【摘要】 機(jī)械密封技術(shù)是現(xiàn)代流體旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)展的最為重要的技術(shù)，隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)密封性能的要求不斷提高，以往的普通機(jī)械密封已無法滿足工作的需求。為適應(yīng)高溫高壓高轉(zhuǎn)速等高參數(shù)及復(fù)雜工況下能保持良好的密封性能，表面造型技術(shù)成為一個(gè)新的突破口，即通過對(duì)密封端面開設(shè)各種流槽來提高機(jī)械密封性能，從而更好的滿足密封需求。目前研究最為熱門、密封性最好的密封方式就是螺旋槽機(jī)械密封，本文也是基于螺旋槽機(jī)械密封進(jìn)行的分析與研究。本文首先對(duì)螺旋槽機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)之間的流體潤滑膜進(jìn)行單獨(dú)三維建模，劃分出質(zhì)量較高的離散網(wǎng)格，對(duì)計(jì)算模型設(shè)置了合適的初始條件和邊界條件，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算原理，求解器中選用層流計(jì)算模型和SIMPLEC壓力基算法，空間離散化方法用二階迎風(fēng)格式，然后求解流體域的三維N-S方程和連續(xù)性方程，得到了流體潤滑膜的總壓力分布圖、動(dòng)壓分布圖、靜壓分布圖、出口處的泄漏量、端面的開啟力，分析分布規(guī)律及其對(duì)流體的密封產(chǎn)生的影響。然后分別改變動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速、密封介質(zhì)壓力、介質(zhì)動(dòng)力粘度等參數(shù)，得到這些參數(shù)對(duì)流體的總壓、動(dòng)壓、靜壓、泄漏量、開啟力會(huì)產(chǎn)生什么樣變化規(guī)律。最后改變螺旋槽的槽數(shù)、螺旋角、槽深、槽壩比、槽區(qū)堰區(qū)寬度比，分別研究這些參數(shù)對(duì)密封性能的影響規(guī)律。 

第一章 緒論

1.1 課題來源

1.國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高參數(shù)金屬波紋管機(jī)械密封關(guān)鍵零部件熱流固耦合分析”，編號(hào)：51165043

2.新疆維吾爾自治區(qū)高校科研計(jì)劃資助項(xiàng)目“大軸經(jīng)高速波紋管機(jī)械密封熱流固耦合分析及關(guān)鍵技術(shù)研究”，編號(hào)：XJEDU2010I15

3.新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)項(xiàng)目“高參數(shù)機(jī)械密封摩擦副界面的熱流固耦合分析關(guān)鍵技術(shù)”，編號(hào)：2013211A005

1.2 選題的背景與意義

當(dāng)今的世界科學(xué)技術(shù)水平突飛猛進(jìn)，在石油化工行業(yè)對(duì)一些大型和高精端設(shè)備的要求越來越高，以能滿足在復(fù)雜高參數(shù)工況下工作的需求。新疆地區(qū)具有豐富的油氣資源，一些石化企業(yè)所采用設(shè)備比以往采用的尺寸規(guī)格要大，介質(zhì)工作參數(shù)要高。因此高溫、高速、高壓、大尺寸等高參數(shù)工況條件成為密封行業(yè)中研究的重要問題，在這些高參數(shù)工況下密封的性能、工作可靠性、使用壽命成為了有關(guān)企業(yè)和相關(guān)單位的研究熱點(diǎn)。在直徑超過 130mm、轉(zhuǎn)速超過3000rpm 或摩擦副線速度超過 25m/s、壓力超過 2Mpa、溫度超過 120℃，就認(rèn)為是高參數(shù)密封。

機(jī)械密封有接觸式密封和非接觸密封，接觸式密封泄漏量小，但磨損比較快，而普通非接觸密封又容易出現(xiàn)泄漏，所以通過表面改形的非接觸密封有效的解決了這一問題。在機(jī)械密封領(lǐng)域中，螺旋槽端面非接觸式機(jī)械密封（又稱上游泵送機(jī)械），依靠端面間流體的動(dòng)壓效應(yīng)所產(chǎn)生的黏性剪切壓力來平衡端面內(nèi)外側(cè)的壓力差。在工作中端面摩擦磨損不明顯、能長期平穩(wěn)運(yùn)行和消耗資源小等特點(diǎn)，可以使泄漏量達(dá)到很小，甚至都不發(fā)生逸出（不可見的揮發(fā)物），隨意它已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。在所使用的場(chǎng)合上，一般的工況參數(shù)已無法滿足，必須追求在高速、高壓、高壓等高參數(shù)工況下的計(jì)算。

綜上，對(duì)高參數(shù)條件下螺旋槽機(jī)械密封的密封性能的研究就具有重要的意義。

第二章 螺旋槽機(jī)械密封基本原理

2.1 機(jī)械密封基本構(gòu)成

機(jī)械密封是一種在對(duì)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的容器進(jìn)行密封的設(shè)備，是流體旋轉(zhuǎn)機(jī)械中阻止密封介質(zhì)外漏、減小環(huán)境污染、節(jié)約資源的重要部件，他通過彈簧或波紋管的預(yù)緊力和介質(zhì)的壓力，利用動(dòng)靜環(huán)之間形成油膜來控制泄漏。與填料、O型圈等靜態(tài)密封形式相比，機(jī)械密封具有更好的密封性能、更小的摩擦磨損、更小的消耗功率和更長的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械密封特別適用于一些工作條件相當(dāng)惡劣的環(huán)境，像密封介質(zhì)具有很高的溫度和較大的壓力，需要較高的泵送速度，甚至有些密封介質(zhì)具有易燃腐蝕等特點(diǎn)，所以機(jī)械密封關(guān)鍵部件的運(yùn)行是否可靠影響到整套設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，是石油化工行業(yè)特大設(shè)備實(shí)現(xiàn)國有的瓶頸。有數(shù)據(jù)顯示，機(jī)械密封在所有密封形式中所占的比值，在一定程度上代表了一個(gè)國家石油化工領(lǐng)域發(fā)展技術(shù)水平。根據(jù)我國石油化工業(yè)的統(tǒng)計(jì)，八成到九成的離心泵已使用機(jī)械密封。而在一些發(fā)達(dá)國家，機(jī)械密封的使用占全部密封使用量九成以上。

經(jīng)典的機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

機(jī)械密封主要組成部件有：端面配合元件(1-靜環(huán)和2-動(dòng)環(huán))、傳動(dòng)件(3-傳動(dòng)銷和8-傳動(dòng)螺釘)、輔助密封元件(10、11-O形密封圈)、固定件(9-壓環(huán)、13-壓蓋、5-彈簧座、7-軸套與6-緊定螺釘)、防轉(zhuǎn)件(14-防轉(zhuǎn)銷)、預(yù)緊和緩沖元件(4-彈簧)。動(dòng)環(huán)通過防轉(zhuǎn)件固定在主軸上，保持相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，靜環(huán)則固定在壓蓋上，一直保持靜止?fàn)顟B(tài)，動(dòng)靜環(huán)組成一個(gè)摩擦副。

2.2 螺旋槽機(jī)械密封概述

機(jī)械密封中根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，在運(yùn)行過程中動(dòng)靜環(huán)組成的摩擦副可以是接觸的，也可以是分離的，據(jù)此可將機(jī)械密封分為兩大類，接觸式機(jī)械密封和非接觸式機(jī)械密封兩種類型。

接觸式機(jī)械密封為運(yùn)行時(shí)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)是接觸的，通常由于接觸的端面并非完全平整，存在微小的凸起，還有接觸面為動(dòng)態(tài)的配合，所以密封介質(zhì)往往會(huì)通過一些微小間隙泄漏出去，出現(xiàn)這個(gè)問題則需要增大施加在密封環(huán)上的預(yù)緊力使密封副緊密貼合，以減小密封間隙，提高密封性能。但這樣做的缺點(diǎn)是摩擦副間的摩擦力大大增加，端面磨損非常嚴(yán)重，密封設(shè)備運(yùn)行年限也將縮短。

非接觸機(jī)械是指密封端面間能形成一層極薄的流體膜（厚度達(dá)幾微米的液膜或氣膜），使動(dòng)靜環(huán)在工作時(shí)不直接接觸，而是有一層流體膜潤滑隔開，這樣就優(yōu)化了端面的潤滑狀況，因而大大減小了端面的接觸摩擦和磨損，延長了密封設(shè)備運(yùn)行年限。相關(guān)研究人員對(duì)非接觸式機(jī)械密封的研究日益增多。非接觸式機(jī)械密封又可細(xì)分為流體靜壓型機(jī)械密封和流體動(dòng)壓型機(jī)械密封。

流體靜壓型機(jī)械密封指密封設(shè)備運(yùn)行時(shí)，通過一定的方式使動(dòng)靜環(huán)之間進(jìn)入密封介質(zhì)，依靠密封介質(zhì)的壓力使推開兩個(gè)密封端面，推開距離一般只有幾個(gè)微米。有密封介質(zhì)對(duì)端面的推力而提供的開啟力與彈簧或波紋管的預(yù)緊力提供的閉合力平衡，以達(dá)到設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。端面間引入密封介質(zhì)的方式主要有端面徑向坡度、開設(shè)端面流槽和節(jié)流孔。

第三章 螺旋槽端面流體潤滑膜數(shù)值模擬......... 22

3.1 流體力學(xué)計(jì)算方法........... 22

3.1.1 流體動(dòng)壓效應(yīng)..............23

3.1.2 流體動(dòng)力學(xué)基本方程................ 24

第四章 螺旋槽端面流體潤滑膜性能分析..................... 33

4.1 流體潤滑膜壓力分布規(guī)律及分析............... 33

4.2 工況參數(shù)對(duì)密封性能的影響.................34

第五章 結(jié)論與展望.......45

5.1 研究工作總結(jié)........... 45

5.2 今后工作展望................45

第四章 螺旋槽端面流體潤滑膜性能分析

模擬計(jì)算結(jié)束后，在后處理中查看流體膜的性能，主要查看動(dòng)環(huán)端面處的總壓分布、動(dòng)壓分布、開啟力和出口處的流量情況，并將計(jì)算參數(shù)不斷改變，研究參數(shù)的改變對(duì)密封性能的影響規(guī)律。

4.1 流體潤滑膜壓力分布規(guī)律及分析

圖 4-1 為動(dòng)環(huán)端面上的總壓力分布圖，總體分布規(guī)律為從外徑側(cè)到內(nèi)徑側(cè)，逐漸降低，但在槽區(qū)由于密封堰的阻礙作用使流體被壓縮而出現(xiàn)明顯的高壓區(qū)，在槽底圓尖角處到達(dá)最大值，最大壓力比入口處的壓力增大了 0.96MPa。在內(nèi)徑處有負(fù)壓力，這有利于將泄漏出去的流體泵吸回螺旋槽內(nèi)。提取槽邊界處徑向壓力如圖4-2所示。

第五章 結(jié)論與展望

5.1 研究工作總結(jié)

本文以螺旋槽機(jī)械密封流體潤滑膜為研究對(duì)象，建立了流體潤滑膜的三維計(jì)算模型，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到了螺旋槽機(jī)械密封的密封特性，分析了工況參數(shù)、螺旋槽幾何參數(shù)及端面槽型形狀對(duì)密封性能的影響規(guī)律�？偨Y(jié)所做的主要工作和得到的結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

1.建立計(jì)算模型，對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，做出正確合理的求解設(shè)置。

2.分析了螺旋槽機(jī)械密封的特點(diǎn)，得到螺旋槽結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生很好的動(dòng)壓效應(yīng)的結(jié)論。

3.通過改變動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速、密封介質(zhì)壓力、介質(zhì)粘度研究了工況參數(shù)對(duì)螺旋槽機(jī)械密封性能的影響規(guī)律

4.通過改變槽數(shù)、螺旋角、槽深、槽壩比、槽區(qū)堰區(qū)寬度比研究了螺旋槽幾何結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋槽機(jī)械密封性能的影響規(guī)律

5.2 今后工作展望

本文中還有許多不足之處，望后來的研究者能做進(jìn)一步的完善。

1.本文為單一物理場(chǎng)下模擬分析，，沒有考慮到摩擦熱效應(yīng)的影響，熱效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)的影響還是比較重要的，應(yīng)建立三維熱彈流體潤滑膜模型，進(jìn)一步進(jìn)行研究。

2.研究密封變化規(guī)律時(shí)只在單一變量下進(jìn)行研究，沒有得到多個(gè)變量同時(shí)變化時(shí)密封性能呈現(xiàn)怎樣的變化規(guī)律。

3.本文只針對(duì)螺旋槽一種槽型進(jìn)行了分析，希望以后對(duì)不同的槽型進(jìn)行對(duì)比分析。

4.模擬計(jì)算結(jié)果缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，可能會(huì)存在較大誤差，希望以后能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)（略）