摘要 摘要 機(jī)械密封作為常用的軸向端面密封裝置，其性能直接關(guān)系到整臺機(jī)械設(shè)備的 安全問題。機(jī)械密封運行時，端面摩擦和附件攪拌產(chǎn)生的熱量不易擴(kuò)散，熱量積 累，使密封環(huán)端面溫升過高，易造成端面的干摩擦、熱裂和變形等問題，導(dǎo)致密 封迅速失效，因此，對密封環(huán)溫度場的研究具有十分重要的意義。密封腔內(nèi)流體 的流動與傳熱與密封環(huán)的溫度場分布密切相關(guān)，因此研究時應(yīng)同時考慮密封腔內(nèi) 流熱場和密封環(huán)溫度場。但目前大多數(shù)研究集中在密封環(huán)的溫度場方面，本文在 前人對機(jī)械密封及腔內(nèi)流動的理論與試驗研究基礎(chǔ)上，以浙江某企業(yè)生產(chǎn)的 l s p a 6 0 0 型離心泵為載體，對離心泵密封腔流體流動及密封環(huán)進(jìn)行流熱耦合計 算，并根據(jù)對流強(qiáng)化傳熱理論對密封腔進(jìn)行改型設(shè)計，以改善機(jī)械密封周圍的運 行環(huán)境。主要工作與研究成果有： 1 、采用有限元法對機(jī)械密封動、靜環(huán)單獨進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場求解，分析了動、 靜環(huán)的溫度分布規(guī)律。 2 、基于有限元的有限體積法，采用直接耦合方式對摩擦副和泵內(nèi)全流場進(jìn) 行穩(wěn)態(tài)流熱耦合計算，探討了密封腔內(nèi)的溫度分布規(guī)律；與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行 對比，分析了密封腔內(nèi)流動對機(jī)械密封溫度分布的影響情況。結(jié)果表明：腔內(nèi)流 體的流動影響著熱量傳遞，進(jìn)而影響著機(jī)械密封環(huán)的溫度分布情況；采用直接耦 合方法得到的對流傳熱系數(shù)大于半經(jīng)驗公式計算的對流傳熱系數(shù)；泵在不同工況 運行時，機(jī)械密封環(huán)端面溫度變化不明顯。 3 、根據(jù)強(qiáng)化對流傳熱理論和分析研究，對密封腔進(jìn)行改型設(shè)計，改變流體 的流動狀態(tài)，以強(qiáng)化傳熱。應(yīng)用場協(xié)同原理分析速度場與溫度場的協(xié)同性，同時 研究改型設(shè)計對泵外特性的影響。結(jié)果表明：密封腔的改型設(shè)計使流體不再沿著 等溫線運動，速度場與溫度場協(xié)同性得到改善，強(qiáng)化了傳熱，腔內(nèi)溫度降低。 4 、對密封腔改型后的模型泵進(jìn)行性能試驗，并同時測量密封腔內(nèi)流體的溫 度，從性能及腔內(nèi)溫升兩個方面驗證模擬分析的準(zhǔn)確性。得出：筋板的阻隔作用 對腔內(nèi)流動并未產(chǎn)生較大阻力，對泵的水力效率影響較?。辉囼灉y得改型后的腔 內(nèi)溫度低于改型前的腔內(nèi)溫度。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 為了改善泵密封腔內(nèi)的運行環(huán)境，本文以強(qiáng)化對流傳熱措施和場協(xié)同理論為 指導(dǎo)思想進(jìn)行了一系列的嘗試和實踐，成功地對老產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)，改善了機(jī)械 密封的運行環(huán)境，提高了可靠性。密封腔改型設(shè)計現(xiàn)已應(yīng)用于浙江某企業(yè)的批量 生產(chǎn)的產(chǎn)品中，為機(jī)械密封冷卻方面提供了切實可行的參考，具有一定的理論價 值和工程意義。 關(guān)鍵詞：離心泵，密封腔，穩(wěn)態(tài)溫度場，對流強(qiáng)化傳熱，場協(xié)同理論 摘要 a bs t r a c t a sac o m m o na x i a lf a c es e a l ，m e c h a n i c a ls e a l sp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h es e c u r i t yo ft h ee n t i r em a c h i n e r y m e c h a n i c a ls e a l sf a c ef r i c t i o na n da c c e s s o r i e s m i x i n gm a k eh e a tn o te a s yt os p r e a d ，t h u sh e a ta c c u m u l a t e s ，t e m p e r a t u r er i s e so n m e c h a n i c a ls e a li n t e r f a c ei nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，i tw i l lc a u s ea b n o r m a la b r a s i o n ， t h e r m a l - c r a c k ，d i s t o r t i o no fs e a la n df i n a lf a i l u r e s oa n a l y s i so nt h et e m p e r a t u r ef i e l d o fs e a lr i n gi sv e r ys i g n i f i c a n t d u et oo s c u l a t i n gc o r r e l a t i o no ff l o wa n dh e a tt r a n s f e r , t h es t u d ys h o u l da l s oc o n s i d e rt h ef l o wt h e r m a lf i e l do fs e a lc a v i t ya n ds e a lr i n g s t e m p e r a t u r ef i e l d h o w e v e r , m o s ts t u d i e sf o c u s e do nt h et e m p e r a t u r ef i e l do fs e a lr i n g o nt h eb a s i so fp r e v i o u st h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h em e c h a n i c a ls e a l a n dc a v i t yf l o w , t h ef l o wt h e r m a l c o u p l i n g c a l c u l a t i o nb e t w e e nm o d e lp u m p l s p a 6 0 0 ss e a lc h a m b e rf l o wa n dm e c h a n i c a ls e a lr i n gw a sr e s e a r c h e d i no r d e rt o i m p r o v eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fm e c h a n i c a ls e a l ，a na m e n d i n gr e d e s i g np r o c e d u r e w a sm a d eo ns e a lc a v i t y m a i nw o r ka n dr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： 1 u s i n gf e m ，t h es t e a d y s t a t et e m p e r a t u r ef i e l do nt h em e c h a n i c a ls e a lr i n gw a s s o l v e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa r eo b t a i n e d 2 t h es t e a d y - s t a t ef l o wt h e r m a lc o u p l i n gw a sc a l c u l a t e db e t w e e nt h ep u m pf l o w a n dm e c h a n i c a ls e a lb yc f x s o f t w a r e ，a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so fs e a lr i n g a n ds e a l e dc a v i t yw e r ed r a w n c o n t r a c tt ot h ef o r m e rs i m u l a t i o n ，i ti ss h o w nt h a t ：t h e c a v i t y f l u i df l o wa f f e c t st h eh e a t t r a n s f e r , t h e r e b ya f f e c t i n gm e c h a n i c a ls e a l s t e m p e r a t u r er e d u c e d t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt h a to b t a i n e du s i n g f l o w t h e r m a lc o u p l i n gm e t h o di sg r e a t e rt h a nt h eo n et h a tc a l c u l a t e db ye m p i r i c a l f o r m u l a t h em e c h a n i c a ls e a lf a c et e m p e r a t u r e sc h a n g e dl i t t l ew h e np u m po p e r a t e da t d i f f e r e n tc o n d i t i o n s 3 b a s e do nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rt h e o r ya n da n a l y s i sr e s e a r c h ，t h ea m e n d i n g r e d e s i g no fs e a l e dc a v i t yw a sm a d e w i t ha p p l i c a t i o no ff i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e ，t h e i n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nv e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw a sa n a l y z e d a l s o ，t h e i i i 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 i m p a c to ft h er e d e s i g no np u m p se x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h a t ：t h ea m e n d i n gr e d e s i g nm a k e sb e r e ri n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nv e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ef i e l d st h a nt h e f o r m e ro n ei nt h es e a l e dc a v i t y , t h u sh e a tt r a n s f e ri s e n h a n c e d ，a n dt h et e m p e r a t u r eb e c o m e sl o w e r 4 t ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h er e d e s i g np u m pw a s t e s t e df r o mt w oa s p e c t s ：p e r f o r m a n c ea n dc a v i t y sf l u i dt e m p e r a t u r er i s e t h er e d e s i g n d o e sn o ta f f e c tt h ep u m p sh y d r a u l i ce f f i c i e n c ya n dt h et e m p e r a t u r eo ns e a lf a c ew a s i th a sa t t e m p t e da n dp r a c t i c e dt or e t r o f i tp u m ps e a lc a v i t yt h r o u g hc o n v e c t i o n h e a tm e a s u r e sa n df i e l ds y n e r g yt h e o r ya sg u i d i n gi d e o l o g yi nt h i sa r t i c l e i th a sm a d e t h e i m p r o v e m e n ts u c c e s s f u l l y f o rt h eo l dp r o d u c t ，a m e l i o r a t e dt h e o p e r a t i n g e n v i r o n m e n to ft h em e c h a n i c a ls e a l ，t h u si m p r o v e ds e a lr e l i a b i l i t y t h er e s e a r c hr e s u l t h a sa l r e a d yb e e na p p l i e di ne x t e n s i v em a n u f a c t u r ea n de x t e n d st h eo t h e rp r o d u c t so f t h ec e r t a i nc o r p o r a t i o ni nz h e j i a n gp r o v i n c e i tp r o v i d e sap r a c t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e m e c h a n i c a ls e a lc o o l i n g , a n dh a ss o m et h e o r e t i c a lv a l u ea n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ，s e a lc a v i t y , s t e a d y s t a t et e m p e r a t u r ef i e l d ，c o n v e c t i v e i v h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，f i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e 第一章緒論 第一章緒論 1 1 研究背景、意義及課題來源 1 1 1 研究背景 機(jī)械密封是一種依靠彈性元件對動、靜環(huán)端面的預(yù)緊或介質(zhì)壓力與彈性元件 共同壓緊而達(dá)到密封的軸向端面密封裝置【1 1 。它主要解決流體機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)體 之間的泄漏問題，同時還具有緩沖振動和沖擊等作用，廣泛應(yīng)用于離心泵、壓縮 機(jī)、反應(yīng)釜等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，涉及到石油、化工和機(jī)械等行業(yè)【2 卅。 機(jī)械密封正常運行時，端面摩擦、密封附件攪拌等產(chǎn)生的熱量容易造成摩擦 副端面溫升過高，影響密封的正常工作。端面溫升過高會帶來諸多問題：密封環(huán) 內(nèi)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱裂紋，嚴(yán)重時甚至造成整個環(huán)碎裂【5 】：易引起液體 的汽化，產(chǎn)生噪音或者振動，造成密封失穩(wěn)，泄漏量增加【6 】。因此，研究機(jī)械密 封的溫度場顯得尤其重要。 關(guān)于泵用機(jī)械密封溫度場主要的研究方法有：數(shù)值解析法、經(jīng)驗法和實測法。 國外有關(guān)學(xué)者已做了大量研究工作，國內(nèi)在此方面起步較晚。前人的研究為以后 的理論研究及溫度場模擬提供了一定參考與依據(jù)，也為機(jī)械密封的優(yōu)化奠定了基 礎(chǔ)。目前，國內(nèi)學(xué)者對泵用機(jī)械密封的溫度場研究大多集中在密封環(huán)，未涉及整 個泵裝置對摩擦副溫度場的影響。但機(jī)械密封和泵是個有機(jī)組合體，將機(jī)械密封 和泵內(nèi)全流場作為整體，研究其耦合特性才能更真實地反映機(jī)械密封的工作狀 態(tài)，得到更準(zhǔn)確的溫度場【7 4 1 1 ，而目前這方面的研究工作還比較單薄。實際上， 密封腔內(nèi)流體的傳熱與流動密切相關(guān)。在泵的運行過程中，機(jī)械密封摩擦副端面 產(chǎn)生的熱量主要靠泵密封腔內(nèi)的流體循環(huán)來進(jìn)行冷卻。腔內(nèi)流體的流動形式、速 度、壓力等參數(shù)直接影響著摩擦副的溫度場。因此，有必要將泵密封腔內(nèi)流場和 機(jī)械密封溫度場作為一個整體進(jìn)行研究。 1 1 2 課題來源及研究意義 本課題來源于浙江某公司生產(chǎn)的l s p a 6 0 0 型的離心泵，其葉輪及泵殼均為塑 料材質(zhì)，工作介質(zhì)為熱水( 8 0 ) ，無任何沖洗設(shè)備。泵運行時密封腔內(nèi)出現(xiàn)熱 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 積累現(xiàn)象( 即熱量產(chǎn)出速率大于導(dǎo)出速率) ：持續(xù)的高溫環(huán)境導(dǎo)致機(jī)械密封附近 塑料件軟化，引起機(jī)械密封泄漏。 針對l s p a 6 0 0 型離心泵出現(xiàn)的問題，本文著重研究泵內(nèi)流場與摩擦副之間的 流熱耦合問題，得出流動對傳熱的影響；基于強(qiáng)化傳熱理論對密封腔進(jìn)行改型設(shè) 計，并根據(jù)場協(xié)同原理來指導(dǎo)分析，以此給機(jī)械密封提供良好的工作環(huán)境，提高 其可靠性。 就理論研究本身而言，借鑒國內(nèi)外已有的相關(guān)研究理論，對機(jī)械密封整個運 行裝置的流熱耦合進(jìn)行模擬和分析，從工程意義上講，密封腔內(nèi)流熱耦合分析將 有助于掌握介質(zhì)流動情況對機(jī)械密封溫度的影響程度，以便找出有效的改進(jìn)措 施，來提高機(jī)械密封裝置的運行環(huán)境。因此，本課題具有重要的理論價值和工程 意義。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械密封摩擦副相互貼合產(chǎn)生的摩擦熱導(dǎo)致密封環(huán)特別是密封端面的溫度 升高，加之一些使用條件較苛刻，實際情況很難達(dá)到，諸多因素影響了密封性能。 這些因素一旦累積，將誘導(dǎo)密封裝置迅速失效，因此機(jī)械密封的溫度問題一直受 到關(guān)注。從保證密封裝置長期可靠運轉(zhuǎn)的角度出發(fā)，需要掌握機(jī)械密封各部分的 受熱情況，其中主要是摩擦副端面溫度場和密封腔內(nèi)流體的流場和溫度場。本文 主要研究內(nèi)容包括兩個方面：密封環(huán)溫度場和密封腔流熱耦合場。 1 2 1機(jī)械密封環(huán)的溫度場研究 1 2 1 1 國外研究現(xiàn)狀 1 9 6 9 年，r p r o b i n s o n 和r b u n t o n 1 2 】采用數(shù)值計算的方法計算了密封 環(huán)的溫度場，并給出摩擦熱計算式以及對流換熱系數(shù)口。 1 9 7 6 年，“1 3 】利用有限元法求解得到了密封座和密封環(huán)的等溫線。 1 9 8 0 年，h u g h e s 和c h a o 1 4 1 分析了等溫、絕熱邊界下液膜潤滑密封，但他忽 略了由密封環(huán)外徑傳至周圍密封液體的熱量。 1 9 8 0 年，l e b e c k 1 5 】采用實際密封模型計算溫度場而對于動、靜環(huán)的高壓密 封流體接觸面采用普通換熱系數(shù)。該邊界條件忽略了動、靜環(huán)邊界上強(qiáng)制、自然 對流的差別，以及膜厚方向的溫度梯度。 1 9 8 0 年，g o r d o ns b u c k 1 6 1 修正了摩擦熱計算式，它是摩擦系數(shù)、載 2 第一章緒論 荷及滑動速度的乘積。 1 9 8 1 年，西德e m a y e r l l 7 1 提出摩擦熱會在密封縫隙中造成高溫，其后果可能 使磨損加劇和增大熱變形?？p隙中產(chǎn)生的摩擦熱主要沿軸向?qū)雰蓚€密封環(huán)中 去，散熱的其它方式則忽略不計，散熱量總在隨時的平衡狀態(tài)下分配到兩個環(huán)上。 1 9 8 6 年，r h o d ee ta l 1 8 】首次將數(shù)值c f d 模型與密封實驗進(jìn)行比較。 1 9 8 7 年，d o u s t 和p a r m a 1 9 】給出了更符合實際的模型，利用了有限元計算模 型。 1 9 9 0 年，z e n s 2 0 利用有限元熱分析得到了密封環(huán)和密封座的溫度分布，并且 給出其等溫線。 1 9 9 1 年，l e b e c k l 2 1 】分析了若干由熱環(huán)境引發(fā)的重要因素，如：徑向錐度、波 度、熱裂紋、過熱點等。 1 9 9 2 年，p a s c o v i c im d 和e t s i o ni ( 2 2 】對機(jī)械密封采用t h d 分析，同時考 慮密封間隙內(nèi)橫、縱向溫度和粘度變化以及實際邊界條件，用解析法求解能量方 程，并以隱式方程的形式給出徑向溫度變化。由于在推導(dǎo)過程中應(yīng)用了附加條件， 計算準(zhǔn)確性不高。 1 9 9 8 年，s l a m a c k 和s o u l i s a 2 3 】等人根據(jù)c f d 模擬得到的密封系統(tǒng)溫度分布 和熱傳導(dǎo)系數(shù)與l e b e c k 試驗結(jié)果相比，得出數(shù)值計算與實驗值之間的差別主要 源于摩擦面熱源的計算。他認(rèn)為密封徑向和軸向的溫度梯度是影響端面間隙和密 封性能的主要因素。 1 9 9 9 年，b u c k l 2 4 】建立了將密封視為散熱源的有限元分析模型，給出了一種 基于該模型來確定密封溫度的方法。 2 0 0 0 年，s h i f e n gw u 并i i r a yc l a r k 2 5 】采用f l u e n t 軟件研究了槽開在動環(huán)和開 在靜環(huán)上兩種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封，將流體膜內(nèi)的壓力產(chǎn)生過程、速度矢量變化 過程進(jìn)行了可視化。 2 0 0 3 年，l i o n e la y o n g t 2 6 】和t o ml a i t 2 7 1 等建立了有限元分析與流體膜組合 的耦合模型，程序只需輸入密封環(huán)幾何形狀和運行工況等，便可求出環(huán)變形、溫 度、端面液膜厚度和泄漏率等。 1 2 1 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)關(guān)于機(jī)械密封流場及溫度場研究起步較晚，與國外差距較大，最早是上 3 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 世紀(jì)8 0 年代。 1 9 8 0 年，顧永泉【2 8 1 給出了機(jī)械密封的熱量平衡方程，四年后，他又綜合了 相對全面的摩擦系數(shù)計算法【2 9 1 。 1 9 8 6 年，李紅等p o 】針對實際使用的密封環(huán)形狀，將其分解成多個矩形截面 環(huán)分別求解。她繼承了李克永【3 1 】( 1 9 8 0 ) 的思路，利用解析法建立穩(wěn)態(tài)溫度場計算 模型，采用分離變量法求解溫度場控制方程。其不足是只適合于密封環(huán)截面為矩 形的情況，且對流換熱系數(shù)采用實驗值。 1 9 8 9 年，法金元【3 2 】編制了f o r t r a n 語言計算程序，可以求解各種傳熱邊界條 件的機(jī)械密封溫度場問題，給出了不同情況下對流換熱系數(shù)口的計算方法，并結(jié) 合實驗給出了公式的修正系數(shù)，但是該方法有很大的局限性。 1 9 9 1 年，陳文毅p 3 】和張書到3 4 】采用有限元模型計算了機(jī)械密封環(huán)的溫度場。 他把動、靜環(huán)及其環(huán)座看作一個整體來考慮，這樣省去了密封環(huán)間熱量分配的麻 煩，簡化了計算。給出了有限元法計算程序，使其更接近機(jī)械密封的實際情況。 1 9 9 4 年，宋亞東【3 5 】的碩士論文中，借用孔祥謙【3 6 】著作中的穩(wěn)態(tài)溫度場計算 程序?qū)嶋H動、靜環(huán)溫度場進(jìn)行了模擬。他采用軸對稱的有限單元法求解密封環(huán) 溫度場，用計算機(jī)繪制了密封環(huán)的網(wǎng)格圖和等溫線圖，并在自行設(shè)計的試驗臺上 進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)環(huán)與非旋轉(zhuǎn)環(huán)溫度場測試，分析了影響密封環(huán)溫度場的各種因素。 同年，顧永泉 3 7 】利用有限差分法計算了機(jī)械密封的溫度場，缺點在于：對 于復(fù)雜端面的機(jī)械密封來說，計算過于繁瑣，不利于計算機(jī)處理。 1 9 9 5 年，朱孝平等【3 8 】分析了混合摩擦狀態(tài)下雙端面機(jī)械密封的傳熱特點， 建立了端面溫度分布的簡化模型。 1 9 9 6 年，彭旭東、謝友柏 3 9 】等編制了一種電算程序，它可以計算多種介質(zhì) 下機(jī)械密封的端面溫度及性能參數(shù)，通過分析可判斷出機(jī)械密封的相態(tài)穩(wěn)定性； 缺點是：任務(wù)單一，通用性差，數(shù)據(jù)輸入量大，直觀性、交互性差。 2 0 0 1 年，陳利海、程建輝等【刪推導(dǎo)了用于機(jī)械密封溫度場計算的有限元方 程，給出了溫度場計算中關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，編制了一套可視化計算軟件。 2 0 0 1 年，葛培琪【4 1 】給出了根據(jù)密封端面液膜剪切力精確計算摩擦系數(shù)方法。 2 0 0 2 年，程建輝【4 2 】采取獨立計算的思路建立機(jī)械密封環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場計算模 型。由于是對密封環(huán)單獨建模，因此涉及兩密封環(huán)端面的熱量分配問題。程建輝 4 第一章緒論 根據(jù)兩環(huán)端面溫度一致的原則，提出了折半查找熱量分配系數(shù)法。他同時還提出 了轉(zhuǎn)速和密封面寬度是影響端面溫升的重要因素，采用窄的密封面，可明顯降低 端面溫升。 2 0 0 4 年，周劍鋒等【4 3 瞎用a n s y s 軟件計算密封靜環(huán)的內(nèi)部溫度梯度，根 據(jù)軸對稱特性建立簡單的二維有限元模型并劃分網(wǎng)格。結(jié)果表明，窄接觸面的溫 度環(huán)溫度變化主要集中在接觸面附近的一塊很小的區(qū)域，不利于密封環(huán)的散熱。 2 0 0 4 年王勝軍【4 4 l 應(yīng)用a n s y s 建立了機(jī)械密封環(huán)有限元模型，對其溫度場 進(jìn)行了數(shù)值計算，分析了密封環(huán)端面溫度隨密封壓力、主軸轉(zhuǎn)速、材料性質(zhì)等因 素的變化情況，并利用a n s y s 軟件顯示了溫度圖。得出如下結(jié)論：( 1 ) 導(dǎo)熱系數(shù) 高的密封材料可以有效降低端面溫度；( 2 ) 密封端面溫度徑向呈近似拋物線分布； ( 3 ) 沖洗可以有效降低密封端面的溫度；( 4 ) 密封端面溫度隨密封介質(zhì)壓力的升高 或者轉(zhuǎn)速的增加呈近似線性增加的趨勢。 2 0 0 5 年朱學(xué)明【4 5 娟】提出了機(jī)械密封環(huán)的熱結(jié)構(gòu)耦合分析研究。他以密封環(huán) 動態(tài)溫度場為研究對象，在瞬態(tài)熱分析和熱彈性接觸理論基礎(chǔ)上提出了動態(tài)摩擦 熱的計算方法，給出了動態(tài)溫度場分析的基本流程，建立了動態(tài)摩擦系數(shù)模型； 最后用a n s y s 軟件模擬了機(jī)械密封啟動工況。結(jié)果表明，啟動加載過程中密封 端面接觸區(qū)域變小和局部過熱。 2 0 0 5 年，于小丹，孫鐵等m 利用a n s y s 軟件建立了機(jī)械密封環(huán)溫度場的 數(shù)學(xué)模型，用以計算機(jī)械密封環(huán)的溫度場，并且利用經(jīng)驗公式計算了密封介質(zhì)與 密封環(huán)之間的對流傳熱系數(shù)。同年，朱學(xué)明、劉正林等【鈣】建立了高壓機(jī)械密封 動態(tài)溫度場模型，反映了機(jī)械密封啟動、加載過程中端面的熱機(jī)效應(yīng)，指出介質(zhì) 壓力更易導(dǎo)致端面溫升。其不足是忽略了端面液膜的導(dǎo)熱作用和介質(zhì)溫度的變 化。 2 0 0 6 年，單曉亮、胡欲立等【4 9 】利用a n s y s 計算了特定工況下的機(jī)械密封環(huán) 溫度場，得到了環(huán)內(nèi)溫度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)對端面溫度影響顯著。 2 0 0 7 年，周劍鋒等【刪建立了機(jī)械密封環(huán)的傳熱模型，確定了動環(huán)和靜環(huán)傳 遞的摩擦熱占總熱量的比值。借助有限元方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究了密封環(huán)端 面間液膜摩擦熱與端面熱變形的耦合過程。 1 2 2機(jī)械密封腔內(nèi)流體流動的流熱耦合研究 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 在機(jī)械密封裝置運轉(zhuǎn)過程中，由于密封環(huán)和密封腔內(nèi)的流體溫度相互影響、 密切聯(lián)系，僅對機(jī)械密封環(huán)進(jìn)行溫度場的計算不能全面地獲得機(jī)械密封的運行情 況，從而提出了流熱耦合，以及流固熱耦合問題。在耦合分析的研究上，國內(nèi)外 學(xué)者作出的貢獻(xiàn)很多，他們的研究不僅包括穩(wěn)態(tài)，還包括瞬態(tài)。 1 2 2 1 國外研究現(xiàn)狀 1 9 8 7 年，d u m b r a v a 和m o r a r i u 5 1 】采用熱流體動力學(xué)( r r h d ) 分析，對密封端面 溫度采用解析法，同時考慮了流體流動和密封環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的熱量以及冷卻液的對 流。但是該分析假設(shè)沿密封環(huán)端面恒溫，這是不符合實際的。 1 9 8 8 年，b r a u n 等f 5 2 】首次利用全流場拍攝技術(shù)( f f f t ) 來研究流體靜壓、動壓 軸承微小間隙內(nèi)的流體流動。隨后，b r a u n 和c a n a c c i l 5 3 】利用f f f t 測量并模擬了 刷式密封的速度分布，并對密封結(jié)構(gòu)內(nèi)復(fù)雜的流動區(qū)域進(jìn)行了可視化，結(jié)果以圖 形方式顯示了內(nèi)部的流動形式和流體速度變化情況。 1 9 9 3 年，w a l o w i tj a 【5 4 】建立了s p i r a l i 、s p i r a l g 模型，p e c t m tg g 建 立了c r a n e sc s t e d y 模型并用于螺旋槽內(nèi)流體流動的計算模擬。但他們僅僅限 于窄槽理論。 1 9 9 7 年，b r a u nm j 和d z o d z om b 5 5 】利用基于三維n s 方程的數(shù)學(xué) 模型，描述了流體靜壓槽內(nèi)的三維流動。作者采用了并行體網(wǎng)格的有限元容積法， 并求解了能量方程，同時將庫埃特流和噴射流進(jìn)行了三維可視化。 1 9 9 8 年，s l a m a c k 和s o u l i s a 等人【5 6 蛙于計算流體力學(xué)理論，得到密封腔內(nèi) 溫度分布：除了密封座部位基本是均布的，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，最高溫度同接 觸面流體平均溫度的差減小。 1 9 9 9 年，j e f f r e ym o o r ej 和p a l a z z o l oa l a nb 5 7 1 應(yīng)用c f d 模型來計算旋 轉(zhuǎn)槽液膜密封的流場，求解過程應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)低r e 數(shù)下的k 一占湍流模型。 1 9 9 9 年，r a yc l a r k 和h e n r ia z i b e r t 5 8 l 利用f l u e n t 模擬了密封間隙內(nèi)阻塞 流體的流動循環(huán)情況，指出通過減小靜環(huán)與軸套間的間隙可改善其軸向循環(huán)，提 高冷卻效果。它突破了實驗室測試的局限性，通過計算機(jī)模擬便可了解原始設(shè)計 中軸向循環(huán)存在的問題，從而找出改進(jìn)措施，并進(jìn)一步驗證了用f l u e n t 作為 評價工具，能更有效地促進(jìn)密封設(shè)計的改進(jìn)。其不足是僅僅模擬了靜環(huán)與軸套間 的流動、循環(huán)情況，未涉及密封腔內(nèi)的其他部位。 6 第一章緒論 同年，p a r v i zm e r a t i 5 9 】使用有限元軟件f l u e n t 對機(jī)械密封的溫度場和流 場進(jìn)行了計算，在計算時把密封腔動、靜環(huán)以及密封腔的介質(zhì)作為一個整體處理， 密封端面摩擦熱q f 作為內(nèi)熱源處理，結(jié)果以圖形方式顯示了密封腔內(nèi)速度、溫 度分布，指出高溫發(fā)生在密封端面內(nèi)徑處，最大熱流密度在動環(huán)表面靠近動靜環(huán) 接觸區(qū)。不足是建立的是軸對稱二維模型，與實際的三維流動差距較大。 2 0 0 1 年，k u d r i a v t s e vv v 和b r a u nm j 【刪突破窄槽理論的局限性，利 用全三維n s 方程求解器( c f d a c e + ) 研究了入口泵螺旋槽密封內(nèi)的流體流動， 建立了可壓縮層流和湍流模型，對槽內(nèi)三維流動進(jìn)行了可視化。 2 0 0 2 年，b r a u n 等【6 1 】又將計算流體力學(xué)應(yīng)用于一種新型刷式密封手指密 封，建立基于n s 方程的三維模型，模擬密封的流體動態(tài)提升效果和泄漏量，借 助于可視化計算軟件c f d - a c e + 可看到密封內(nèi)的流動模擬效果。 同年，r a yc l a r k 、s h k a z i 、s i a m a c ka 等人【6 2 】采用流體動力分析( c f d ) 軟件 對密封環(huán)進(jìn)行了以熱流場耦合為主的模型，并根據(jù)計算結(jié)果提出了改進(jìn)動靜 環(huán)端面冷卻效果的相關(guān)措施。 2 0 0 3 年，j a n g 和k h o n s a r i 6 3 】應(yīng)用熱彈性分析方法來預(yù)測密封端面發(fā)生過熱 時的臨界速度。不足是此研究沒有考慮由注入沖洗液引起的機(jī)械密封環(huán)周圍的流 動，但實際上機(jī)械密封對流換熱依賴于沖洗流體的流動特性。 2 0 0 6 年，z h a o g a ol u a n 和k h o n s a r im m 【6 q 利用c f d 軟件分析了由注入的沖 洗液和密封環(huán)轉(zhuǎn)動共同引起的密封腔內(nèi)流體的流動，通過求解柱面坐標(biāo)下n s 方 程，獲得了動、靜環(huán)周圍的三維流動特性，引進(jìn)了壓力修正方法和s i m p 蟬法， 指出當(dāng)注入沖洗液流量超過一定值時，冷卻效果并不會增強(qiáng)。 1 2 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在熱流耦合以及密封腔方面的研究很少。其中成果較突出的是北方交通 大學(xué)的丁群( 2 0 0 1 ) 6 5 】應(yīng)用f l u e n t 軟件建立了流場、熱場和應(yīng)力場三者耦合 的系統(tǒng)模型。模型的新穎性在于將三場的耦合分為三個過程：先進(jìn)行熱流場直接 耦合分析求出換熱邊界的對流系數(shù)，再進(jìn)行流熱場間接耦合分析求出溫度場，最 后進(jìn)行熱應(yīng)力場的間接耦合分析求出熱應(yīng)力分布。 2 0 0 4 年王勝軍【6 6 】通過對溫度場的數(shù)值計算，認(rèn)為沖洗可以有效降低密封端 面的溫度。同年，鐘汝琳、陳次昌等【6 7 】利用f l u e n t 對密封環(huán)的溫度場、密封 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 腔內(nèi)流體的溫度場進(jìn)行了建模、計算和分析，得到了密封運轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)下，機(jī)械密封 環(huán)的溫度、壓力分布以及密封腔內(nèi)流體流動情況。但是僅對某一具體的穩(wěn)定工況 進(jìn)行了模擬分析，而未涉及條件變化的動態(tài)流場對溫度場的影響。 2 0 0 5 年，南小妮、周昆穎等嘲采用f l u e n t 對高速運轉(zhuǎn)下的螺旋槽氣體密 封的三維流場進(jìn)行了數(shù)值研究，其不足是沒有涉及流場的其它參數(shù)。 2 0 0 8 年，中國石油大學(xué)的張明明【1 1 】在其碩士論文中專門研究了機(jī)械密封腔 內(nèi)流場及摩擦副溫度場性能。得到了腔內(nèi)流體的速度矢量分布、質(zhì)點軌跡、渦量 分布以及溫度分布等。同時，他還分析了密封腔內(nèi)流場的流動特性以及摩擦副端 面溫度隨沖洗液流量、密封介質(zhì)壓力、主軸轉(zhuǎn)速等因素的變化規(guī)律【5 1 。 綜上所述，國外的溫度場分析理論和耦合理論已基本成熟，并與試驗緊密結(jié) 合，理論研究成果的實用性很強(qiáng)；國內(nèi)在這方面起步較晚，取得了一些研究成果， 主要集中在密封環(huán)的溫度場方面，對于流熱耦合方面，與國外仍存在一定的差距。 1 3 主要研究內(nèi)容 本文研究的目的是改善機(jī)械密封的運行環(huán)境。對機(jī)械密封環(huán)有限元溫度場計 算結(jié)果和密封腔流場與機(jī)械密封環(huán)的流熱耦合結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討密封腔內(nèi) 流體流動對傳熱的影響，以及機(jī)械密封環(huán)的溫度分布情況；提出密封腔改型設(shè)計， 以改善密封環(huán)境。主要研究內(nèi)容有： ( 1 ) 采用有限元法研究機(jī)械密封動、靜環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場，分析動、靜環(huán)的溫度 分布規(guī)律。 ( 2 ) 基于有限元的有限體積法，采用直接耦合方式將機(jī)械密封環(huán)和泵內(nèi)全流 場作為整體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流熱耦合模擬。分析探討此時動、靜環(huán)的溫度分布，以及密 封腔的溫度場與速度場分布規(guī)律。對比分析采用有限元法和有限體積法的模擬結(jié) 果，探討密封腔內(nèi)的流動對機(jī)械密封散熱的影響程度。 ( 3 ) 根據(jù)強(qiáng)化對流傳熱理論，對密封腔進(jìn)行改型設(shè)計，改變流體的流動狀態(tài) 與軌跡，以強(qiáng)化傳熱。應(yīng)用場協(xié)同原理分析速度場與溫度場的協(xié)同性，同時研究 改型設(shè)計對泵外特性的影響程度。 ( 4 ) 對密封腔改型前后的模型泵進(jìn)行性能試驗對比，分析改型前后的軸功率 和腔內(nèi)溫度的變化情況，從性能及腔內(nèi)溫升兩個方面驗證改型方案的優(yōu)越性和模 擬分析的準(zhǔn)確性。 8 第二章機(jī)械密封流動與傳熱理論 第二章機(jī)械密封流動與傳熱理論 2 1 機(jī)械密封的密封機(jī)理 在國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)械密封是這樣定義的：“由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的 端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對 滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置【叫 ?；驹ǎ好芊飧?、彈性元件、輔 助密封、傳動件、防轉(zhuǎn)件等 7 0 - 7 1 1 。如圖2 1 所示，靜環(huán)鑲嵌在葉輪后蓋板的后口 環(huán)環(huán)座中，動環(huán)固定在托架蓋上，并依靠o 形圈進(jìn)行二次密封。動環(huán)在彈簧力 等載荷的作用下，可沿軸向自由移動，并保持動環(huán)和靜環(huán)端面的緊密接觸。靜環(huán) 依靠軸套及葉輪固定在旋轉(zhuǎn)軸上并隨軸旋轉(zhuǎn)。由于靜環(huán)的端面寬度大于動環(huán)端面 寬度，因此，靜環(huán)由硬度高、剛性好且耐磨的材料如碳化鎢、氮化硅等硬質(zhì)材料 制造，而動環(huán)一般用較軟的、有自潤滑作用的材料如碳石墨制造，以防止動環(huán)磨 損到靜環(huán)內(nèi)部。彈性元件為彈簧。 ( a ) 泵體結(jié)構(gòu)簡圖 1 密封腔；2 - 勘環(huán)；3 - 靜環(huán)；4 _ 卅輪 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( b ) 密封腔示意圖 1 卅輪后蓋板：2 - 被密封介質(zhì)；3 _ 蒂環(huán)；4 - 動環(huán)；5 彈簧； 6 - 珈型圈；7 - 捌套；8 _ _ 軸；9 _ “架蓋 圖2 1l s p a 6 0 0 型離心泵泵體結(jié)構(gòu)圖 2 2 機(jī)械密封流動與傳熱理論 2 2 1 流動狀態(tài)的判斷 由于泵腔和機(jī)械密封腔內(nèi)流場受到高速旋轉(zhuǎn)軸以及旋轉(zhuǎn)葉輪的影響，流動狀 態(tài)無法確定，因此需要判斷流體的流動形態(tài)。本研究根據(jù)文獻(xiàn)【7 2 】的介紹，采用 泰勒準(zhǔn)數(shù)死判斷腔內(nèi)流體的流動狀態(tài)。 死準(zhǔn)數(shù)計算公式如下： t a - 騫( 罟) 2 仁1 ， 1 一刁2 l ， 、7 式中： 7 7 二# 徑之比，7 = r f r d ； 仁腔內(nèi)間隙寬度，出r o r i ，m m g q 圓柱角速度，r a d s ； y 琉體的運動粘度，m 2 s 。 文獻(xiàn)研究表明：臨界泰勒數(shù)為玩= 2 2 7 9 。只有當(dāng)t a 1 0 0 0 t a 。時，湍流才會 第二章機(jī)械密封流動與傳熱理論 發(fā)生。本研究中的r ，d ，q ，y 分別為o 8 ，3 m m ，3 6 1 1r a d s ，0 8 6 5 x1 0 - 6m 2 s ， 假定密封裝置在額定工況轉(zhuǎn)速3 4 5 0 r m i n 下運行，計算得到的死為： t a ：2 x 0 j 6 4 x0 0 0 3 4 j 墜妥卜5 0 2 0 0 2 0 l u o q 0 8 6 5 1 0 - o ， t a ：5 0 2 0 0 2 0 2 2 0 3 0 1 0 0 0 一= 一) t a 。 2 2 7 9 由上計算可知，在該轉(zhuǎn)速運行下，密封腔內(nèi)的流動是湍流狀態(tài)。 2 2 2 湍流與傳熱理論 2 2 2 1 流體熱動力學(xué)基本方程 一切流體的流動都可以用連續(xù)性方程、動量方程和能量方程來描述，穩(wěn)態(tài)的 三維不可壓縮流體的控制方程守恒形式如下： 連續(xù)性方程： 警= 0( 2 2 )、， 動量方程： 警掣= 一毒+ 考( 考卜 ， 蹴f識，蹴，j 能量方程： 掣：曇f 三要1 + 品 ( 2 4 ) 魂 挑l 釓j 1、7 式中：f ，_ = l 2 ，3 。 2 2 2 2 湍流數(shù)值計算方法 對流傳熱不論是理論求解法還是數(shù)值求解法，都以邊界層對流傳熱微分方程 組為基礎(chǔ)，因此模擬必須考慮流動邊界層與熱邊界層。r 國方程主要用于計算近 壁區(qū)邊界層內(nèi)的流動與傳熱，適合模擬流熱耦合問題1 7 3 。w i l c o x 7 6 1 在表示湍流 的長度尺度時不選湍流脈動動能的耗散率占，而是選擇湍流頻率緲鋤。髟一緲模 型的具體表達(dá)式為： 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 掣+ 掣母似國+ 北+ 刳考 塑o t 塑+ t a ( p u j 國) = 口竺k 丑一觸緲2 + 毒陋+ 等 考 ( 2 5 ) 缸； 蘇：li 。仃。j 缸；l 、7 鸕= i p k 式中：只端動能生成率，用式f 2 6 、確定。 模型控制方程中的常數(shù)為= 0 0 9 ；口= 5 9 ；= 3 4 0 ；吼= 2 ；吒= 2 。 2 2 2 3 強(qiáng)化湍流傳熱理論 在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，流體的運動不可避免地受到離心力的作用。離心力直接影響 到流體的速度分布，進(jìn)而影響到流體與壁面間傳熱。為此，研究離心力作用下對 流傳熱的強(qiáng)化與控制技術(shù)有著十分重要的應(yīng)用背景。 ( 1 ) 傳熱的方式 自然界的任何傳遞過程都是在強(qiáng)度量差的推動下由廣延量的傳遞來實現(xiàn)的。 熱量的傳遞過程表現(xiàn)為溫度梯度的推動下熵的流動，它有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、 熱對流和熱輻射【7 4 】。熱傳導(dǎo)是指物體內(nèi)部有溫度差或兩個不同溫度的物體接觸 時，在物體各部分不發(fā)生相對位移的情況下，物質(zhì)微粒的熱運動傳遞熱量；熱對 流是指流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程，它 分為兩類：強(qiáng)迫對流傳熱和自然對流傳熱。對流傳熱的特點是：( 1 ) 導(dǎo)熱與對流 同在，( 2 ) 直接接觸且有溫差，( 3 ) 有邊界層；熱輻射是指物體通過電磁波傳遞能 量的過程。本文研究的機(jī)械密封及其周圍流體的流動與傳熱，主要涉及到導(dǎo)熱和 對流，而由于流體介質(zhì)溫度不是太高，輻射能量極少，可忽略不計。 ( 2 ) 強(qiáng)化傳熱理論 強(qiáng)化傳熱是國內(nèi)外傳熱學(xué)界研究的重要課題，對流傳熱是熱量傳遞的基本方 式之一，其物理機(jī)制是流體運動情況下的熱量傳遞問題。由于流體運動能攜帶熱 1 2 籌增 u 【一掃 硝愕 第二章機(jī)械密封流動與傳熱理論 量，所以對流換熱的傳熱能力要比純導(dǎo)熱方式強(qiáng)得多。幾十年來學(xué)者們進(jìn)行了大 量的理論與實驗研究，發(fā)展了各種各樣的強(qiáng)化傳熱措施。目前，強(qiáng)化對流換熱主 要采取降低熱邊界層厚度、增加流體擾動和增加近壁面的速度梯度等措施。然而， 在其強(qiáng)化機(jī)制的研究方面一直缺乏統(tǒng)一的理論。直到1 9 9 8 年，過增元等【7 5 】從場 協(xié)同的觀點分析了對流換熱的機(jī)制：對流傳熱是有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題，給出源強(qiáng) 化的概念。源項的強(qiáng)度不僅取決于溫度梯度、流體速度和流體的物性，還取決于 速度場與溫度場的夾角。 2 2 2 4 數(shù)值傳熱學(xué)與流熱耦合 ( 1 ) 數(shù)值傳熱學(xué)定義 數(shù)值傳熱學(xué)作為一門傳熱學(xué)和數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科，主要應(yīng)用計算機(jī) 求解那些描寫流動與傳熱問題的控制方程。它解決問題的基本思路是：將空間和 時間坐標(biāo)系下連續(xù)物理量的場用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，并根 據(jù)一定原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程，求解并獲得所求解 變量的近似值【7 w 7 l 。 在流動與傳熱計算中應(yīng)用較為廣泛的是有限差分法、有限元法、有限容積法 和有限分析法。有限容積法導(dǎo)出的離散方程具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的 物理意義明確，是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計算中應(yīng)用最廣泛的一種方法；有 限元法對不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性較好，它主要針對固體，廣泛應(yīng)用于固體的熱變形 計算【7 p 7 刀。本文根據(jù)l s p a 6 0 0 型離心泵的結(jié)構(gòu)，在研究中分別應(yīng)用了有限元法 和有限體積法。 ( 2 ) 耦合傳熱 在計算導(dǎo)熱或?qū)α鱾鳠釙r，對固體邊界上的傳熱條件一般都做出規(guī)定：或給 定邊界上的溫度條件、或規(guī)定邊界上的熱流分布、或給定壁面溫度與熱流密度問 的依變關(guān)系。對于某些對流傳熱問題，熱邊界條件無法預(yù)先給定，而是受到流體 與壁面的相互制約，這時無論界面上的溫度還