高温泵用液膜密封黏温特性数值研究

朱晓琳

（内蒙古广播电视大学，内蒙古 呼和浩特 010010）

在石油石化行业中，炼油厂中诸多装置的工作介质温度较高，因此，会用到泵组操作温度在200℃～400℃的高温油泵，这类油泵一旦发生泄漏，极易引发严重的安全事故，因此，高温泵用密封的安全性非常重要。相比接触式机械密封，螺旋槽非接触式液膜密封是在高温泵中应用较为广泛、且安全系数较高的密封形式之一。高温泵用螺旋槽液膜密封的工作原理图如图1所示，由于内外径温差较大，润滑油黏度会随温度的变化而发生变化，从而对密封性能的数值分析产生较大影响，本文以螺旋槽非接触式液膜密封为研究对象，采用FLUENT仿真分析软件，对高温泵用液膜密封的黏温特性进行数值研究。

图1 螺旋槽液膜密封结构图

1 建模及条件参数设置

1.1 润滑油黏温方程

液压润滑油的黏度对温度变化十分敏感，表现为温度升高时，黏度降低。黏度随温度变化的程度与标准油黏度随温度变化的程度的比值称为黏度指数。黏度指数越高，表示润滑油受温度影响越小，其黏温性能越好。本文选择Slotte方程（式1）对润滑油的黏温特性进行拟合计算。

其中，a、b、c为与油液有关的常数。

本文选择32号液压油作为润滑油，通过图表可查得其黏度随温度变化的实验测定数值，将其带入公式，可以得到润滑油的黏温方程为：

1.2 几何建模及条件参数

选取动环、液膜和静环作为研究对象，静环开槽，按照线、面、体的顺序进行分块网格划分。最终生成的网格单元数为122744，网格最大倾斜率没有超过0.9，99.69%的网格倾斜率都在0.4以下，网格质量良好。

动环材料采用硬度较小的浸渍锑碳石墨，开槽的静环采用硬度较大的钨钢作为材料，封液采用温度为373K的液压油，其黏度为η=0.00387Pa·s。热边界条件设置如表1所示，动静环内外径的对流传热系数参考相关文献计算结果。

表1 螺旋槽液膜密封的热边界条件

2 液膜密封的压力场和温度场

图2是在不考虑黏温效应的情况下得到的液膜压力分布，黏度釆用入口油液的黏度值来进行计算，算得槽尖处最高压力为42.5MPa，而且最低压力出现了负值，负压区域如图（b）中圆圈内所示，这是因为发生了空化。对于螺旋槽密封，空化的产生也是形成端面开启力的必要条件，但是，空化容易产生空化减阻和空蚀，因此，应该尽量避免。

图2 定黏度液膜的压力分布

同时，得到液膜温度场如图3所示，油液在泵入到密封端面后，温度会迅速升高，液膜温度场变化较大，黏度会随着温度的升高而下降，因此，釆用入口处的黏度值来计算是非常不准确的，综上考虑，为了提高对高温泵液膜密封黏温效应分析的准确度，本文对定黏度的计算采用的是密封面的平均温度下的黏度来进行计算的。

图3 液膜的温度分布

图4液膜的温度分布可以看出，液膜与静环接触面温差变化相对较大，液膜端面入口处温度变化较大，但是，中间温度较为均匀，计算得出出入口的平均温度近似为467K，查得该温度下的油液黏度为8.09×10-4Pa·s，用此黏度计算得到的液膜压力分布如图4(a)所示，槽尖处的最高压力为9.19MPa。图4（b）为代入液膜黏温公式得到的压力分布图，计算结果显示，槽尖处压力峰值仅为2.67MPa。可以看出，两种情况下得到的压力峰值相差三倍之多，所以，对于高温油泵来说，液膜黏温效应是必须要考虑的分析计算因素。

图4 液膜的压力分布图

3 操作参数对密封性能的影响

3.1 转速对密封性能的影响

轴的转速对密封性能的影响，主要体现在对液膜的开启力和泄漏量的影响。由图5 (a)可以看出，随着转速的增大，液膜开启力都是呈线性增大的趋势，考虑黏温效应时的开启力位于定黏度开启力的下方，数值偏小，且考虑黏温效应时的开启力变化速度偏小；从图5（b）可以看出，考虑黏温效应时的泄漏量大于定黏度时的泄漏量，而且考虑黏温效应的泄漏量变化斜率更大，即随转速增大而增加的更快。这是因为液膜的温度随转速变化较大，随着转速的升高，油液温度升高，考虑黏温效应时黏度会发生下降，因此，动压效应减弱，计算得出的开启力会偏小、泄漏量会偏大。

图5 开启力和泄漏量随转速变化规律

图6为摩擦功耗随转速的变化规律，端面摩擦功耗是随着转速的增大成抛物线增加的，低转速时功耗变化相对较小，转速越大，摩擦功耗增加的越快；相比于定黏度的摩擦功耗，考虑黏温效应的摩擦功耗计算值明显偏小，而且变化趋势较为平缓，这是因为摩擦转矩由压力转矩和黏性转矩组成，考虑黏温效应时，黏度沿半径增大的方向减小，因此，摩擦功耗也会变小。

图6 摩擦功耗随转速变化规律

3.2 内外径压力比对密封性能的影响

对于内径开槽的螺旋槽非接触式液膜密封，外侧密封介质压力一般是不发生变化的，内径处压力是封液润滑油的压力，内、外径压力比pi/po的值就能够反映封液的压力变化。

如图7（a）所示，随着内外径压力比的增加，液膜开启力成线性增大的趋势，考虑黏温效应时的计算结果要远远大于定黏度的计算结果，二者的变化速度基本一致；图7（b）可以看出，随着内外径压力比的增大，考虑黏温效应时的泄漏量远大于定黏度时的泄漏量，而且二者的差距愈发显著，考虑黏温效应的泄漏量增大速度远远大于定黏度时计算的泄漏量，这是因为随着入口压力的增加，泵送量也会相应增大，泄漏量会变大，而考虑黏温效应时，黏度沿着半径方向呈减小趋势，动压效应减弱，从而使泄漏量增大的更快。

图7 密封性能参数随内外径压力比变化规律

从图8可以看出，内外径压力比的增大对摩擦功耗的变化几乎没有影响，但是考虑黏温效应时算得的摩擦功耗远远小于定黏度时的计算结果，这是因为考虑黏温效应时的黏度会沿半径方向减小，摩擦功耗相应地也会变小。综上分析，对于液膜密封来说，不考虑液膜的黏温效应会严重影响其性能研究以及相关参数设计的准确性。

4 结语

（1）对于高温泵用液膜密封，其入口黏度不能够作为计算条件，因为内外径温差大，会为计算带来较大误差，因此，需要采用平均温度下的黏度作为计算条件，与变黏度得到的结果进行分析对比。

图8 摩擦功耗随内外径压力比变化规律

（2）对于高温泵用液膜密封，考虑黏温效应时得到的液膜开启力和摩擦功耗都偏低、泄漏量偏高，而且偏差较大，这是因为油液黏度随着温度的升高而减小，尤其随着转速和内外径压力比的增大，黏度降低效应愈发明显，动压效应减弱。

（3）对于高温泵用液膜密封，密封环内、外径温差较大，温度变化梯度大，黏温效应影响显著，因此，黏温效应会对其性能的分析计算产生至关重要的影响，此结果可为高温泵液膜密封的结构设计提供相关参考。