純液態(tài)或氣液混相狀態(tài)，密封界面潤(rùn)滑狀態(tài)復(fù)雜多變.這就使得油氣混輸泵的密封問題成為該技術(shù)領(lǐng)域的難點(diǎn)問題.目前油氣混輸泵軸端密封普遍采用機(jī)械密封.采用接觸式的機(jī)械密封初期可較好地控制泄漏，但使用壽命不長(zhǎng)，且端面磨損嚴(yán)重后泄漏率也會(huì)顯著增大.采用非接觸式的機(jī)械密封，雖端面磨損小，但泄漏難以管控.因此如何保證油氣混輸泵軸端密封在復(fù)雜潤(rùn)滑環(huán)境和嚴(yán)苛密封性要求的條件下能長(zhǎng)壽命穩(wěn)定運(yùn)行是研究的關(guān)鍵.

上游泵送螺旋槽機(jī)械密封作為一種新型的非接觸式機(jī)械密封，由于其具有泄漏小或可實(shí)現(xiàn)零泄漏、低磨損、長(zhǎng)壽命、便于維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)[2-3]，已在油氣混輸泵的軸端密封中獲得一定的推廣應(yīng)用，雖相較于原使用的非接觸式機(jī)械密封在泄漏控制上有一定改善，但仍存在穩(wěn)定性不佳、端面易磨損等問題，因此還有待深入研究.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上游泵送螺旋槽機(jī)械密封開展了大量的研究，在理論研究方面[4-9]，以液體潤(rùn)滑或氣體潤(rùn)滑上游泵送螺旋槽機(jī)械密封為對(duì)象系統(tǒng)研究了工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體膜剛度、泄漏率、密封環(huán)熱變形等穩(wěn)態(tài)性能的影響；而在試驗(yàn)研究方面[10-12]，則重點(diǎn)通過監(jiān)測(cè)密封泄漏率來開展上游泵送螺旋槽機(jī)械密封與接觸式機(jī)械密封或其他上游泵送型槽機(jī)械密封的性能對(duì)比研究.

有關(guān)上游泵送螺旋槽機(jī)械密封的穩(wěn)態(tài)性能研究成果雖然已經(jīng)十分豐富，但大多是在理想的平行端面間隙條件下開展，與實(shí)際情況存在較大誤差.故文中考慮密封環(huán)加工或安裝誤差所引起的密封環(huán)相對(duì)偏斜，在不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角條件下開展密封的穩(wěn)態(tài)性能研究，以期掌握密封環(huán)的相對(duì)偏斜對(duì)密封性能的影響規(guī)律和作用機(jī)制.另外，油氣混輸泵在自吸階段需進(jìn)行純氣體輸送，在流體輸運(yùn)階段也時(shí)常存在純氣體輸送的情況，而密封設(shè)計(jì)者又往往會(huì)忽視此情況下密封結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，密封在純氣輸送時(shí)常因閉合力過大或開啟力過小而發(fā)生干摩擦導(dǎo)致端面型槽快速損毀，最終造成密封失效.因此文中重點(diǎn)針對(duì)油氣混輸泵純氣體輸送情況，探討操作參數(shù)對(duì)上游泵送螺旋槽機(jī)械密封穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律.隨后以獲得低泄漏率、高開啟力和較大的氣膜剛度為目標(biāo)，獲得上游泵送螺旋槽機(jī)械密封的螺旋角、槽壩比和槽深等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選值范圍，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程選型提供參考.

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

端面密封的主密封副是由配對(duì)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)形成，動(dòng)、靜環(huán)依靠彈性元件推力使端面貼合從而起到密封的作用.在動(dòng)環(huán)或靜環(huán)密封端面開槽，當(dāng)動(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體被泵入槽中并在槽根處擠壓形成流體動(dòng)壓力，在介質(zhì)壓力推動(dòng)下，流體流經(jīng)密封端面時(shí)對(duì)密封端面也產(chǎn)生了一定的流體靜壓力，在動(dòng)、靜壓效應(yīng)的共同作用下，并在一定的力平衡設(shè)計(jì)條件下密封端面將開啟從而實(shí)現(xiàn)非接觸.油氣混輸泵密封端面開設(shè)的上游泵送螺旋槽如圖1a所示，圖中ri，ro，rg分別為密封端面內(nèi)徑、外徑和槽根半徑；θ為單個(gè)槽區(qū)的內(nèi)徑周向夾角；po為端面外徑處密封介質(zhì)壓力；pi為端面內(nèi)徑處壓力；ω為動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度.上游泵送螺旋槽機(jī)械密封的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括槽臺(tái)寬比κ、槽壩比δ、螺旋角β、槽深hg和槽數(shù)Z，其中槽臺(tái)寬比κ定義為內(nèi)徑處單個(gè)槽區(qū)與密封堰的周向夾角之比；槽壩比δ定義為內(nèi)徑開槽區(qū)的徑向?qū)挾扰c密封壩的徑向?qū)挾戎?該槽理論上可使高壓側(cè)泄漏到低壓側(cè)的流體反泵回高壓側(cè)，從而減小密封介質(zhì)的泄漏率或?qū)崿F(xiàn)被密封介質(zhì)的零泄漏.在密封穩(wěn)態(tài)性能研究中，通常理想地認(rèn)為動(dòng)、靜環(huán)密封端面保持平行，但密封在實(shí)際運(yùn)行中，由于受到密封環(huán)加工或安裝誤差等因素的影響，密封端面難以保持平行[13-14].圖1b為密封環(huán)發(fā)生傾斜的示意圖，圖中h0為中心膜厚;hmin和hmax分別為最小和最大膜厚；φ為密封環(huán)相對(duì)傾斜角，當(dāng)φ不為0時(shí)，非槽區(qū)流體膜厚度將沿徑向方向呈線性變化.

圖1 上游泵送螺旋槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

文中主要研究油氣混輸泵在純氣輸送時(shí)的密封性能，故密封端面的流體穩(wěn)態(tài)膜壓采用如式(1)所示的柱坐標(biāo)下可壓縮氣體的穩(wěn)態(tài)雷諾方程進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中：p為密封端面的穩(wěn)態(tài)氣膜壓力；h為端面膜厚分布；η為氣體動(dòng)力黏度.

端面膜厚分布h為

h(r,θ)=h0+hg(r,θ)+rsinφcosθ，

(2)

方程(1)的邊界條件為

在上述邊界條件下采用有限差分法求解方程(1)，獲得氣膜壓力分布p，然后計(jì)算開啟力Fo、泄漏率Q和氣膜剛度k分別如式(3)—(5)所示

(3)

(4)

(5)

2 結(jié)果分析與討論

計(jì)算所用的基本參數(shù)如下，計(jì)算過程中，除了被研究參數(shù)，其余參數(shù)均保持不變.

1) 結(jié)構(gòu)參數(shù)：靜環(huán)內(nèi)半徑ri=40 mm，外半徑ro=52 mm；槽數(shù)Z=12；槽臺(tái)寬比κ=1；槽壩比δ=1；螺旋角β=15°；槽深hg=5 μm.

2) 操作參數(shù)：密封端面內(nèi)徑處壓力pi=0.101 325 MPa，外徑處壓力po=0.2 MPa，轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min；中心膜厚h0=3 μm.

2.1 密封環(huán)傾角對(duì)端面膜壓分布的影響

圖2和圖3分別為不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角φ下的膜厚和膜壓分布云圖.從圖中可以看出，當(dāng)φ不為0時(shí)，膜厚在左側(cè)最小，而在右側(cè)最大.對(duì)應(yīng)圖3所示不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角φ下的膜壓分布云圖可以看出，當(dāng)φ=0時(shí)，膜壓分布云圖呈現(xiàn)周期性分布，且由于氣體在槽根處匯聚擠壓的作用，壓力在槽根處急劇升高，從而形成高壓區(qū).隨著φ的增大，膜壓分布云圖膜厚較小處的高壓區(qū)愈發(fā)明顯，壓力峰值快速增大，而隨著φ的增大，膜壓分布云圖膜厚較大處高壓區(qū)則逐漸減小直至消失.這是因?yàn)楫?dāng)φ不為0時(shí)，左側(cè)膜厚的減小以及收斂狀的密封端面間隙使該區(qū)域動(dòng)壓效應(yīng)顯著增強(qiáng)，而右側(cè)膜厚的增大以及發(fā)散狀的密封端面間隙使該處動(dòng)壓效應(yīng)顯著減弱.

圖2 膜厚分布云圖

圖3 膜壓分布云圖

2.2 操作參數(shù)對(duì)密封穩(wěn)態(tài)性能的影響

2.2.1 轉(zhuǎn)速的影響

圖4a-c分別為不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角φ條件下轉(zhuǎn)速n對(duì)開啟力Fo、泄漏率Q、氣膜剛度k的影響曲線.從圖4a中可以看出，F(xiàn)o隨n的增大呈現(xiàn)減速遞增的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)閚的增大能增強(qiáng)密封的動(dòng)壓效應(yīng).從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在n一定的情況下，φ從0增大到1.5×10-5rad的過程中，F(xiàn)o呈現(xiàn)出增速遞增的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)橄鄬?duì)傾斜角形成的收斂間隙以及造成膜厚減小的區(qū)域?qū)?dòng)壓效應(yīng)的增強(qiáng)作用要大于相對(duì)傾斜角形成的發(fā)散間隙，以及造成膜厚增大的區(qū)域?qū)?dòng)壓效應(yīng)的減弱作用，故密封端面存在相對(duì)傾斜角時(shí)密封的開啟力相對(duì)于平行間隙要大，且密封端面相對(duì)傾斜角增大開啟力的作用隨φ的增大愈加明顯.

從圖4b中可以看出，Q隨n的增大呈現(xiàn)線性遞減的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)閚的增大增強(qiáng)了端面型槽的上游泵送能力.在n相同的情況下，Q隨φ的增大呈現(xiàn)增速遞增的變化趨勢(shì)，但變化幅度相對(duì)較小，這說明密封端面偏斜對(duì)密封的泄漏控制會(huì)造成負(fù)面影響.當(dāng)n大于6 000 r/min后，不同φ條件下的密封陸續(xù)出現(xiàn)負(fù)泄漏也即泄漏方向發(fā)生了變化，此時(shí)理論上實(shí)現(xiàn)了密封介質(zhì)的零泄漏，這也說明上游泵送槽的控漏優(yōu)勢(shì)在較高的轉(zhuǎn)速條件下才能明顯體現(xiàn).從圖4c中可以看出，k隨n的增大呈現(xiàn)減速遞增的變化趨勢(shì)，且在相同n情況下，k隨φ的增大呈現(xiàn)增速遞增的變化趨勢(shì)，且變化幅度相對(duì)較大.綜合上述現(xiàn)象可以表明，轉(zhuǎn)速的增大不僅能有效改善密封的開啟性和穩(wěn)定性，還能有效增強(qiáng)密封性；在密封端面不發(fā)生接觸的情況下，密封端面的適當(dāng)偏斜有利于開啟性和穩(wěn)定性的提升，但會(huì)造成泄漏率小幅增大.

圖4 轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能參數(shù)的影響曲線

2.2.2 平衡膜厚的影響

圖5a-c分別為不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角φ條件下平衡膜厚h0對(duì)開啟力Fo、泄漏率Q、氣膜剛度k的影響曲線.從圖中可以看出，在不同的φ條件下，隨著h0的增大，F(xiàn)o均呈現(xiàn)減速遞減的變化趨勢(shì)，Q均呈現(xiàn)增速遞增的變化趨勢(shì)，k均呈現(xiàn)減速遞減的變化趨勢(shì)，上述現(xiàn)象的發(fā)生是由于h0的增大減弱了動(dòng)壓效應(yīng)并擴(kuò)大了泄漏通道.而在不同的h0條件下，隨著φ的增大，F(xiàn)o，Q，k均呈現(xiàn)增速遞增的變化趨勢(shì)，且在h0較小時(shí)，φ的變化對(duì)Fo，k的影響較大，而φ的變化對(duì)Q的影響作用幾乎不受h0的影響.從上述密封性能參數(shù)的變化規(guī)律可以看出，在h0的研究范圍內(nèi)，h0的增大將顯著降低密封的各項(xiàng)性能指標(biāo)，故需在保證密封環(huán)不發(fā)生接觸的情況下合理進(jìn)行力平衡設(shè)計(jì)，以避免密封運(yùn)行在過大的平衡膜厚范圍下.

圖5 平衡膜厚對(duì)密封性能參數(shù)的影響曲線

2.3 端面型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封穩(wěn)態(tài)性能的影響

端面型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能有至關(guān)重要的影響，本節(jié)以螺旋角、槽深、槽壩比為代表，研究不同密封環(huán)傾角條件下上游泵送螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能參數(shù)的影響規(guī)律，以期獲得本計(jì)算工況下密封綜合性能較好的端面型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化范圍.

2.3.1 螺旋角的影響

圖6a-c分別為不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角φ條件下螺旋角β對(duì)開啟力Fo、泄漏率Q、氣膜剛度k的影響曲線，其中β的研究范圍為6°～36°.從圖6a可以看出，F(xiàn)o隨β的增大先急劇增大；在β從12°增大到24°的過程中，且當(dāng)φ取值較小時(shí)，F(xiàn)o幾乎不發(fā)生變化，而當(dāng)φ取值較大時(shí)，F(xiàn)o開始出現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)；隨著β進(jìn)一步增大，F(xiàn)o又開始快速減小.從上述趨勢(shì)可認(rèn)為，不論φ取何值，β在12°～24°時(shí)，密封具有較優(yōu)的開啟性能.從圖6b可以看出，無論φ取何值，Q均隨β的增大先快速增大后快速減小，當(dāng)β取12°～18°時(shí)，Q取得最小值.從圖6c可以看出，F(xiàn)o隨β的增大先快速增大；在β從9°增大到21°的過程中，隨著φ的增大，F(xiàn)o從緩慢增大的變化趨勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛郎p小的變化趨勢(shì)；當(dāng)β大于21°后，F(xiàn)o快速減小.綜上所述，在β取12°～18°時(shí)，密封具有較優(yōu)的綜合性能.

圖6 螺旋角對(duì)密封性能參數(shù)的影響曲線

2.3.2 槽深的影響

圖7a-c分別為不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角φ條件下槽深hg對(duì)開啟力Fo、泄漏率Q、氣膜剛度k的影響曲線，其中hg的研究范圍為2～9 μm.從圖中可以看出，在hg的研究范圍內(nèi)，F(xiàn)o，Q，k均隨φ的增大而增大，但φ的變化并未影響Fo，Q，k隨hg的變化趨勢(shì).同時(shí)，F(xiàn)o隨著hg的增大先呈線性遞增后呈減速遞增的變化趨勢(shì)；Q則與Fo幾乎呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，由此可見，通過合理設(shè)計(jì)hg，理論上可使密封實(shí)現(xiàn)零泄漏或反向泄漏；k隨hg的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)hg在5～6 μm時(shí)k取最大值.從上述密封性能參數(shù)的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，要想保證較好的開啟性能和密封性能，可將hg設(shè)計(jì)在7～9 μm內(nèi)，而若從穩(wěn)定性的角度來考慮，hg設(shè)計(jì)在5～6 μm為宜.考慮其綜合性能，將hg設(shè)計(jì)在6～7 μm為宜.

圖7 槽深對(duì)密封性能參數(shù)的影響曲線

2.3.3 槽壩比的影響

圖8a-c分別為不同密封環(huán)相對(duì)傾斜角φ條件下槽壩比δ對(duì)開啟力Fo、泄漏率Q、氣膜剛度k的影響曲線，其中δ的研究范圍為0.6～3.6.從圖中可以看出，在δ的研究范圍內(nèi)，φ的增大同樣未影響Fo，Q，k隨δ的變化趨勢(shì)，僅會(huì)造成Fo，Q，k的增大.Fo和k隨δ的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，δ在1.2～1.8時(shí)Fo取得最大值，δ在1.5～2.7時(shí)k取得最大值，綜合考慮開啟性和穩(wěn)定性，δ設(shè)計(jì)在1.5～1.8為宜.Q則隨著k的增大呈現(xiàn)出減速遞減的變化趨勢(shì)，δ在1.2～1.5內(nèi)密封從正泄漏逐步過渡到負(fù)泄漏，通常油氣混輸泵對(duì)被密封介質(zhì)向大氣側(cè)的泄漏有十分嚴(yán)格的控制，但允許適量大氣側(cè)空氣進(jìn)入密封介質(zhì)，故設(shè)計(jì)δ大于1.5為宜.從上述分析可知，要想保證密封具有較好的綜合性能，可將槽壩比設(shè)計(jì)在1.5～1.8.

圖8 槽壩比對(duì)密封性能參數(shù)的影響曲線

3 結(jié) 論

1) 密封端面發(fā)生相對(duì)傾斜對(duì)氣體流動(dòng)規(guī)律和膜壓分布規(guī)律的影響作用使開啟力、泄漏率、氣膜剛度均隨密封環(huán)相對(duì)傾斜角的增大而增大，故密封端面存在適當(dāng)?shù)南鄬?duì)傾斜，可使密封在保證非接觸的情況下改善開啟性和穩(wěn)定性，但需以犧牲一定的密封性為前提.

2) 高速小膜厚情況下，上游泵送螺旋槽會(huì)明顯體現(xiàn)出其控漏的性能優(yōu)勢(shì)，在上游泵送槽的作用下，向低壓側(cè)泄漏的被密封介質(zhì)將會(huì)反泵回高壓側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)密封的零泄漏或低壓側(cè)向高壓側(cè)反向泄漏；同時(shí)，通過型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)也能有效增強(qiáng)其上游泵送能力.

3) 在文中工況條件和端面型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究范圍下，要想使開槽端面密封具有較低的泄漏率、較高的開啟力和較大的氣膜剛度，螺旋角設(shè)計(jì)在12°～18°、槽深設(shè)計(jì)在6～7 μm、槽壩比設(shè)計(jì)在1.5～1.8為宜.