水下航行器中间旋转环式机械密封性能分析

王 建，孟祥坤，邹 力，刘正林

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

水下航行器中间旋转环式机械密封性能分析

王 建，孟祥坤，邹 力，刘正林

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

根据水下航行器的不同工况，借助Ansys对中间旋转环式机械密封进行仿真分析其密封性能，为该密封装置在水下航行器上的应用提供理论支持。

中间环式机械密封；有限元；热-结构耦合分析

机械密封具有泄漏量少、寿命长、摩擦耗功小、无磨损、密封参数高等优点[1-2]。随着水下航行器大型化、现代化的发展，其艉轴直径及艉轴机械密封尺寸较大，线速度较高，加之海水介质压力较大，易出现局部温升过高，甚至出现汽化和密封环开启现象，导致密封失效[3-6]。应用更好的机械密封方式来减小密封环间的相对速度，降低密封环温度，保证机械密封稳定运转。国内外目前机械密封的研究仍存在不足，比如潜艇艉轴机械密封通常采用平面动静环结构形式，中间旋转环式机械密封在潜艇的应用仍存在问题。

1 建立中间旋转环式机械密封有限元模型

中间旋转环式机械密封结构如图1所示。

1-艉轴；2-中间环驱动装置；3-静环座；4-弹簧座；5-弹簧；6-静环；7-中间环；8-动环；9-动环座；10-密封圈；11-支撑轴承。图1 中间旋转环式机械密封示意图

动环、中间环、静环以及动环座和静环座是中间旋转环式机械密封系统的关键部件，其在各种载荷的作用下产生变形等现象将直接影响密封的性能。因此主要对3个密封环、动环座和静环座以及各部件周围介质(空气、海水)组成的密封系统进行力学性能方面的研究。根据中间旋转环式机械密封示意图，建模时动环与中间环、静环与中间环间采用整体接触法，柔体-柔体接触类型和面-面接触方式符合实际情况。机械密封环是轴对称的，即结构尺寸和其各载荷都是轴对称的，故可用一轴向截面来代替三维模型进行分析。

2 中间旋转环式机械密封稳态热-结构耦合分析

艉轴机械密封是在一定的外部海水压力及转速下工作的，旋转体与固定体之间的受力比较复杂。中间环与静环和动环分别形成2个密封副，摩擦会导致密封环温度升高，产生热变形与热应力，使得接触区域发生变化，此变化又会影响到滑动摩擦生热问题。因此，对机械密封装置进行稳态工况(正常工况)的热-结构耦合分析很有必要。

动环和中间环分以转速200 r/min、100 r/min同向转动，对中间旋转环式机械密封和普通型机械密封进行稳态热-结构耦合分析计算，同时对中间旋转环式机械密封进行求解，分析不同水深100～600 m(外部介质压力1～6 MPa)对密封端面温度、接触压力、间隙及等效应力等结果的影响。

2.1 密封端面温度分布

密封端面温度是机械密封的一个重要参数，若温度超过密封介质在相应压力下的汽化点，会使得密封开启或失效。为和中间旋转环式机械密封的动环和静环有所区别，普通型机械密封的动环和静环分别称作普通-动环和普通-静环，中间A和中间B分别表示中间环与动环、中间环与静环所接触的密封端面。外部介质压力为6 MPa时，中间旋转环式机械密封和普通型机械密封各节点上的温度分布如图2所示。

图2 6 MPa时密封端面节点温度

由计算结果可知：2种机械密封的最高温度都出现在密封端面的内侧，因为内侧接触压力大，产生热量也大，同时内侧的对流换热条件较外侧差很多，易出现高温区；中间环使得密封端面最高温度比普通型降低了13%；随节点半径增大，普通型机械密封动环和静环密封端面的节点温度呈现先少许增大然后减小的趋势，在第3个节点处出现最大值；中间旋转环式机械密封的4个密封端面上的节点温度呈现逐渐减小的趋势，第7个节点前温度基本一致，之后动环密封端面温度减小的趋势大于静环密封端面，这与动环座体和静环座体的结构有关，两密封端面的摩擦热主要通过对流方式扩散，摩擦热源与冷却介质的距离对温度分布会产生影响。由图3可以看出，外部介质压力增大时，密封端面摩擦功增加，具其最高温度逐渐增大，且最高温度与介质压力呈线性关系。

图3 密封端面最高温度

2.2 密封端面接触压力分析

热流密度的大小对密封端面的温度有很大影响，而热流密度又和密封端面接触压力有关，故分别提取外部介质压力6 MPa时2种机械密封端面各节点上对应的接触压力如图4所示。

图4 6 MPa时密封端面各节点接触压力

由计算结果可知，中间旋转环式机械密封的最大接触压力大于普通型机械密封；普通型机械密封密封端面的平均接触压力为0.75 MPa，中间旋转环式机械密封中密封面A和密封面B的平均接触压力分别为0.89 MPa和0.90 MPa，比理论计算0.76 MPa的接触压力稍大。随节点半径增大，中间旋转环式机械密封两密封端面的接触压力骤减，而普通型机械密封端面的接触压力先增大后减小，在第3个节点处达到最大值，在第6个节点后密封端面呈现开口状态，无接触。由图5可见，在各介质压力下，由于动环和静环的结构不同导致两密封端面的变形有一定差异，使得密封端面B的最大接触压力始终比密封端面A大，随外端部介质压力增加，密封端面间的最大接触压力逐步增大，二者呈线性关系。

图5 密封端面最大接触压力

2.3 密封端面应力分析

密封装置由密封环和座体等部分组成，各部分又有各自的材料属性和结构类型，因此在密封装置运转过程中，各部分的等效应力应不大于相应的材料的许用应力值。由计算结果可知，中间旋转环式机械密封的最大等效应力148 MPa出现在动环和静环内侧处，普通型机械密封的最大等效应力171 MPa出现在动环内侧处，其他位置的等效应力都较小。提取中间旋转环式机械密封中动环和静环端面节点的等效应力以及普通型机械密封中动环端面节点的等效应力，如图6所示。

由图6可见，由于中间环两侧压力和温度分布基本对称，可相应减小力变形与热变形的影响，使得中间旋转环式机械密封中各节点的等效应力均小于普通型机械密封。随节点半径增大，普通型机械密封端面相应节点的等效应力先增加后减小，在第2个节点处达到最大；中间旋转环式机械密封动环和静环端面相应节点的等效应力逐渐减小。由图7可见，随着外部介质压力的增加，密封装置最大等效应力增大，基本与介质压力呈线性关系。

图6 6 MPa时密封端面各节点等效应力

图7 密封装置最大等效应力

2.4 密封端面泄漏量分析

当外部介质压力为6 MPa时，由计算结果可知，中间旋转环式机械密封存在两个较小的密封间隙，而普通型机械密封中只有一个较大的密封间隙。2种机械密封密封端面各节点的密封间隙如图8所示。

图8 6 MPa时各节点密封间隙

图8可见，1～6个节点上密封间隙为0，随密封端面节点半径增大，密封间隙增加。计算得出A处和B处的泄漏量分别为0.094 L/min、0.110 L/min，共计0.204 L/min；而普通型机械密封为0.414 L/min，为中间旋转环式机械密封泄漏量的2.03倍，中间旋转环式机械密封在减小泄漏量方面具有优势。如图9所示，随外部介质压力增大，两密封面的开口都增加，泄漏量增大。且密封端面B的泄漏量比密封端面A稍大，这是因为密封端面B处由于变形所产生的间隙较密封面A稍大，其泄漏量也较大。

图9 密封装置泄漏量变化

3 结束语

用Ansys对普通型机械密封和中间旋转环式机械密封进行稳态热-结构耦合分析，在相同工况，两种密封装置的最高温度均出现在密封环内侧，中间旋转环式机械密封装置的最高温度相对于普通型机械密封降低了13%；密封装置的最大接触压力出现在密封环靠内侧处，中间旋转环式机械密封装置的平均接触压力稍大于普通型机械密封；密封装置的最大等效应力出现在密封环内侧，中间旋转环

式机械密封装置的最大等效应力比普通型机械密封小；中间旋转环式机械密封装置的泄漏量只有普通型机械密封的0.49倍。综上所述，中间旋转环式机械密封更适于船舶或水下航行器。

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According to the different operating conditions of the underwater vehicle,the sealing performance of the intermediate rotary ring mechanical seal is simulated via Ansys,which provides theoretical support for the application of the seal on a ship.

intermediate rotary ring mechanical seal;finite element;coupling of thermal-structure analysis

国家自然科学基金重点项目(51139005)

王 建(1992-)，男，河南洛阳人，在读硕士研究生，研究方向为船舶动力装置系统性能分析、载运工具应用工程。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.008

2015-12-07