搜索超高速下機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)及溫度場研究
2016-08-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘 要:針對受限空間下需要密封兩種介質(zhì)的超高速密封工況提出一種機(jī)械密封形式,分析并總結(jié)超高速情況下機(jī)械密封所用材料 針對所選用的機(jī)械密封形式, 選取合適的參數(shù),校核機(jī)械密封相關(guān)性能參數(shù),并對密封副溫度場進(jìn)行初步研究,得到密封副溫度場的變化規(guī)律最大值及其位置,確定合適的材料及沖洗量。
關(guān)鍵詞:超高速; 機(jī)械密封; 材料; 溫度場
目前國內(nèi)的機(jī)械密封所能達(dá)到的線速度約為100 m/ s 左右, 密封形式單一 在某型號渦輪機(jī)的研制中, 由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已超過50 000 r /min,密封端面線速度超過 150 m/ s, 轉(zhuǎn)速極高; 密封設(shè)計(jì)空間受限; 且密封裝置需要對做完功的乏氣和潤滑油兩種介質(zhì)進(jìn)行密封; 同時(shí)泄漏量要求極小,其設(shè)計(jì)指標(biāo)已經(jīng)超過國內(nèi)成熟的研究與應(yīng)用范圍, 密封設(shè)計(jì)難度很大 針對這種空間受限的超高速工況, 通過分析選取一種機(jī)械密封結(jié)構(gòu), 總結(jié)超高速情況下機(jī)械密封材料的選擇, 并選取合適材料進(jìn)行溫度場初步研究, 得到機(jī)械密封裝置端面溫度分布規(guī)律及冷卻水量對溫度場的影響 旨在從溫度場方面驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)械密封裝置的合理性, 為超高速機(jī)械密封的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)
1. 1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分析
超高速情況下,單純靠選用耐高溫導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)低的密封副材料不一定會帶來預(yù)期的效果。何況對于密封潤滑性差和易揮發(fā)的液體來說, 還會出現(xiàn)液膜和介質(zhì)氣化等問題, 需采用沖洗措施。對機(jī)械密封裝置部分表面的冷卻可以迅速移走摩擦熱量, 降低密封的工作環(huán)境溫度, 改善潤滑條件, 防止干運(yùn)轉(zhuǎn)和雜質(zhì)集積, 從而降低機(jī)械密封裝置的溫度。此處機(jī)械密封裝置由兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)械密封裝置組成, 兩機(jī)械密封中間充滿冷卻水, 一個(gè)機(jī)械密封負(fù)責(zé)對外層介質(zhì)和冷卻水進(jìn)行密封; 另一個(gè)機(jī)械密封負(fù)責(zé)對內(nèi)層介質(zhì)和冷卻水進(jìn)行密封 這樣既密封住了兩種介質(zhì), 又對密封副端面進(jìn)行了冷卻單個(gè)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 機(jī)械密封示意
1. 2 機(jī)械密封冷卻水量的確定
沖洗液的流速會影響密封裝置表面的對流換熱系數(shù), 從而影響機(jī)械密封溫度場分布 在確定機(jī)械密封的沖洗量時(shí)應(yīng)該考慮密封端面的摩擦熱和旋轉(zhuǎn)元件的攪拌熱,但由于攪拌熱不易確定,通常按端面摩擦熱考慮合適的摩擦系數(shù)來確定。將兩個(gè)機(jī)械密封的端面摩擦熱疊加計(jì)算其沖洗量,冷卻液選用30 ℃清水, 其摩擦熱采用如下公式進(jìn)行計(jì)算。
N = fpc VmAf
( 1)
式中:f 摩擦系數(shù),取0. 1;
pc 密封端面比壓;
Vm 密封面平均線速度;
Af密封環(huán)面面積。
摩擦熱采用如下公式進(jìn)行計(jì)算。
式中,帶 o 下標(biāo)的參數(shù)表示外靜環(huán)參數(shù),帶 i 下標(biāo)的參數(shù)表示內(nèi)靜環(huán)參數(shù)。其各符號含義如下。
pg 端面比壓;
c 沖洗液比熱容;
p沖洗液密度;
tx 沖洗液出入口溫差。
則沖洗量: Qx 10. 8 L /min。冷卻水管道內(nèi)徑尺寸為
式中:Q 液體流量, m3 / s;
v 流速, m/ s。
則冷卻水流速為 v = 9.19 m/ s
2、超高速情況下機(jī)械密封動、靜環(huán)材料的選取
通常情況下,摩擦副的動環(huán)和靜環(huán)材料選用一硬一軟兩種材料配對使用。其中軟材料主要保證密封面的磨合性和自潤滑性,其應(yīng)用范圍最廣的是石墨。硬材料要具有高的耐磨性和導(dǎo)熱性,以便不被磨損,盡快將密封端面的熱量傳遞到其它地方。適用于高速高壓的機(jī)械密封端面硬材料主要有兩種:工程陶瓷和硬質(zhì)合金[1]。
由于摩擦功耗與機(jī)械密封端面平均線速度成正比: Nf= fpgvA, 超高速情況下, 密封端面平均線速度超過150 m/ s,從而產(chǎn)生大量摩擦熱,密封副溫度急劇升高,導(dǎo)致密封環(huán)內(nèi)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力并出現(xiàn)熱裂 造成密封環(huán)變形甚至斷裂;端面溫升還可能使液膜和密封介質(zhì)汽化,造成密封失穩(wěn),泄漏量增加。同時(shí),機(jī)械密封的端面磨損率也與密封副周速成正比:= Kw pc V /H,速度越高,磨損越嚴(yán)重。而密封副的端面比壓,平均線速度等值是不變的, 因此,在超高速條件下,只能通過改變摩擦系數(shù)、材料硬度等值來降低機(jī)械密封的摩擦功耗與磨損率, 即所選密封材料要具有良好的導(dǎo)熱性能、自潤滑性、熱膨脹性和一定的耐磨性?；谝陨峡紤], 軟環(huán)一般選擇浸漬不同材料的碳石墨,與之配對的硬環(huán)材料通常選擇導(dǎo)熱性良好的反映燒結(jié)或無壓燒結(jié)碳化硅, 當(dāng)可能遭受腐蝕時(shí), 選擇化學(xué)穩(wěn)定性更好的熱壓燒結(jié)碳化硅在計(jì)算機(jī)械密封溫度場時(shí),選擇了浸銀碳石墨 M106G 和反映燒結(jié) SiC 兩種材料分別作為密封面軟材料和硬材料, 其各項(xiàng)物理性能指標(biāo)見表1。
表1 機(jī)械密封材料特性
3 機(jī)械密封溫度場研究
3. 1 基本假設(shè)
鑒于機(jī)械密封裝置實(shí)際工作時(shí)的復(fù)雜性,考慮所有的因素將增加計(jì)算量, 降低可求解性, 因此在研究其溫度場時(shí), 做如下假設(shè)。
1) 穩(wěn)定工況下, 忽略靜環(huán)座的軸向移動對彈簧力大小的影響, 并忽略輔助密封件的摩擦阻力等。
2) 假定動靜環(huán)完全接觸,忽略密封環(huán)的加工 安裝誤差以及裝配應(yīng)力導(dǎo)致的密封端面變形。
3) 忽略因密封環(huán)端面的徑向變形導(dǎo)致對應(yīng)接觸節(jié)點(diǎn)的溫度差, 并忽略端面間液膜的熱傳導(dǎo)。
4) 密封副材料性質(zhì)和密封介質(zhì)的性質(zhì)不隨溫度變化, 密封介質(zhì)的溫度是恒定的。
5) 摩擦副產(chǎn)生的摩擦熱全部由冷卻水強(qiáng)制對流換熱帶走, 且其它密封環(huán)表面均視為絕熱。
3. 2 對流換熱系數(shù)的確定
目前對流換熱系數(shù)的確定主要有 3 種方法實(shí)驗(yàn)法, 即通過試驗(yàn)方法間接測量其對流換熱系數(shù);數(shù)值法,即通過熱流耦合計(jì)算流固邊界的對流換熱系數(shù);解析法,即通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算對流換熱系數(shù)。由于在該機(jī)械密封裝置中,被密封介質(zhì)的流動狀態(tài)很復(fù)雜,故本文采用解析法計(jì)算對流換熱系數(shù) 其對流換熱邊界分為以下3 種情況計(jì)算[3]。
1) 動環(huán)外徑處與外界介質(zhì)之間的對流傳熱需要考慮動環(huán)旋轉(zhuǎn)的攪拌作用, 以及橫向繞流的作用, 其對流換熱系數(shù)為 a = Nu /Ddor, 相應(yīng)的努賽爾數(shù)為
2) 對于流體繞流圓柱體的對流換熱,其努賽爾數(shù)可采用丘吉爾-朋斯登關(guān)聯(lián)式:實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為 RePr > 0. 2
3) 對于掠過平板的湍流對流換熱,平均努賽爾數(shù)可用下式計(jì)算。
Nuf= 0. 0296Re4/5fPr1 /3f, 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為0. 6 < Prf< 60。其中,各符號含義參見文獻(xiàn)。
3. 3 溫度場計(jì)算分析
采用 UG 建立機(jī)械密封模型, 導(dǎo)入 ANSYSWORKBENCH, 采用其自帶的工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置邊界條件為 動環(huán)緊貼轉(zhuǎn)軸的面的溫度取22℃; 摩擦熱以熱流密度形式分別加載到兩靜環(huán)端面,自動實(shí)現(xiàn)熱量分配; 對流換熱系數(shù)添加到對應(yīng)表面。所得結(jié)果見圖2 ~ 4。
圖2 內(nèi)靜環(huán)端面溫度隨半徑變化規(guī)律
圖3 外靜環(huán)端面溫度隨半徑變化規(guī)律
圖2、3 給出了轉(zhuǎn)速為50 000 r /min,冷卻水量為10 L /min 情況下的內(nèi)、外靜環(huán)端面溫度隨半徑的變化規(guī)律。兩靜環(huán)表面溫度分布近似呈拋物形其中,內(nèi)靜環(huán)最高溫度為74. 11℃,與之對應(yīng)的半徑為r =17. 3 mm;外靜環(huán)最高溫度為106. 81℃,與之對應(yīng)的半徑 r = 30. 6 mm。且內(nèi)外靜環(huán)與密封介質(zhì)及冷卻水接觸部分的溫度均在100℃ 以下,因此不會引起冷卻水汽化。
圖4 給出了轉(zhuǎn)速為 50 000 r /min 時(shí),機(jī)械密封裝置的最高溫度隨冷卻水量的變化規(guī)律由圖4 可知:當(dāng)冷卻水量從1 L / min增加到10 L / min時(shí),其最高溫度從115. 8 ℃降低到了106. 2 ℃,但降幅不太明顯。另外,冷卻水量增加時(shí),其壓力隨之增大, 從而使得機(jī)械密封端面比壓增大,摩擦功耗增大,溫度升高。因此,無限度的增加冷卻水量未必可行,通過分析,最終將合適的冷卻水量定為10 L /min。
圖4 冷密封裝置最高溫度隨卻水量的變化
4、結(jié)論
1) 在轉(zhuǎn)速為 50 000 r /min,選用冷卻水量為10 L /min 情況下,所設(shè)計(jì)密封裝置的最高溫度為106.81 ℃, 滿足密封性能要求。從溫度場方面說明了在需要對超高速情況下兩種介質(zhì)同時(shí)進(jìn)行密封時(shí),采用兩個(gè)獨(dú)立機(jī)械密封形式是可行的。
2) 最高溫度隨冷卻水量的增加而降低,但降幅不大。通過分析,最終確定合適的冷卻水量為10 L /min。
3) 密封端面的溫度呈拋物形分布,最高溫度處于背離與冷卻水接觸表面,距離為 2 /3 表面寬度處。與冷卻水接觸表面的溫度均在100 ℃以下,不會引起冷卻水汽化。
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