王 瑞

（錦州開元石化公司，遼寧錦州 121000）

0 引言

離心泵是一種常用的流體輸送設(shè)備，機(jī)械密封是離心泵的關(guān)鍵部件，能夠保證離心泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和流體密封性。機(jī)械密封的性能直接影響著離心泵的運(yùn)行效率和使用壽命。機(jī)械密封的端面是機(jī)械密封最為關(guān)鍵的部分之一，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析可以有效提高離心泵的性能。

1 離心泵工作原理

離心泵是一種通過離心力將液體送往出口的機(jī)械裝置。其工作原理基于離心力和液體能量守恒原理。裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。離心泵的主要部件包括葉輪、泵殼和密封裝置等。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)離心泵時(shí)，葉輪開始高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力。當(dāng)液體進(jìn)入泵殼后，它會(huì)被葉輪的離心力加速，并在泵殼內(nèi)形成一定的壓力。隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，壓力逐漸升高，液體被推送到泵出口并流出泵外。離心泵的泵殼和葉輪設(shè)計(jì)方式，使得液體的動(dòng)能能夠被轉(zhuǎn)換為壓力能，從而實(shí)現(xiàn)液體的輸送。離心泵的密封裝置是保證離心泵正常運(yùn)行的重要組成部分。它的作用是保證泵內(nèi)的液體不能外泄，同時(shí)保持泵內(nèi)壓力穩(wěn)定和防止空氣和雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)。不同類型的離心泵采用不同的密封裝置，如機(jī)械密封、填料密封等。離心泵的效率取決于其旋轉(zhuǎn)速度、泵的設(shè)計(jì)和液體性質(zhì)。通常情況下，葉輪旋轉(zhuǎn)速度越高意味著更高的流量和更高的泵頭。在選擇離心泵時(shí)，需要考慮泵的標(biāo)定流量、標(biāo)定揚(yáng)程、效率等因素。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械密封裝置原理和作用

2.1 原理

機(jī)械密封是一種常用的密封方式，其原理基于兩個(gè)接觸面間間隙微小，通過橡膠、金屬等材料制作的密封件，并在兩個(gè)接觸面間制造正壓力，從而形成有效的密封。靜坐環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，機(jī)械密封由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的密封環(huán)和一個(gè)靜止的密封座組成。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的密封環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封環(huán)和密封座之間的間隙會(huì)被填滿，從而形成一個(gè)有效的密封界面，防止流體外溢或外界物質(zhì)進(jìn)入。該密封環(huán)和密封座通常由耐磨材料制成，以確保長期的工作壽命。

圖2 靜坐環(huán)結(jié)構(gòu)展示

機(jī)械密封的性能取決于密封面的材料和制造質(zhì)量、密封面的壓力、旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速度等。其優(yōu)點(diǎn)為：密封性能較高，能夠承受高溫、高壓等特殊工況。對(duì)泵的軸承和軸有保護(hù)作用，從而延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命。維修較容易，可以單獨(dú)更換密封件。其缺點(diǎn)為機(jī)械密封的造價(jià)較高，在應(yīng)用時(shí)需要選用相應(yīng)的密封件，并進(jìn)行嚴(yán)格的安裝。

2.2 作用

防止泵內(nèi)液體外泄：當(dāng)離心泵工作時(shí)，在泵外形成高壓區(qū)域，而在泵內(nèi)形成低壓區(qū)域，這種高壓差使得液體更容易流出泵的密封處。機(jī)械密封裝置可以將泵內(nèi)的液體與外界完全隔離，從而避免了液體外泄的情況發(fā)生。防止泵內(nèi)空氣和雜質(zhì)進(jìn)入：離心泵通常用于輸送液體，而當(dāng)液體中存在空氣或雜質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)可能會(huì)卡在機(jī)械密封的間隙中，從而導(dǎo)致泵的堵塞或損壞。因此，機(jī)械密封裝置還能防止空氣和雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)。保持泵內(nèi)壓力穩(wěn)定：由于機(jī)械密封裝置能隔離泵內(nèi)和外界的高壓差，因此能夠保持泵內(nèi)壓力穩(wěn)定。保護(hù)泵軸：離心泵的泵軸通常是重要的機(jī)械零件，機(jī)械密封裝置能夠有效地防止泵軸和密封面的磨損，從而保護(hù)泵軸。

3 構(gòu)建仿真模型

在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案之前需要構(gòu)建一個(gè)仿真模型，以便對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬和測(cè)試。具體的步驟如下：①確定模型參數(shù)：模型參數(shù)包括離心泵的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等參數(shù)；②選擇仿真軟件：選擇適合離心泵泵送工況的仿真軟件，例如ANSYS、Fluent、STAR CCM+等；③構(gòu)建模型：根據(jù)離心泵的實(shí)際結(jié)構(gòu)和參數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的三維模型；④網(wǎng)格劃分：對(duì)離心泵的流道和葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以便進(jìn)行流場(chǎng)分析；⑤定義求解域：確定離心泵的求解域，包括進(jìn)口、出口和葉輪等部分；⑤定義邊界條件：對(duì)進(jìn)口和出口設(shè)定邊界條件，包括入口速度、出口壓力等；⑥設(shè)定工況：定義離心泵的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)，進(jìn)行仿真計(jì)算，分析流場(chǎng)分布、壓力分布、溫度分布等；⑦優(yōu)化設(shè)計(jì)：根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)離心泵的主密封和副密封進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和尺寸設(shè)計(jì)，以提高泵的性能，同時(shí)確保泵的安全可靠性；⑧驗(yàn)證模型：對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定方案的可行性和優(yōu)越性。

通過以上步驟可以構(gòu)建出一個(gè)準(zhǔn)確的離心泵機(jī)械密封端面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的仿真模型，并對(duì)不同的方案進(jìn)行模擬和測(cè)試，以達(dá)到最優(yōu)方案的目的。

4 離心泵機(jī)械密封端面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

離心泵機(jī)械密封端面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案主要包括主密封和副密封兩部分，其中主密封選用螺旋槽液膜密封。

4.1 主密封的設(shè)計(jì)方案

主密封是離心泵機(jī)械密封端面中最重要和最復(fù)雜的部分（圖3）。在石化領(lǐng)域，由于流體動(dòng)壓效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)的機(jī)械密封難以滿足高速、高溫、高壓的要求。針對(duì)石化領(lǐng)域離心泵的特點(diǎn)，推薦采用螺旋槽液膜密封作為主密封。

圖3 離心泵機(jī)械密封表

螺旋槽液膜密封是一種基于液體黏性和慣性作用的密封方式，基本原理是通過轉(zhuǎn)子和定子之間的螺旋槽來實(shí)現(xiàn)液體的泵送和壓縮，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的液膜來密封。螺旋槽液膜密封具有以下3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①適用性廣：螺旋槽液膜密封適用于多種介質(zhì)，可用于溫度高達(dá)800 ℃的高溫介質(zhì)以及帶固體顆粒和泥漿等液體；②密封性好：由于液膜的存在，該密封方式可實(shí)現(xiàn)零泄漏，使得液體不會(huì)外泄或向外滲漏；③耐磨性強(qiáng)：由于液體在螺旋槽中的剪切和壓縮作用，液體中的固體顆粒和雜質(zhì)往往被磨碎和洗刷，從而延長密封件的使用壽命。

4.2 副密封的設(shè)計(jì)方案

副密封通常是為應(yīng)對(duì)主密封失效或發(fā)生泄漏而設(shè)置的，其主要作用是起到備用密封和提醒作用。在進(jìn)行副密封的設(shè)計(jì)時(shí)，建議選用雙端機(jī)械密封。雙端機(jī)械密封指的是將兩個(gè)機(jī)械密封面相對(duì)設(shè)置在同一泵的兩端。與單端機(jī)械密封相比，雙端機(jī)械密封能更有效地提高泵的密封性能和安全性。當(dāng)主密封發(fā)生泄漏時(shí)，副密封能夠起到備用密封的作用，從而避免液體外泄的危險(xiǎn)。同時(shí)，由于副密封的存在，泵操作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)泵的泄漏情況，從而進(jìn)行及時(shí)維修和更換。

5 仿真分析

5.1 不同壓差條件下的仿真分析結(jié)果

在離心泵機(jī)械密封端面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，需要對(duì)不同壓差條件下的仿真分析結(jié)果進(jìn)行展開。具體來說，可以對(duì)不同的壓力差條件，如1 bar、3 bar、5 bar 等條件進(jìn)行分析，以評(píng)估設(shè)計(jì)方案的可行性和優(yōu)劣。

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，需要考慮以下不同的壓差條件：①低壓條件下的仿真：在低壓條件下，離心泵的流量和揚(yáng)程均較小，此時(shí)容易產(chǎn)生氣蝕等問題。因此，需要對(duì)密封端面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高泵的性能和可靠性；②中壓條件下的仿真：在中等壓力條件下，離心泵的流量和揚(yáng)程均較高，需要對(duì)密封端面的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化。此時(shí)需要考慮葉輪和密封端面之間的距離、潤滑方式等因素；③高壓條件下的仿真：在高壓條件下，離心泵的流量和揚(yáng)程都很高，需要考慮密封端面的承受能力。此時(shí)需要對(duì)密封端面的材料、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其高壓承受能力。

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，需要分別設(shè)置不同壓差條件下的工況參數(shù)，并對(duì)密封端面的溫度、壓力、摩擦力等因素進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過不同壓差條件下的仿真分析結(jié)果，可以比較不同設(shè)計(jì)方案的性能和可靠性，以選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。不同壓差應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖4 不同壓差應(yīng)力分布

離心泵機(jī)械密封端面的液膜壓力沿半徑方向呈現(xiàn)出梯度變化的特點(diǎn)。根據(jù)氣液兩相流流體力學(xué)的原理，機(jī)械密封端面上液體的流動(dòng)可以視為繞過葉輪離心力作用區(qū)域的一種水平流動(dòng)，其速度矢量方向與端面法線方向夾角較小。由于液體在旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)部承受離心力的作用，離心力的大小隨離心距離的增加而增大，導(dǎo)致液體在機(jī)械密封端面上形成梯度變化的液膜。液膜存在時(shí)，機(jī)械密封端面上的最大應(yīng)力位于液膜外側(cè)的根部位置。這是因?yàn)橐耗?nèi)部存在一定壓力，液膜外部則為環(huán)境壓力或者更低的負(fù)壓力，兩者之差形成了一定的徑向應(yīng)力。當(dāng)壓差越大時(shí)，應(yīng)力值也越大。同時(shí)，由于離心泵機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，端面上通常設(shè)置有螺旋槽或者波紋等隔離介質(zhì)，用來增加機(jī)械密封端面的承載能力和密封效果，并使慣性力對(duì)機(jī)械密封端面的沖擊減小。螺旋槽的位置通常在端面微小的環(huán)形凸起處，此處的應(yīng)力也較大。因此，離心泵機(jī)械密封端面上的最大應(yīng)力位于端面螺旋槽外側(cè)根部位置，并且此處所承受的應(yīng)力主要由液膜壓力和離心力共同作用，且隨著壓差的增大而增大。

5.2 不同轉(zhuǎn)速條件下仿真分析結(jié)果

離心泵機(jī)械密封端面的最大應(yīng)力是一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)速的函數(shù)，因此可以進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速條件下的仿真分析，得到對(duì)應(yīng)的結(jié)果。

以某離心泵為例，通過ANSYS 軟件對(duì)其機(jī)械密封端面進(jìn)行有限元分析，得出不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力分布情況：①轉(zhuǎn)速為1000 r/min 時(shí)，機(jī)械密封端面上的最大應(yīng)力位于螺旋槽外側(cè)根部位置，約為35 MPa。同時(shí)，由于液膜壓力和離心力共同作用，應(yīng)力沿半徑方向呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，最大應(yīng)力隨著距離離心軸心的增加而增大；②轉(zhuǎn)速增加至2000 r/min，機(jī)械密封端面上的最大應(yīng)力也隨之增大，達(dá)到約55.5 MPa。在此轉(zhuǎn)速下，應(yīng)力的梯度變化更加明顯；③當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至3000 r/min 時(shí)，機(jī)械密封端面上的最大應(yīng)力達(dá)到約89.3 MPa，呈現(xiàn)出驟升的趨勢(shì)。此時(shí)，應(yīng)力集中在螺旋槽外側(cè)根部位置，且梯度變化更加顯著。不同應(yīng)力轉(zhuǎn)速分布如圖5 所示。

圖5 不同應(yīng)力轉(zhuǎn)速分布

通過仿真分析結(jié)果可知，離心泵機(jī)械密封端面上的最大應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，且應(yīng)力分布情況呈現(xiàn)出徑向梯度變化的特點(diǎn)，最大應(yīng)力位于螺旋槽外側(cè)根部位置。因此，在離心泵的設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)注意機(jī)械密封端面軸承的承載能力，并適當(dāng)采取措施來減小端面上的應(yīng)力集中。

6 結(jié)束語

離心泵機(jī)械密封端面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以成功應(yīng)用于離心泵機(jī)械密封的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中。但是，在實(shí)際應(yīng)用中還需要結(jié)合具體的工作條件和要求，進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)和調(diào)整，以達(dá)到最佳的機(jī)械密封端面設(shè)計(jì)效果。