高溫泵用液膜密封黏溫特性數值研究

朱曉琳

（內蒙古廣播電視大學，內蒙古 呼和浩特 010010）

在石油石化行業中，煉油廠中諸多裝置的工作介質溫度較高，因此，會用到泵組操作溫度在200℃～400℃的高溫油泵，這類油泵一旦發生泄漏，極易引發嚴重的安全事故，因此，高溫泵用密封的安全性非常重要。相比接觸式機械密封，螺旋槽非接觸式液膜密封是在高溫泵中應用較為廣泛、且安全系數較高的密封形式之一。高溫泵用螺旋槽液膜密封的工作原理圖如圖1所示，由于內外徑溫差較大，潤滑油黏度會隨溫度的變化而發生變化，從而對密封性能的數值分析產生較大影響，本文以螺旋槽非接觸式液膜密封為研究對象，采用FLUENT仿真分析軟件，對高溫泵用液膜密封的黏溫特性進行數值研究。

圖1 螺旋槽液膜密封結構圖

1 建模及條件參數設置

1.1 潤滑油黏溫方程

液壓潤滑油的黏度對溫度變化十分敏感，表現為溫度升高時，黏度降低。黏度隨溫度變化的程度與標準油黏度隨溫度變化的程度的比值稱為黏度指數。黏度指數越高，表示潤滑油受溫度影響越小，其黏溫性能越好。本文選擇Slotte方程（式1）對潤滑油的黏溫特性進行擬合計算。

其中，a、b、c為與油液有關的常數。

本文選擇32號液壓油作為潤滑油，通過圖表可查得其黏度隨溫度變化的實驗測定數值，將其帶入公式，可以得到潤滑油的黏溫方程為：

1.2 幾何建模及條件參數

選取動環、液膜和靜環作為研究對象，靜環開槽，按照線、面、體的順序進行分塊網格劃分。最終生成的網格單元數為122744，網格最大傾斜率沒有超過0.9，99.69%的網格傾斜率都在0.4以下，網格質量良好。

動環材料采用硬度較小的浸漬銻碳石墨，開槽的靜環采用硬度較大的鎢鋼作為材料，封液采用溫度為373K的液壓油，其黏度為η=0.00387Pa·s。熱邊界條件設置如表1所示，動靜環內外徑的對流傳熱系數參考相關文獻計算結果。

表1 螺旋槽液膜密封的熱邊界條件

2 液膜密封的壓力場和溫度場

圖2是在不考慮黏溫效應的情況下得到的液膜壓力分布，黏度釆用入口油液的黏度值來進行計算，算得槽尖處最高壓力為42.5MPa，而且最低壓力出現了負值，負壓區域如圖（b）中圓圈內所示，這是因為發生了空化。對于螺旋槽密封，空化的產生也是形成端面開啟力的必要條件，但是，空化容易產生空化減阻和空蝕，因此，應該盡量避免。

圖2 定黏度液膜的壓力分布

同時，得到液膜溫度場如圖3所示，油液在泵入到密封端面后，溫度會迅速升高，液膜溫度場變化較大，黏度會隨著溫度的升高而下降，因此，釆用入口處的黏度值來計算是非常不準確的，綜上考慮，為了提高對高溫泵液膜密封黏溫效應分析的準確度，本文對定黏度的計算采用的是密封面的平均溫度下的黏度來進行計算的。

圖3 液膜的溫度分布

圖4液膜的溫度分布可以看出，液膜與靜環接觸面溫差變化相對較大，液膜端面入口處溫度變化較大，但是，中間溫度較為均勻，計算得出出入口的平均溫度近似為467K，查得該溫度下的油液黏度為8.09×10-4Pa·s，用此黏度計算得到的液膜壓力分布如圖4(a)所示，槽尖處的最高壓力為9.19MPa。圖4（b）為代入液膜黏溫公式得到的壓力分布圖，計算結果顯示，槽尖處壓力峰值僅為2.67MPa?？梢钥闯觯瑑煞N情況下得到的壓力峰值相差三倍之多，所以，對于高溫油泵來說，液膜黏溫效應是必須要考慮的分析計算因素。

圖4 液膜的壓力分布圖

3 操作參數對密封性能的影響

3.1 轉速對密封性能的影響

軸的轉速對密封性能的影響，主要體現在對液膜的開啟力和泄漏量的影響。由圖5 (a)可以看出，隨著轉速的增大，液膜開啟力都是呈線性增大的趨勢，考慮黏溫效應時的開啟力位于定黏度開啟力的下方，數值偏小，且考慮黏溫效應時的開啟力變化速度偏?。粡膱D5（b）可以看出，考慮黏溫效應時的泄漏量大于定黏度時的泄漏量，而且考慮黏溫效應的泄漏量變化斜率更大，即隨轉速增大而增加的更快。這是因為液膜的溫度隨轉速變化較大，隨著轉速的升高，油液溫度升高，考慮黏溫效應時黏度會發生下降，因此，動壓效應減弱，計算得出的開啟力會偏小、泄漏量會偏大。

圖5 開啟力和泄漏量隨轉速變化規律

圖6為摩擦功耗隨轉速的變化規律，端面摩擦功耗是隨著轉速的增大成拋物線增加的，低轉速時功耗變化相對較小，轉速越大，摩擦功耗增加的越快；相比于定黏度的摩擦功耗，考慮黏溫效應的摩擦功耗計算值明顯偏小，而且變化趨勢較為平緩，這是因為摩擦轉矩由壓力轉矩和黏性轉矩組成，考慮黏溫效應時，黏度沿半徑增大的方向減小，因此，摩擦功耗也會變小。

圖6 摩擦功耗隨轉速變化規律

3.2 內外徑壓力比對密封性能的影響

對于內徑開槽的螺旋槽非接觸式液膜密封，外側密封介質壓力一般是不發生變化的，內徑處壓力是封液潤滑油的壓力，內、外徑壓力比pi/po的值就能夠反映封液的壓力變化。

如圖7（a）所示，隨著內外徑壓力比的增加，液膜開啟力成線性增大的趨勢，考慮黏溫效應時的計算結果要遠遠大于定黏度的計算結果，二者的變化速度基本一致；圖7（b）可以看出，隨著內外徑壓力比的增大，考慮黏溫效應時的泄漏量遠大于定黏度時的泄漏量，而且二者的差距愈發顯著，考慮黏溫效應的泄漏量增大速度遠遠大于定黏度時計算的泄漏量，這是因為隨著入口壓力的增加，泵送量也會相應增大，泄漏量會變大，而考慮黏溫效應時，黏度沿著半徑方向呈減小趨勢，動壓效應減弱，從而使泄漏量增大的更快。

圖7 密封性能參數隨內外徑壓力比變化規律

從圖8可以看出，內外徑壓力比的增大對摩擦功耗的變化幾乎沒有影響，但是考慮黏溫效應時算得的摩擦功耗遠遠小于定黏度時的計算結果，這是因為考慮黏溫效應時的黏度會沿半徑方向減小，摩擦功耗相應地也會變小。綜上分析，對于液膜密封來說，不考慮液膜的黏溫效應會嚴重影響其性能研究以及相關參數設計的準確性。

4 結語

（1）對于高溫泵用液膜密封，其入口黏度不能夠作為計算條件，因為內外徑溫差大，會為計算帶來較大誤差，因此，需要采用平均溫度下的黏度作為計算條件，與變黏度得到的結果進行分析對比。

圖8 摩擦功耗隨內外徑壓力比變化規律

（2）對于高溫泵用液膜密封，考慮黏溫效應時得到的液膜開啟力和摩擦功耗都偏低、泄漏量偏高，而且偏差較大，這是因為油液黏度隨著溫度的升高而減小，尤其隨著轉速和內外徑壓力比的增大，黏度降低效應愈發明顯，動壓效應減弱。

（3）對于高溫泵用液膜密封，密封環內、外徑溫差較大，溫度變化梯度大，黏溫效應影響顯著，因此，黏溫效應會對其性能的分析計算產生至關重要的影響，此結果可為高溫泵液膜密封的結構設計提供相關參考。