【摘要】 機械密封技術是現(xiàn)代流體旋轉機械發(fā)展的最為重要的技術，隨著現(xiàn)代工業(yè)對密封性能的要求不斷提高，以往的普通機械密封已無法滿足工作的需求。為適應高溫高壓高轉速等高參數(shù)及復雜工況下能保持良好的密封性能，表面造型技術成為一個新的突破口，即通過對密封端面開設各種流槽來提高機械密封性能，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械密封，本文也是基于螺旋槽機械密封進行的分析與研究。本文首先對螺旋槽機械密封動靜環(huán)之間的流體潤滑膜進行單獨三維建模，劃分出質量較高的離散網格，對計算模型設置了合適的初始條件和邊界條件，采用計算流體動力學(CFD)計算原理，求解器中選用層流計算模型和SIMPLEC壓力基算法，空間離散化方法用二階迎風格式，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)律及其對流體的密封產生的影響。然后分別改變動環(huán)轉速、密封介質壓力、介質動力粘度等參數(shù)，得到這些參數(shù)對流體的總壓、動壓、靜壓、泄漏量、開啟力會產生什么樣變化規(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.國家自然科學基金項目“高參數(shù)金屬波紋管機械密封關鍵零部件熱流固耦合分析”，編號：51165043

2.新疆維吾爾自治區(qū)高校科研計劃資助項目“大軸經高速波紋管機械密封熱流固耦合分析及關鍵技術研究”，編號：XJEDU2010I15

3.新疆維吾爾自治區(qū)自然科學項目“高參數(shù)機械密封摩擦副界面的熱流固耦合分析關鍵技術”，編號：2013211A005

1.2 選題的背景與意義

當今的世界科學技術水平突飛猛進，在石油化工行業(yè)對一些大型和高精端設備的要求越來越高，以能滿足在復雜高參數(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)所采用設備比以往采用的尺寸規(guī)格要大，介質工作參數(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企業(yè)和相關單位的研究熱點。在直徑超過 130mm、轉速超過3000rpm 或摩擦副線速度超過 25m/s、壓力超過 2Mpa、溫度超過 120℃，就認為是高參數(shù)密封。

機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。在機械密封領域中，螺旋槽端面非接觸式機械密封（又稱上游泵送機械），依靠端面間流體的動壓效應所產生的黏性剪切壓力來平衡端面內外側的壓力差。在工作中端面摩擦磨損不明顯、能長期平穩(wěn)運行和消耗資源小等特點，可以使泄漏量達到很小，甚至都不發(fā)生逸出（不可見的揮發(fā)物），隨意它已經在旋轉流體機械中得到廣泛應用。在所使用的場合上，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)工況下的計算。

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

第二章 螺旋槽機械密封基本原理

2.1 機械密封基本構成

機械密封是一種在對具有相對運動結構的容器進行密封的設備，是流體旋轉機械中阻止密封介質外漏、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緊力和介質的壓力，利用動靜環(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。機械密封特別適用于一些工作條件相當惡劣的環(huán)境，像密封介質具有很高的溫度和較大的壓力，需要較高的泵送速度，甚至有些密封介質具有易燃腐蝕等特點，所以機械密封關鍵部件的運行是否可靠影響到整套設備運行的穩(wěn)定性，是石油化工行業(yè)特大設備實現(xiàn)國有的瓶頸。有數(shù)據顯示，機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國家石油化工領域發(fā)展技術水平。根據我國石油化工業(yè)的統(tǒng)計，八成到九成的離心泵已使用機械密封。而在一些發(fā)達國家，機械密封的使用占全部密封使用量九成以上。

經典的機械密封的基本結構如下圖所示。

機械密封主要組成部件有：端面配合元件(1-靜環(huán)和2-動環(huán))、傳動件(3-傳動銷和8-傳動螺釘)、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)、防轉件(14-防轉銷)、預緊和緩沖元件(4-彈簧)。動環(huán)通過防轉件固定在主軸上，保持相同的運動狀態(tài)，靜環(huán)則固定在壓蓋上，一直保持靜止狀態(tài)，動靜環(huán)組成一個摩擦副。

2.2 螺旋槽機械密封概述

機械密封中根據結構的不同，在運行過程中動靜環(huán)組成的摩擦副可以是接觸的，也可以是分離的，據此可將機械密封分為兩大類，接觸式機械密封和非接觸式機械密封兩種類型。

接觸式機械密封為運行時動環(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，還有接觸面為動態(tài)的配合，所以密封介質往往會通過一些微小間隙泄漏出去，出現(xiàn)這個問題則需要增大施加在密封環(huán)上的預緊力使密封副緊密貼合，以減小密封間隙，提高密封性能。但這樣做的缺點是摩擦副間的摩擦力大大增加，端面磨損非常嚴重，密封設備運行年限也將縮短。

非接觸機械是指密封端面間能形成一層極薄的流體膜（厚度達幾微米的液膜或氣膜），使動靜環(huán)在工作時不直接接觸，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，延長了密封設備運行年限。相關研究人員對非接觸式機械密封的研究日益增多。非接觸式機械密封又可細分為流體靜壓型機械密封和流體動壓型機械密封。

流體靜壓型機械密封指密封設備運行時，通過一定的方式使動靜環(huán)之間進入密封介質，依靠密封介質的壓力使推開兩個密封端面，推開距離一般只有幾個微米。有密封介質對端面的推力而提供的開啟力與彈簧或波紋管的預緊力提供的閉合力平衡，以達到設備的平穩(wěn)運行。端面間引入密封介質的方式主要有端面徑向坡度、開設端面流槽和節(jié)流孔。

第三章 螺旋槽端面流體潤滑膜數(shù)值模擬......... 22

3.1 流體力學計算方法........... 22

3.1.1 流體動壓效應..............23

3.1.2 流體動力學基本方程................ 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)對密封性能的影響.................34

第五章 結論與展望.......45

5.1 研究工作總結........... 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

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

4.1 流體潤滑膜壓力分布規(guī)律及分析

圖 4-1 為動環(huán)端面上的總壓力分布圖，總體分布規(guī)律為從外徑側到內徑側，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最大值，最大壓力比入口處的壓力增大了 0.96MPa。在內徑處有負壓力，這有利于將泄漏出去的流體泵吸回螺旋槽內。提取槽邊界處徑向壓力如圖4-2所示。

第五章 結論與展望

5.1 研究工作總結

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

1.建立計算模型，對模型進行簡化處理，對模型進行網格劃分，做出正確合理的求解設置。

2.分析了螺旋槽機械密封的特點，得到螺旋槽結構能產生很好的動壓效應的結論。

3.通過改變動環(huán)轉速、密封介質壓力、介質粘度研究了工況參數(shù)對螺旋槽機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構對螺旋槽機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一步的完善。

1.本文為單一物理場下模擬分析，，沒有考慮到摩擦熱效應的影響，熱效應對流場的影響還是比較重要的，應建立三維熱彈流體潤滑膜模型，進一步進行研究。

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

3.本文只針對螺旋槽一種槽型進行了分析，希望以后對不同的槽型進行對比分析。

4.模擬計算結果缺乏相關實驗數(shù)據的驗證，可能會存在較大誤差，希望以后能進行相關實驗研究。

參考文獻（略）