艉軸密封彈簧組熱-結構耦合分析*

王曉軍 王 磊 胡舉喜 楊 穎

(北京航空航天大學固體力學研究所1) 北京 100191)

(中國船舶重工集團公司第七〇四研究所2) 上海 200031)

1 引言

船用軸密封彈簧裝置是艦船推進系統的重要組成部分,擔負著密封、防止外部的水或管內的潤滑劑漏入艙內的重要作用。在實際的航行過程中,密封端面的變形、間隙、溫度相互耦合,極易形成局部的高應力區和高溫區,造成端面的磨損和侵蝕加劇,嚴重影響了密封裝置的整體性能及使用壽命[1～2]。針對船用軸密封裝置的熱—結構耦合特性的研究具有重要的工程意義。目前,國內外學者在機械密封熱—結構耦合方面已經作了較多的工作,但是由于這一問題本身的復雜性,這方面的研究一直是許多假設的前提下進行的,得到的分析結果與實際的密封工況存在比較大的差異[3]。Pascovici和Etision等人[4]用解析法推導過端面溫度分布的計算公式,并對影響溫度分布的一些因素作了參數化研究;Li[5]假設密封面間的液膜物性參數不變,研究了液膜的溫度場;Hughes和Chao[6]研究了液體端面密封中液膜的相變規律,但忽略了密封環外側與密封介質的熱交換效果;國內廖和濱等[7]將機械密封動、靜環簡化為兩個獨立的軸對稱模型,利用經驗公式給出了動、靜環的熱量分配比,從而得到靜環的摩擦熱;朱學明等[8]采用整體接觸法對船舶軸密封環進行了熱-結構耦合有限元計算,得到了密封環溫度場分布;周劍鋒等[9]按照換熱面積分守恒的原則研究了機械密封端面摩擦熱在動環、靜環、端面間液膜和密封介質組成的傳熱系統中的傳遞規律。

本文基于ANSYS軟件對軸密封彈簧組結構進行了有限元分析[10],分別通過瞬態分析和穩態分析獲得了動、靜環接觸端面的溫度場在軸向、徑向以及混合振動狀態下的分布規律,有效地提高了軸密封裝置端面的密封性能。

2 軸密封彈簧組結構及其工作原理

軸密封彈簧組裝置工程結構如1所示,整個軸密封裝置除動環、驅動環隨軸轉動外,其余部件均通過固定座固定在船體上。實船安裝時,Ω彈簧組已存在10mm的安裝壓縮量。整個彈簧組最大壓縮量22mm,最小壓縮量為4mm。密封端面軸向力主要有密封面的液膜壓力、密封腔內海水壓力,初始狀態彈簧被壓縮10mm,使其具有承受較大的軸向和徑向振動的能力。靜環被固定在靜環座上,動環繞軸轉動與靜環產生摩擦,在接觸端面產生熱流密度。

圖1 軸密封彈簧組裝置工程圖

3 軸密封彈簧組結構的有限元模型

根據如實地反映結構的幾何形狀、構造型式、材料特性、傳力路線、承載方式和邊界條件等因素的基本原則,將軸密封彈簧組結構離散化為一個有限元分析模型。同時本文利用MSC.Patran重新建立新的彈簧組,考慮到靜環座為實體單元,且變形量很小,與彈簧組的明顯變形相比可視為剛體,這些實體單元對整體結構動態特性的影響主要體現于質量和轉動慣量。于是對總體結構進行合理簡化,將上述的實體單元用一個集中質量代替,集中質量的質量、轉動慣量與實體結構完全一致。由于實體結構變形很小(視為剛體),認為靜環座、靜環接觸面與彈簧組之間沒有相對位移,可以利用多點約束將靜環、靜環座接觸面和夾緊環結點的相對位置固定,便得到了簡化的有限元模型。此模型中,固定座采用固支的邊界條件,夾緊環與彈簧,動環與靜環之間通過建立接觸對來模擬實際的邊界條件,簡化的有限元模型如圖2所示。

圖2 簡化的有限元模型

4 軸密封彈簧組熱-結構耦合分析

4.1 瞬態熱分析

對軸密封彈簧組進行了熱-結構耦合瞬態分析,得到在軸向、徑向和混合振動模式下靜環與動環摩擦生熱條件下,靜環和動環端面的溫度瞬態變化歷程。其中軸向振動模式通過對動環施加幅值5mm的正弦強制位移實現,初始壓縮量為10mm;由于軸系的徑向振動引起動環偏轉,使得動環、靜環接觸面傾斜,造成接觸面壓力分布不均勻甚至漏水。軸系徑向振動幅值最大為9mm,取動環距軸支撐點的距離為 3.63m,則動環最大偏轉角為0.00245rad。于是徑向振動模式是將動環壓縮至10mm壓縮量,保持0.00245rad的傾角不變繞Y軸以4Hz的頻率旋轉來實現;考慮實際工程狀態同時施加軸向、徑向振動,模擬混合振動模式。

數值模擬結果顯示:1)混合振動模式接觸面的溫度升高較快。轉動一個周期時混合振動,徑向振動和軸向振動的最高溫度分別為 28.335℃、27.237℃和27.079℃;2)對于端面溫度分布,由于接觸端面中間位置不易散熱,并且此處的接觸壓強偏高,使得接觸端面的兩側溫度低,中間溫度較高,在混合情況下中間和兩側溫度最高相差6.34℃。軸向壓縮量分別達到15mm、5mm時刻,在軸向、徑向振動聯合作用下接觸面的溫度分布云圖如圖3、圖4所示。接觸面最大溫度出現在軸向壓縮量最大時刻(15mm),最大值為28.335℃;軸向壓縮量最小時刻(5mm),最大溫度值為25.808℃。截取接觸端面沿徑向三處節點(位置如圖5所示),比較不同振動模式下個結點平均溫度變化情況如表1所示。圖6～圖8反映出混合振動時各節點溫度隨時間的變化曲線,其中端面水槽處(節點2)溫度隨振動模式變化影響最大。三種振動激勵下軸密封彈簧組均滿足密封性要求。要很長時間,無法通過瞬態模擬,因此利用一個周期內的瞬態分析結構,得到一個周期內熱流密度的平均值,以此作為穩態分析的邊界條件。對動靜環接觸面施加熱流密度邊界條件(如圖9所示,在不同振動模式下熱流密度的大小和分布有所不同);同時為了考慮海水的冷卻,在動靜環與海水接觸位置施加22℃溫度邊界條件(圖10);由于軸密封彈簧組外部與空氣進行對流換熱,對動靜環與空氣接觸位置施加對流換熱系數(圖11)分別為10和5,進行穩態分析得到穩態的溫度場。

表1 節點1,2,3平均溫度比較

4.2 穩態熱分析

由于瞬態分析耗時較長,而要達到一個穩態需

對軸密封彈簧組進行熱-結構耦合穩態分析,得到三種振動模式下動靜環穩態溫度場分布,動靜環溫度場分布差別很小,在接觸位置動靜環端面溫度幾乎相同,混合振動模式下差別最高,為0.5℃。由于外部空氣的對流換熱和內部海水的冷卻作用,使得動靜環接觸端面溫度在中間溫度較高,兩側溫度偏低,在水槽處的溫度相對中間位置溫度偏低。軸向振動時的溫度最低為77.69℃,混合振動時的溫度最高為80.81℃。在穩態熱耦合場作用下,端面接觸壓強明顯增大,三種振動模式下的接觸端面都到達密封要求。其中,圖12、圖13反映出混合振動模式下,動、靜環端面溫度場的分布情況;圖14、圖15為壓縮量分別為10mm和15mm時,接觸端面的壓強云圖。

圖13 混合振動時靜環溫度場分布圖

5 結語

本文基于ANSYS軟件對軸密封彈簧組進行了熱—結構耦合分析。運用耦合場分析方法給出了瞬態和穩態作用下動、靜環接觸端面在三種典型振動模式下的溫度分布和端面壓強分布;并通過截取不同時刻的端面特性參數,進一步分析該軸密封裝置在正常工作條件下的密封性能隨溫度的變化情況,更好地掌握軸密封彈簧組熱-結構耦合機理,提高軸密封彈簧組抗變工況的能力,并最終驗證了該密封裝置在正常功過狀態下的端面密封性能。

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