靜壓式干氣密封溫度場數值模擬及試驗研究*

賈宇寧 李雙喜 張敬博 宋玉鵬

(北京化工大學機電工程學院 北京 100029)

靜壓式干氣密封是一種新型的密封形式，其通過氣體靜壓效應在密封環兩端面間形成氣膜，使密封端面相互分離，氣體將腔體內介質與大氣環境隔離，從而達到密封的效果。相較于傳統動壓式干氣密封而言，靜壓式干氣密封可以實現高開啟力、高剛度、低泄漏率等效果。溫度是影響密封性能的主要因素之一[1]，密封在實際運轉過程中，密封環端面會產生一定熱量，密封環異常的溫度變化會直接影響密封工作狀態。同時，由于裝配時存在軸不對中等問題，密封環在運行過程中可能會產生碰磨。當密封環發生碰磨時，密封環相互接觸摩擦，密封環熱量會急劇增加。如果通過溫度場能判斷密封的運轉情況，則可以在密封運轉時相對快速地發現問題，從而快速地進行處理，避免密封的損壞。

SAMANT等[2]使用Ansys軟件對機械密封環進行了熱-固耦合分析，得到殘余應力引起的平面度偏差。LAI等[3]和YOUNG等[4]通過建立機械密封耦合模型，預測密封環變形、溫度、泄漏量和端面液膜厚度。朱學明等[5]通過分析機械密封環熱-結構耦合分析，提出了2種解決辦法，通過對比，發現接觸耦合法更符合工程實際。THOMAS等[6]利用數值模擬的方法，針對熱彈性流體非接觸機械密封，建立了二維流固熱耦合數值模型，研究了端面變形對間隙幾何形狀和密封性能的影響。LUAN和KHONSARI[7]對機械密封湍流耦合進行了數值研究，分析了動靜環接觸面的產熱、內部導熱以及外部對流傳熱，計算了密封環外的對流換熱系數。BRUNETIRE和MODOLO[8]利用CFD對實驗內壓機械密封進行了數值分析，通過一系列模擬找到了流體與材料熱傳導的比值，從而找到了固體溫度場的分布規律，并通過實驗進行了驗證。魏琳宗[9]利用Ansys軟件，分析了密封間隙的流場和溫度場分布，以及密封環的熱變形和彈性變形，通過相互迭代，實現了機械密封流-固-熱耦合分析。陳志、劉偉等人[10-11]通過數值分析的方式，分析了動壓干氣密封的溫度場，從而為動壓干氣密封研究提供了一定理論依據。鄭建科[12]和朱維兵等[13-14]利用Ansys軟件，針對多種工況下的靜壓式干氣密封進行了端面溫度場分析及變形分析。WANG等[15]通過耦合傳熱法，模擬了動壓密封環的非等溫流場，對氦氣干氣密封與空氣干氣密封熱流體力學進行了預測和比較。BLASIAK等[16]通過解析法求解熱方程，基于第一類和第二類貝塞爾函數，定義密封圈溫度分布和液膜之間的關系，確定了操作參數對溫度變異性的影響。HUANG等[17]通過建立流場與密封組件的數值模型，利用耦合迭代的方法建立了在線數值TSFI模型，通過試驗的方法驗證了模型有效性，分析了密封力學變形、熱變形和溫度場。隨后通過試驗驗證了研究結果。陸俊杰等[18]利用試驗的方法，通過LabVIEW對密封端面編寫程序，通過相符的傳感器和測試技術，測量了干氣密封端面的溫度。NELSON[19]通過有限元方法，分析了動壓密封環的摩擦學行為，并通過試驗進行了驗證。

前人針對機械密封或動壓密封溫度和熱變形相關性能進行過很多研究，但針對靜壓式干氣密封溫度場對密封性能的影響研究，以及靜壓密封在異常摩擦狀態下的溫度場分析較為欠缺。通過溫度場判定密封運行狀態的相關研究，也尚未見到相關報道。本文作者首先通過數值模擬的方式，分析了靜壓式干氣密封溫度場在不同膜厚、不同轉速以及不同腔內環境下的變化規律；然后分析了靜壓式干氣密封溫度場對密封性能的影響，最后通過實際運轉試驗，驗證了溫度場數值模擬的準確性，并創新性地提出基于溫度的密封環運行狀態的監測方法。基于溫度場判斷密封運行狀態，可以更快速地判別密封是否運行在異常接觸條件下，從而快速提出應對措施，減少了因密封失效而造成的損失。該研究為密封環溫度場分布與密封工作狀態監測提供了新的思路和方法。

1 靜壓式干氣密封結構和原理

靜壓式干氣密封結構如圖1所示。密封外壓為腔內壓力，密封內壓為大氣壓。當密封工作時，壓力為ps的調控氣進入密封，先在靜環上部端面與彈簧共同組成閉合力。隨后氣體繼續向下，通過一定數量、均勻分布且直徑相同的節流孔后進入密封端面，利用靜壓效應在端面形成開啟力。由于開啟力在密封端面未開啟前大于閉合力，故兩密封端面在氣體的作用下實現分離。開啟力隨著密封膜厚的增加而減少，開啟力最終與閉合力平衡，密封環端面間形成一層微米級的穩定氣膜，如圖2(a)所示。但當密封運轉異常時，如密封氣壓分布不均或小孔發生堵塞等原因，則會造成密封端面氣膜剛度不足，致使密封端面氣膜分布不均，發生密封環接觸等事故，如圖2(b)所示。

圖1 靜壓式干氣密封結構

圖2 靜壓式干氣密封運行工況狀態

2 密封溫度場數值模擬計算模型

2.1 計算假設

由于靜壓型干氣密封邊界條件較為復雜，為了簡化模型，進行以下合理假設：

(1)假設溫度場為穩態溫度場，即達到穩定后密封動靜環溫度不隨時間變化；

(2)假設密封動靜環端面熱流密度均勻分布；

(3)密封環材料性質受溫度影響較小，因此可以假設密封動靜環材料性質不隨溫度變化。

基于以上假設，正常工況條件下密封環熱量主要來源于動靜環端面間氣膜產生的黏性剪切熱Qv，異常接觸工況條件下密封環熱量主要來源于動靜環端面間的摩擦熱Qb。此外在2種工況下，熱量來源還包括輔助密封O形圈的摩擦熱以及彈簧的振動熱等，但是這部分熱量很小，計算時可以忽略。熱量耗散包括動環旋轉時與空氣的強制對流換熱QA1、QA2，靜環與空氣的弱對流換熱QB，靜環傳遞給靜環座的熱量QC，流體膜帶走的熱量QD1、QD2，動環傳遞給動環座的熱量QE。根據靜壓式干氣密封結構示意圖，靜壓式干氣密封熱邊界條件如圖3和表1所示。

圖3 靜壓式干氣密封熱邊界示意

表1 靜壓式干氣密封熱邊界條件

正常工況熱平衡公式如式(1)所示，異常接觸工況熱平衡公式如式(2)所示。

Qv=QA+QB+QC+QD1+QD2+QE

(1)

Qb=QA+QB+QC+QD1+QD2+QE

(2)

由于密封內外徑處泄漏量為10-5g/s量級，泄漏量較少，因此介質帶走的熱量可以忽略。靜環傳遞給靜環座的熱量和動環傳遞給動環座的熱量相較于其他熱量較少，均可忽略。忽略小量后，正常工況熱平衡公式如式(3)所示，異常接觸工況熱平衡公式如式(4)所示。

Qv=QA+QB

(3)

Qb=QA+QB

(4)

2.2 黏性剪切熱計算

根據前文所述，靜壓式干氣密封在正常工況條件下運轉時，主要熱量來源于密封端面氣膜所產生的黏性剪切熱Qv，其通過解析法進行計算。根據文獻[21],黏性剪切熱的計算公式為

Qv1=qv×Af

(5)

由于動靜環結構參數的不同，所以熱流密度在2個環上分配不同，因此需對動靜環進行熱量分配計算。

2.3 密封環熱量分配

根據文獻[21],密封環熱量分配采用熱穩態計算公式為

(6)

式中：h1為密封環軸向厚度，mm；y為距離端面的距離，mm；λ為密封環導熱系數，W/(m·K)。

由于兩密封環材料相同，且端面處兩環溫度相同，因此當y=0時，可得：

(7)

式中：qr、hr為動環系數；qs、hs為靜環系數。

因此可得動靜環熱流密度分別為

(8)

2.4 摩擦熱計算

根據前文所述，靜壓式干氣密封在接觸工況條件運轉時，主要熱量來源于密封端面的摩擦熱Qb，其通過解析法進行計算，計算公式為

Qb=qv×f×pcr×n

(9)

2.5 對流換熱計算

根據流體物性及流動的形式，對不同的對流換熱邊界采用不同公式計算對流換熱系數。其中，動環與空氣的對流換熱由于旋轉流和軸向流的雙重作用，因此計算公式按式(10)。在密封運轉時，靜環保持靜止狀態，因此靜環與空氣流動不存在旋轉流，為自然對流，計算公式按式(11)。

(10)

(11)

式中：λ為空氣導熱系數，W/(m·K)；d0為動環外直徑，mm；Ree為密封介質旋轉攪拌影響的雷諾數；Ref為橫向熱流影響的雷諾數；Pr為普朗特常數；Ta為泰勒數；Ss為密封環與旋轉軸之間的間隙。

3 密封溫度場數值模擬計算結果

利用上述邊界條件對靜壓式干氣密封進行計算。密封結構參數、工況參數、相關材料屬性及密封介質物性參數如表2—4所示。

表2 靜壓式干氣密封結構參數和工況參數

表3 靜壓式干氣密封環材料屬性

表4 靜壓式干氣密封介質物性參數

基于上述條件計算的溫度云圖和密封環端面溫度細節圖分別如圖4、5所示。可見，密封環最高溫度位置位于密封環端面處，兩密封環端面處溫度基本一致。因此，為了簡化計算，以下均以兩密封環端面處最高溫度為研究對象。

圖4 密封環溫度云圖

圖5 密封環端面溫度細節圖

3.1 不同轉速對端面溫度的影響

3.1.1 正常工況

根據密封運轉工況，在不同膜厚下對密封環在不同轉速下的溫度進行了數值模擬，結果如圖6所示。

圖6 不同膜厚下轉速對密封環端面溫度的影響

隨著轉速的增加，密封環端面溫度逐漸升高。由于密封環的主要熱量來源——黏性剪切熱與轉速呈二次方正相關，而密封環散熱主要的影響因素——對流換熱的系數與轉速關系較小。因此在高轉速條件下，溫升會更快，密封環端面溫度更高。但是高轉速條件下，密封環附近的對流換熱系數也隨之增加，散熱性能更好，因此密封環端面并沒有產生較大溫升，而是保持在一定的范圍內。

3.1.2 異常接觸工況

異常接觸工況下，由于端面間不存在氣膜，表4所列空氣的物性參數將不再適用。由于端面間摩擦產生的摩擦熱將比黏性剪切熱更多，因此，密封環端面溫升更加明顯。根據密封運轉工況，對不同轉速下異常工況的密封環溫度進行了數值模擬。異常接觸工況與正常工況密封環端面溫度對比如圖7所示。

圖7 異常接觸工況與正常工況密封環溫度的對比

由圖7可見，在正常工況下密封環的溫升比接觸工況下的溫升高得多，異常工況條件下密封環溫升幅度甚至達到600 ℃以上。由于異常接觸工況與正常工況熱量產生方式有所不同，因此產生的熱量也不相同。兩環接觸時產生的摩擦熱遠大于兩環正常工作時產生的黏性剪切熱，而密封環運轉時對外界散熱的對流換熱幾乎保持不變。因此密封環端面會產生更多熱量，溫度也會急劇增長。

3.2 不同膜厚對端面溫度的影響

根據密封運轉工況，對正常工況條件下，不同膜厚的密封環溫度進行了數值模擬。不同膜厚對密封環端面溫度的影響趨勢如圖8所示。

圖8 不同轉速下膜厚對密封環端面溫度的影響

隨著膜厚的增加，密封環溫度逐漸減少。由于密封環主要熱量來源——氣膜黏性剪切熱與氣膜厚度呈現負相關關系。因此，隨著氣膜厚度的增加，密封環所產生的熱量會相對較小，而密封環散熱主要的影響因素——對流換熱系數不受氣膜厚度影響，因此溫升會相對較小。

由于在相同的其他工況條件下，進氣壓力越大，膜厚越小，因此該規律也可以進一步引申為進氣壓力對于密封環端面溫度的影響：隨著進氣壓力的增加，密封環溫度逐漸減少。

3.3 不同腔內溫度對端面溫度的影響

密封實際運轉過程中，腔內介質會產生不同的溫度。根據實際密封運轉工況，對不同腔內溫度情況下的密封環溫度進行了數值模擬，分別分析了正常工況和異常接觸工況下不同腔內溫度對密封環溫度的影響，結果分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同轉速下腔內溫度對端面溫升的影響(正常工況)

圖10 不同轉速下腔內溫度對端面溫升的影響(異常接觸工況)

腔內溫度的上升，即密封環所處環境溫度上升。當密封環在更高溫環境下運行，端面必然會產生更高的溫度，因此這里討論腔內溫度與密封環端面溫度之間的差值更為合理。隨著腔內溫度的增加，正常工況下密封環端面溫度受腔內溫度影響較小，其與腔內溫度的溫差平穩上升。而異常接觸工況受腔內溫度影響較大。雖然密封環端面與腔內溫差呈明顯下降趨勢，但溫升數值仍明顯大于正常工況。正常工況條件下，空氣在不同腔內溫度條件下，物性有一定的差距，但相差不大，因此會產生較小的升溫幅度。而異常接觸工況條件下，熱量產生的主要來源為摩擦熱，隨著腔內溫度的增加，腔內溫度也通過與密封環其他面的接觸，間接影響密封環端面溫度。隨著溫度的升高，腔內熱源的影響逐漸變小，因此與腔內的溫差逐漸減少。但是即便異常工況條件下溫差逐漸減小，相較于正常工況依舊會產生較大的溫升。

3.4 不同腔內壓力對端面溫度的影響

密封運行過程中，腔內介質會產生不同的壓力，腔內壓力對于密封環溫度也會產生一定的影響。根據實際密封運轉工況，分別在不同腔內壓力條件下，對正常工況和異常接觸工況條件下的密封環溫度進行了計算，結果分別如圖11和圖12所示。

隨著腔內壓力的增加，正常工況與異常接觸工況下的密封環端面溫度均有不同程度的下降，但下降趨勢都并不明顯。在不同壓力條件下，空氣物性會有一定差距，傳熱系數會逐漸增加，傳熱效率提高，因此密封環端面溫度下降。正常工況條件下，由于端面間氣膜的存在，隨著空氣壓力的增加，傳熱系數逐漸增加，但增幅不大，所以密封環溫度不會有很明顯的下降。而異常接觸工況主要生熱來源為摩擦熱，摩擦熱主要受兩密封環旋轉影響，因此端面溫度受腔內壓力影響不大。

圖11 不同轉速下腔內壓力對端面溫升的影響(正常工況)

圖12 不同轉速下腔內壓力對端面溫升的影響(異常接觸工況)

4 密封環端面溫度對密封性能的影響

對于靜壓式干氣密封，密封的開啟力、剛度，泄漏率是重要的性能指標，而密封環端面溫度的變化對密封性能也會產生一定的影響。文中針對相同膜厚、相同進氣壓力和腔內壓力工況，研究了不同密封環端面溫度對密封性能的影響。為簡化計算，選取進氣壓力為0.4 MPa，腔內壓力分別為0.2和0.3 MPa進行計算。計算結果如圖13—15所示。

圖13 端面溫度對開啟力的影響

圖14 端面溫度對泄漏量的影響

圖15 端面溫度對氣膜剛度的影響

可見，隨著端面溫度的逐漸升高，密封開啟力緩慢上升，而泄漏量和氣膜剛度均呈現下降趨勢。由于溫度對氣體性能會產生一定影響，因此會對密封性能產生一定的影響。在實際工程應用中，可以通過調節密封環運行環境的方法控制密封環端面溫度，從而使密封環發揮最優密封性能。

5 密封運行狀態監測方法

由于異常接觸狀態下，密封環端面溫度比正常工作條件下溫度高得多，因此在實際工程應用中可以使用溫度監測的方法對密封環的接觸狀態進行監測，從而保證密封裝置平穩運行。

目前針對密封裝置的溫度測量主要有2種方式，分別是接觸式測溫與非接觸式測溫[20]。接觸式測溫主要是采用熱電偶或熱電阻等方式進行測量，將熱電偶或熱電阻埋入密封靜環摩擦面一側，距離端面越近測量越準確。但由于密封環兩端面間氣膜較小，無法將測溫元件貼在其表面進行測溫，這是接觸式溫度測量方法的缺點。非接觸式溫度測量主要方式有聲波測溫與紅外成像測溫。聲波測溫主要是采取密封端面摩擦所產生的聲波，并經過一定處理，得到密封面接觸的信息。但是由于靜壓密封為非接觸式密封，密封環在運轉時幾乎不會接觸，且密封運轉時噪聲較大，如何分辨聲波信息目前依舊是一個復雜的問題。紅外成像儀能夠實現端面溫度的連續與實時測量，可以解決高速旋轉部件的表面測溫問題。紅外熱成像儀設備簡單，操作方便，且測溫儀體積較小，可以隨時測量與傳輸溫度云圖，是目前比較新穎的測量方式，也是一種比較合適的測溫方式。

具體監測方法為：通過在腔內腔體上安裝紅外測溫元件，當密封環溫度急劇上升且遠大于腔內溫度時，則可視為密封環損壞。隨后通過溫度變送器將溫度數據信號輸送到總控臺，并迅速報警。這種方法可以有效增加密封環運行狀態的監測效率，為實際工程的安全生產提供一定保障。

為驗證可行性，文中搭建了相關試驗裝置，如圖16所示，架設熱成像儀在固定位置，通過腔體的視窗進行測溫。考慮試驗裝置實際運轉條件與時間成本等多方面因素，文中在不同轉速和壓力條件下，在運轉開始時與運轉第5 min時分別對密封環間的縫隙進行溫度測量。這樣可以初步找到密封環溫度變化規律，也可以節約試驗時間，提高效率。

圖16 試驗裝置

在1 200 r/min轉速條件下，正常工況下試驗測量的2組圖像如圖17所示，異常接觸工況試驗測量的2組圖像如圖18所示。可見，經過5 min的運轉，正常工況下溫升幅度約12%，異常接觸工況下溫升幅度約為20%。

圖17 不同運行時間時熱成像溫度對比(正常工況)

圖18 不同運行時間熱成像溫度對比(異常接觸工況)

由于密封環氣膜溫度無法直接在運行過程中測量，所以以兩環中間縫隙溫度為主要測量對象，此處溫度視為密封環端面溫度。由于試驗環境溫度變化以及試驗自身誤差，所以導致數據有一定誤差，誤差棒圖如圖19所示。為驗證理論值的正確性，將正常工況試驗值與理論值進行對比，對比結果如圖20所示。可見，試驗值變化規律與模擬值規律基本保持一致。

圖19 密封環溫度變化(誤差棒圖)

圖20 密封環溫度變化理論值試驗值對比

隨后，經過多次在不同轉速、不同進氣壓力下的試驗，試驗結果如圖21所示。由于試驗受到多種因素影響，所以密封環溫度略有差異，但誤差保持在合理范圍。將試驗數據進行整合，密封環溫度試驗值變化規律如圖21和圖22所示。可見，正常工況條件下密封環溫升隨轉速逐漸升高，而異常接觸工況下升溫幅度明顯大于正常工況。

圖21 密封環溫度變化(異常工況和正常工況)

圖22 密封環溫度變化(正常工況)

根據模擬及試驗數據，在實際工程運行過程中，當密封環溫度升溫較慢，可視為密封環運行在正常工況條件；相反，當密封環溫度急劇增大時，可視為密封環運行于異常接觸工況，密封環發生接觸摩擦。通過實時監控溫升的方法，可以更有效地判定密封環的運行狀態，更快速地發現密封環異常運行狀態。

6 結論

(1)對于靜壓式干氣密封而言，膜厚增加會使密封環端面溫度小幅下降，轉速增加會使密封環端面溫度大幅升高。

(2)密封環的溫度也會受到腔內環境的影響，腔體壓力的升高會使密封端面溫度緩慢下降，腔體溫度的升高會使端面溫度緩慢上升。

(3)紅外測溫裝置體積較小，實時傳輸等特點，可應用于實時監測系統之中。通過實時監控密封環溫度的方式，可以實現密封運行狀態高效率監控，提高了密封運行的工程應用效率。