針對端面造型的機械嚴密封閉性質的研究

孟祥凱 張安京 馬志斌

摘要：端面造型的機械嚴密封閉的性質研究，主要是通過動網格技術，模擬研究過程中的一系列問題，并得到相應的數據，在此基礎上，對普通機械密封，微孔端面機械密封，孔槽耦合端面機械密封三種密封方式進行相應的模擬運行測試。結果表明，孔槽耦合端面機械密封的效果更好。與普通機械密封相比較，微孔端面的機械密封雖然能減輕密封件之間的摩擦和磨損，但這種密封方法防泄漏效果并不好，而孔槽耦合端面的機械密封則具有了更小的剪切力，而且能更好的抵抗流體間的壓力，密封的潤滑性能更好，是最好的機械的密封方式。

關鍵詞：機械嚴密封閉；動網格技術；端面；內流場；數值的模擬

目前大多實驗都是事先把參考數據設為標準進行研究，例如：忽略體積的力作用、重力和磁力；流體為不可壓縮的流體，密度不隨壓力變化而變化；液膜狀態，流體黏度設為常數；忽略工作過程中系統的擾動和振動對液膜的影響；間隙間，流體視為連續的介質，端面間為完整的流體膜等，這并不能反映真實情況，通過大量不同液膜厚度的模擬計算得到膜厚隨工況的變化關系，然后由計算的工況獲得膜厚而進行流場的相關計算，這種方法因膜厚涉及的因素太多而使計算工作量增大，并且易導致誤差出現。為此，文中將在機械密封的內流場計算中使用動網格技術，在密封運行的實際情況中獲得真實膜厚，從而模擬內流場的變化，為機械嚴密封閉的內流場的數值研究提供更加可靠高效的方法，并應用相應的軟件對不同端面造型的機械嚴密封閉的性質進行研究。

1.機械密封、動網格技術的簡介及運用

機械密封又稱為端面密封，是旋轉軸的運動密封。機械密封的性能可靠，泄露量小，使用壽命長，功耗低，不須要經常維修，并能適應于生產過程的自動化和高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強腐蝕性的介質、含固體顆粒的介質等苛刻情況下的密封要求。機械密封是靠一對或幾對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用下保持結合并配合以輔助密封以達到阻漏目的的裝置。與軟填料密封相比，機械密封密封可靠，在長期運轉中密封狀態穩定，泄露量很小，其泄露約為軟填料密封的1%；使用壽命長，在油、水介質中一般可達1—2年或更長，在化工介質中一般能工作半年以上；功率消耗小，其摩擦功率僅為軟填料密封的10%～50%；軸或軸套基本上不磨損；維修周期長，端面磨損后可以自動補償，一般情況下不需經常維修；抗振性好，對旋轉軸的振動及軸對密封腔的偏斜要求不敏感；適用范圍廣，機械密封能用于高溫、低溫、高壓、真空、不同旋轉頻率及各種腐蝕介質和含磨粒介質的密封等優點。

動網格可以用來模擬流場的形狀隨著時間變化的情況，流場邊界的運動形式可以是預先定義的運動，即在計算前已經知到邊界運動的規律，預先指定它的速度和角速度；也可以是未定義的運動，即邊界的運動規律無法預知，必須由前一步計算結果決定，網格的更新過程由軟件根據每個過程中邊界的變化情況而自動完成，由于動網格技術能夠更為真實的模擬流場的變化，從而廣泛的被應用于飛機機翼的外流場、發動機的內流場等的數值的模擬中，但未見的在機械的密封中得到應用。在機械密封的內流場的數值模擬中可使用邊界運動的形式預先對未定義的動網格技術的用戶自行編寫程序，定義邊界的運動與內流場中的參數關系，并將程序連接到軟件的求解器上，從而實現在變化中的求解過程，在變化中改變網格的形狀和邊界運動的特性等的功能，使得模型能夠更加貼近實際，從而更加的具有實用性。

2.模擬的過程以及對模擬結果的分析

在機械的密封件的運行過程中，彈簧的預緊裝置和介質壓力提供了閉合力，密封間隙的液膜壓力提供了開啟力。開啟力大于閉合力時，彈簧被壓縮，閉合力逐漸增加，與此同時液膜的厚度增大，開啟力卻減小，反之則反。由此可知，開啟力和閉合力的差決定了液膜的厚度變化，進而引起內流場的變化，反過來改變了開啟力的大小以及與閉合力之間的差值，這種動態的變化將會一直持續到開啟力與閉合力的大小相等，即達到了動態平衡，形成穩定的膜厚、內流場。

經過優化后的微孔端面的機械密封能夠得到較好的潤滑，微孔之間產生的動壓效應，能使開啟力、密封間隙以及液膜的厚度增大，從而導致了泄漏量的變大，而當微孔和螺旋槽都具備了一定的動壓時，也能獲得較大的開啟力，但是由于螺旋槽具有良好的回吸泵送的能力，一方面它可以抵消由于內外的徑壓差而引起的強壓差流，另一方面內徑產生的負壓可以很好的回吸已泄漏液體，從而大大的降低泄漏量。黏性的流體在楔形的空間內流動時，會產生強動壓效應，通過靜壓的分布可以觀察出動壓效應產生的情況以及不同端面造型產生的不同動壓效應能力。動密封是機械密封裝置中的主要密封，也是決定著機械密封性能和壽命的關鍵。因此，對密封端面的加工有很高的要求，同時為了使密封端面之間保持潤滑液膜，必須嚴格控制端面上單位面積上的壓力，壓力過大，就不易形成穩定的潤滑液膜，加速端面的磨損；壓力過小，會使泄漏的量增加。所以，要想獲得良好的密封性又有足夠的壽命，在設計和安裝機械密封時，一定要保證端面單位面積的壓力值保持在最適當的范圍。

通過幾何模型和數學模型對一系列數值進行比較和驗證，能夠知道端面微孔能夠產生很好的動壓效應并且可以容納一部分磨屑，這能夠改善端面潤滑狀況，微孔端面的機械密封可以有效降低密封端面之間的摩擦。應該用機械強度更高，更能耐壓和變形，具有耐干磨性，耐高載荷性，自潤滑性好，配對材料的磨合性好，無過大的磨損和對偶腐蝕，耐磨性好，壽命長，導熱性和散熱性好；耐高溫性好；抗熱裂性好，耐腐蝕性強；線膨脹系數小，切削加工性好，成型性能好，氣密性好，密度小，能耐熱變形和尺寸穩定性更好的材料。面泵送槽可以將密封的高壓側漏到低壓側的液體泵回到高壓側，減小甚至實現零泄漏，由于壩區和槽區的存在，在停車和旋轉時都具有防泄漏功能，因此，在密封環的端面進行微孔加工、構造螺旋泵送槽等可以改善密封結構的性能。

3.總結

動網格技術在機械密封性能的內流場數值模擬中應用是可行的，通過對不同情況下的模擬值和試驗值的對比和論證，且與現有模擬方法相比，我們可發現動網格技術能夠有效解決密封運轉中的一系列問題，可以獲得更加接近于真實情況的模擬結果。而且，通過動網格技術的模擬和分析可知，與普通機械密封相比，微孔端面的機械密封方法能夠產生更大的動壓效應，增大液膜的開啟力，能夠更好的改善端面間摩擦的磨損情況，但是，這種密封方法防泄漏的能力并不強，在其他條件相當的情況下，泄漏量大遠遠大于普通的機械密封。孔槽耦合端面的機械密封也能夠產生一定的動壓效應，液膜的開啟力比普通的機械密封更大，壁面的剪切力更小，且能夠更有效的解決微孔端面機械密封泄漏量較大的問題，在相等的條件下，泄漏量比微孔端面的機械密封和普通的機械密封都要小，只要設計合理，就可通過孔槽耦合端面使機械的密封達到零泄漏，非接觸高性能的要求。

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