螺旋槽机械密封环在热-力耦合下的变形特性分析

马高峰,王宇飞，高宗华，杨玺庆

(兰州石化职业技术大学 a.机械工程学院；b.人事处，甘肃 兰州 730060)

机械密封是化工、核电装备的基础配件，一旦失效泄漏会造成严重后果[1,2]。近几年行业的精细化发展对机械密封服役环境提出更高要求，然而机械密封的失效破坏大多是由于两环摩擦生热导致润滑冷却液膜蒸发，致使较大摩擦热和多重效应力耦合作用两环端面所致。因此准确评估机械密封环变形对化工、核电的安全生产有重大意义。

针对机械密封热力耦合模型的建立和计算，国内外专家已进行了较多的研究，Zhu[3]和Brunetiere[4,5]建立了密封环的三维热-力耦合模型，并用有限单元法迭代求解，得到了密封环在耦合求解过程中不可忽略热弹变形的影响。李双喜[2]考虑动静环与颗粒介质的摩擦，建立了密封环热力耦合的有限元计算模型，得到了硬质合金和陶瓷材料温度场和端面变形规律。王永乐[5]彭旭东[6]对机械密封液膜压力和密封环的温度分布以及热力耦合做了系统分析，得到了高温高黏度下介质热传导对密封环温度场的影响占主导，且润滑液膜的热效应不可忽略。

基于以上基础建立了三维螺旋槽机械密封环热力耦合模型，采用Workbench结构模块化进行计算求解，考虑了端面混合摩擦热、液膜平衡力以及高速旋转产生的离心力等多场耦合来分析密封环的变形情况。

1 理论模型

1.1 几何模型

在机械密封动环端面通过激光打标技术刻画出序列化螺旋槽，其槽不但有助于减少密封流体的泄漏，而且还有一定的集油润滑效果。两环在服役期会形成一层极薄的液体润滑膜，其膜对密封环端面的混合摩擦起到润滑冷却作用。密封环结构三维图如图1，参数如表1。

(a)动环 (b)液膜 (c)静环

表1 螺旋槽机械密封环几何参数

1.2 控制方程

动静环之间的能量守恒方程表示为：

Qin+Qf=Qr+Qs+Qout

(1)

式中：Qin是润滑流体带入的热量；Qf是由黏性摩擦产生的热量；Qr是传导给动环的热量；Qs是传导给静环的热量；Qout是由流体泄漏带走的热量；J。

1.2.1 动环的热传导方程

动环的热传导方程表示为[7]：

式中：ksr为动环导热系数，W/(m·k)；ρr动环密度，

kg/m3；cr动环比热容，J/(kg·K)；vsx动环在x方向分速度，m/s；vsy动环在y方向分速度m/s；Tr为动环温度，K。

1.2.2 静环的热传导方程

静环的热传导方程可表示为[7]：

式中：kss为静环导热系数，W/(m·k)；Ts为静环温度，K。

1.2.3 耦合控制方程

热-力耦合方程表示为：

式中：下标f为流体；下标s为固体；q为热流量，W；T为温度，K；τf为流体作用力，N；τs为固体应力，Pa；z为位移，m。

2 结果讨论分析

2.1 密封环热-力耦合边界条件

机械密封在热-力耦合计算时，螺旋槽机械密封环的材料力学性能如表2，在动静环各表面均加了相应的热-力条件和边界约束，两环四周分别做了能量耗散和绝热假设。设置动环转速区间为nr(8000-12000)r/min；设置服役温度300℃；设置介质压力7MPa；动静环贴合面为热-力耦合面；具体耦合边界设置如图2所示。

表2 螺旋槽机械密封环的材料力学性能

图2 密封副边界条件

2.2 密封环变形

机械密封集装运转时，液膜热力作用和动环高速旋转的惯性离心力等多重耦合载荷下导致动静环端面发生微尺度变形。在Workbench温度场和结构场中将刚性约束和热-力耦合作用在两环的接触面进行分析计算。如下图3和图4为服役温度300℃；力载荷约7MPa；转速10000r/min下得到的两环变形图。

(a)热应变 (b)力应变 (c)热-力耦合应变

(a)热应变 (b)力应变 (c)热-力耦合应变

观察图3图4看出，由热作用引起的密封环变形最大，热-力耦合次之，力变形最小，且动环在三种载荷下的变形始终大于静环。对比分析图3(a)和图4(a)发现，动环端面的最大热变形量为0.0385mm；静环最大变形量为0.0323mm；动环最大变形部位主要集中在螺旋槽内部，而静环的最大变形部位处在光环的正端面，这是因为动环端面产生的热量较大，加之刻画的螺旋槽对动环的连续性结构有了一定的破坏，削弱了动环的承载能力，使变形量在螺旋槽处最大。而静环相较于动环结构完整，热应力的变形显得不明显。因此动环比静环对热载荷更敏感。

观察图3(b)和图4(b)发现，密封环在力作用下时，两环的接触面均发生凹向变形，且动环的变形量略大于静环，这一方面是螺旋槽动环端面的连续性结构遭到破坏，有应力集中的现象，另一方面是动环在高速旋转环境下产生的各种力效应叠加明显。

观察分析图3(c)和图4(c)得知，两密封环热-力耦合的变形始终小于热应力引起的变形，这是因为两环在热作用产生凸向热膨胀变形的同时，力作用引起的凹向变形抵消了部分的热膨胀变形，使得热-力耦合的变形小于热引起的变形量，总体来看，热应力引起的变形才占主导地位。

2.3 工况条件的影响

2.3.1 转速的影响

在Workbench结构耦合场中设置转速8000-12000r/min，温度300℃以及合力载荷7MPa下，分析转速对动静环变形量的影响，具体如下图5所示。

(a)动环

由图5(a)和5(b)可知，转速对动环的影响远大于对静环的影响。随着转速在8000-12000r/min区间的增大，动环的热变形、力变形和热力耦合变形均增大；静环的热变形、热力耦合变形依次增大，但力变形几乎不变。这是因为转速的增大，动环与液膜间产生的摩擦热不能及时随润滑冷却液膜带走，而是作用在密封环的正端面，致使两环的端面发生热膨胀变形，加之螺旋槽动环结构的连续性破坏的原因，使的热应力、离心惯性力均在螺旋槽根部聚集，使得各种效应下动环的应力集中现象明显，且由于两环材料特性存在的差异，使得动环在各种情况下的变形领先静环。

3 结论

1) 螺旋槽机械密封在实工况下的服役变形是多重热、力效应的耦合作用，而非单一因素影响，且热-力耦合变形较热作用引起的变形小，较力作用引起的变形大。

2) 螺旋槽动环由于应力集中明显，故而螺旋槽动环变形较静环在热作用、热-力耦合作用和力作用下的变形大。

3) 转速对机械密封的影响巨大，随转速的增加，动环在三种载荷下的变形近线性增大，而热作用、热-力耦合作用对静环的变形影响大，力作用对静环变形影响甚小。