两种动压机械密封性能的对比研究

汤占岐，姜国平

TANG Zhan-qi, JIANG Guo-ping

（北方民族大学 化学与化学工程学院，银川 750021）

0 引言

机械密封又称端面密封，广泛应用于泵、压缩机、搅拌反应釜等旋转机械上，按运行时动、静环表面是否接触可分为流体动压型和普通型两类。动压型机械密封是利用流体动压效应，在动、静环表面间产生一层极薄的流体膜，实现动、静环非接触，与普通型机械密封相比，动压机械密封可降低密封面磨损，提高密封可靠性，延长使用寿命[1]。虽然普通型机械密封由于制造和安装误差产生的偏心和偏斜、表面波度和表面粗糙度等也会在端面间产生流体动压液膜，但这层动压液膜是不完整的，存在部分微凸体的直接接触，在重载、高速和低黏工况下，微凸体直接接触，导致密封端面磨损、磨损加剧，温度上升，液膜气化，使密封失效[2]。为获得可靠、稳定的流体动压膜，可在密封端面上加工出各种型式的动压槽，充分利用槽的动压效应产生端面开启力，使密封动、静环端面间形成动压液膜，从而避免端面接触；同时，流体动压效应使得液膜具有较大的刚度，以适应外界工况的变化。某些型式的动压槽还具有上游泵送效应，将隔离液或由密封腔泄漏出的液体泵送回密封腔，实现被密封介质零泄漏、零逸出[3,4]。

机械密封端面间流体的流动计算，其实质是对雷诺方程的求解，根据机械密封的结构特点和工作特点，可作适当的假设：1）在稳定载荷下，沿液膜法向的速度可视为零；2）被密封介质和隔离流体均为液体，视为不可压缩流体，即ρ=常数；3）流体的动力黏度 μ = 常数。在上述假设条件下，对普遍雷诺方程进行简化，简化后的雷诺方程圆柱坐标下的表现形式为：

本文用数值模拟的方法，对内装式径向直线槽和外装式斜直线槽机械密封的密封性能进行对比分析，以期为密封的设计、选型提供理论依据。

1 计算模型及参数

1.1 计算模型

图1（a）和（b）分别为径向直线槽和斜直线槽密封的几何模型，其中径向直线槽为内装式，外径侧为被密封介质；斜直线槽为外装式，内径侧为被密封介质。开槽部分的作用是在动环和静环有相对运动时，产生流体动压力使两密封端面实现非接触，密封坝的作用是对上游侧的高压被密封介质起节流降压作用，同时在设备停运时起到停车密封的作用。斜直线槽密封的旋向有限制，需按规定旋向转动，如图1所示；而径向直线槽对旋向没有要求，正、反转均可。

图1 密封端面结构

以密封端面间的液膜为研究对象，由槽的对称性和周期性分布的特点，选取如图1中所示的计算区域建立模型并进行网格划分。对于径向直线槽，在半径RO处，定义为压力入口边界，在Ri处，为压力出口边界；对斜直线槽，在半径Ri处，定义为压力入口边界，在半径RO处，为压力出口边界。计算区域的侧面定义为周期性边界；液膜与槽壁面、密封坝、密封堰以及静环接触的面均定义为固定壁面。采用层流模型进行计算，压力速度耦合采用 SIMPLE 算法，动量方程的离散采用二阶迎风格式。

1.2 基本参数

计算所用的基本参数为：密封环外半径RO=51mm，内半径Ri=41mm，密封坝半径Rd=47mm，非槽区液膜厚度h=3μm，槽数N=36，槽深Hg=10 μm，斜直线槽的槽线倾角为α=30°，密封槽周向宽度与密封堰轴向宽度之比即槽堰宽比ɣ=1，动环转速n=3000 转/分钟，被密封流体压力pi=0.3 MPa（表压），泄漏侧流体压力po=0MPa（表压），流体介质为常温水。

2 计算结果及分析

图2 计算区域内液膜压力分布

以1.2所列出的基本参数计算，得到的两种槽型计算区域内液膜的压力分布云图如图2所示。由图可看出，在动压槽的根部，逆着转动方向的一侧，形成了一个收敛的间隙，满足流体动压效应形成的条件，因此在此处的液膜产生了较高的压力，而在另一侧则相反，流动空间在此处发散，使液膜压力降低。

通过改变槽深、槽数和转速等参数，研究其对径向直线槽和斜直线槽机械密封的密封性能如泄漏量、刚度和开启力的影响，对这两种槽型的机械密封进行对比分析。

2.1 槽深对密封性能的影响

改变槽深Hg，其余参数不变，其对密封端面最大压力Pmax，泄漏量QL，端面开启力FO和液膜刚度K的影响如图3所示。由图3（a）可以看出，槽深相同时，斜直线槽端面最大压力大于径向直线槽端面最大压力，动压效应优于径向直线槽。在槽深Hg=10μm时，斜直线槽的动压效应最优，而径向直线槽的动压效果在槽深Hg=7μm时最为显著。由于动压槽的动压效应，使得被密封介质在密封端面上产生较大的压力，从而形成了端面开启力，并克服作用在动环上的弹簧力和介质背压力，使动、静环分离，实现密封面的非接触。图3（b）示出了泄漏量QL随槽深的变化规律，泄漏量为负值表示流体向高压侧的密封腔内流动。可见，外装式斜直线槽密封具有上游泵送效应，会将低压侧隔离流体或由高压侧泄漏的流体反送回高压侧，从而达到零泄漏。流体动压效应会在某一槽深时最为明显，随槽深的增加，动压效应削弱，端面最大压力和开启力都会下降，图3（a）和（c）表明了这种变化规律。图3（d）则表明了在相同条件下，斜直线槽的液膜刚度远远大于径向直线槽。

图3 槽深Hg对密封性能的影响

2.2 槽数对密封性能的影响

改变动压槽槽数N，其余参数同1.2，其对密封端面最大压力Pmax，泄漏量QL，端面开启力FO和液膜刚度K的影响如图4所示。结果表明，随着槽数N的增加，密封端面上产生动压效应的区域增多，所以端面开启力和泄漏量（或负泄漏量）增大，液膜刚度总体上也增加。而随着N的增加，端面最大压力呈下降趋势，这是因为每个动压槽的周向宽度减小，流体在槽内被“挤压”的过程缩短，所以最大压力减小。图4进一步表明，斜直线槽的动压效果明显高于径向直线槽。

图4 槽数N对密封性能的影响

2.3 转速对密封性能的影响

改变动环转速n，其余参数同1.2，其对密封端面最大压力Pmax，泄漏量QL，端面开启力FO和液膜刚度 K 的影响如图5所示。

结果表明，随动环转速的增加，两种槽型密封的上述四个性能参数中均增加。可见转速越大，动压效应越明显，对外装式斜直线槽密封而言，负泄漏量（上游泵送量）也越大。

3 结论

图5 转速n对密封性能的影响

内装径向直线槽和外装斜直线槽机械密封均能产生流体动压效应，在相同条件下，后者的动压效应明显优于前者，其端面最大压力、端面开启力和液膜刚度均远大于前者，较大的液膜刚度可使密封能够抵抗较为剧烈的外界工况（如振动、载荷等）的变化；斜直线槽密封具有明显的上游泵送效应，能将泄漏流体泵送至上游，可达到零泄漏工况，这一优点在对有毒、有害介质的密封场合显得尤为重要；斜直线槽密封有特定的转向，不得反转，而径向直线槽密封则不受转向限制。

[1]于新奇,王振辉,蔡仁良.动压型机械密封技术的应用和发展[J].流体机械,2005,33(8):28-32.

[2]袁世先,薛晓虎,杨惠霞.机械端面密封的动压效应[J].工程机械,2003,(9):39-42.

[3]李贵勇,郝木明,闫明强.螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算[J].润滑与密封,2010,35(9):56-59.

[4]周剑锋,顾伯勤.上游泵送机械密封在真空装备中的应用[J].润滑与密封,2008,33(1):129-132.