兩種動壓機械密封性能的對比研究

湯占岐，姜國平

TANG Zhan-qi, JIANG Guo-ping

（北方民族大學 化學與化學工程學院，銀川 750021）

0 引言

機械密封又稱端面密封，廣泛應用于泵、壓縮機、攪拌反應釜等旋轉機械上，按運行時動、靜環表面是否接觸可分為流體動壓型和普通型兩類。動壓型機械密封是利用流體動壓效應，在動、靜環表面間產生一層極薄的流體膜，實現動、靜環非接觸，與普通型機械密封相比，動壓機械密封可降低密封面磨損，提高密封可靠性，延長使用壽命[1]。雖然普通型機械密封由于制造和安裝誤差產生的偏心和偏斜、表面波度和表面粗糙度等也會在端面間產生流體動壓液膜，但這層動壓液膜是不完整的，存在部分微凸體的直接接觸，在重載、高速和低黏工況下，微凸體直接接觸，導致密封端面磨損、磨損加劇，溫度上升，液膜氣化，使密封失效[2]。為獲得可靠、穩定的流體動壓膜，可在密封端面上加工出各種型式的動壓槽，充分利用槽的動壓效應產生端面開啟力，使密封動、靜環端面間形成動壓液膜，從而避免端面接觸；同時，流體動壓效應使得液膜具有較大的剛度，以適應外界工況的變化。某些型式的動壓槽還具有上游泵送效應，將隔離液或由密封腔泄漏出的液體泵送回密封腔，實現被密封介質零泄漏、零逸出[3,4]。

機械密封端面間流體的流動計算，其實質是對雷諾方程的求解，根據機械密封的結構特點和工作特點，可作適當的假設：1）在穩定載荷下，沿液膜法向的速度可視為零；2）被密封介質和隔離流體均為液體，視為不可壓縮流體，即ρ=常數；3）流體的動力黏度 μ = 常數。在上述假設條件下，對普遍雷諾方程進行簡化，簡化后的雷諾方程圓柱坐標下的表現形式為：

本文用數值模擬的方法，對內裝式徑向直線槽和外裝式斜直線槽機械密封的密封性能進行對比分析，以期為密封的設計、選型提供理論依據。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

圖1（a）和（b）分別為徑向直線槽和斜直線槽密封的幾何模型，其中徑向直線槽為內裝式，外徑側為被密封介質；斜直線槽為外裝式，內徑側為被密封介質。開槽部分的作用是在動環和靜環有相對運動時，產生流體動壓力使兩密封端面實現非接觸，密封壩的作用是對上游側的高壓被密封介質起節流降壓作用，同時在設備停運時起到停車密封的作用。斜直線槽密封的旋向有限制，需按規定旋向轉動，如圖1所示；而徑向直線槽對旋向沒有要求，正、反轉均可。

圖1 密封端面結構

以密封端面間的液膜為研究對象，由槽的對稱性和周期性分布的特點，選取如圖1中所示的計算區域建立模型并進行網格劃分。對于徑向直線槽，在半徑RO處，定義為壓力入口邊界，在Ri處，為壓力出口邊界；對斜直線槽，在半徑Ri處，定義為壓力入口邊界，在半徑RO處，為壓力出口邊界。計算區域的側面定義為周期性邊界；液膜與槽壁面、密封壩、密封堰以及靜環接觸的面均定義為固定壁面。采用層流模型進行計算，壓力速度耦合采用 SIMPLE 算法，動量方程的離散采用二階迎風格式。

1.2 基本參數

計算所用的基本參數為：密封環外半徑RO=51mm，內半徑Ri=41mm，密封壩半徑Rd=47mm，非槽區液膜厚度h=3μm，槽數N=36，槽深Hg=10 μm，斜直線槽的槽線傾角為α=30°，密封槽周向寬度與密封堰軸向寬度之比即槽堰寬比?=1，動環轉速n=3000 轉/分鐘，被密封流體壓力pi=0.3 MPa（表壓），泄漏側流體壓力po=0MPa（表壓），流體介質為常溫水。

2 計算結果及分析

圖2 計算區域內液膜壓力分布

以1.2所列出的基本參數計算，得到的兩種槽型計算區域內液膜的壓力分布云圖如圖2所示。由圖可看出，在動壓槽的根部，逆著轉動方向的一側，形成了一個收斂的間隙，滿足流體動壓效應形成的條件，因此在此處的液膜產生了較高的壓力，而在另一側則相反，流動空間在此處發散，使液膜壓力降低。

通過改變槽深、槽數和轉速等參數，研究其對徑向直線槽和斜直線槽機械密封的密封性能如泄漏量、剛度和開啟力的影響，對這兩種槽型的機械密封進行對比分析。

2.1 槽深對密封性能的影響

改變槽深Hg，其余參數不變，其對密封端面最大壓力Pmax，泄漏量QL，端面開啟力FO和液膜剛度K的影響如圖3所示。由圖3（a）可以看出，槽深相同時，斜直線槽端面最大壓力大于徑向直線槽端面最大壓力，動壓效應優于徑向直線槽。在槽深Hg=10μm時，斜直線槽的動壓效應最優，而徑向直線槽的動壓效果在槽深Hg=7μm時最為顯著。由于動壓槽的動壓效應，使得被密封介質在密封端面上產生較大的壓力，從而形成了端面開啟力，并克服作用在動環上的彈簧力和介質背壓力，使動、靜環分離，實現密封面的非接觸。圖3（b）示出了泄漏量QL隨槽深的變化規律，泄漏量為負值表示流體向高壓側的密封腔內流動。可見，外裝式斜直線槽密封具有上游泵送效應，會將低壓側隔離流體或由高壓側泄漏的流體反送回高壓側，從而達到零泄漏。流體動壓效應會在某一槽深時最為明顯，隨槽深的增加，動壓效應削弱，端面最大壓力和開啟力都會下降，圖3（a）和（c）表明了這種變化規律。圖3（d）則表明了在相同條件下，斜直線槽的液膜剛度遠遠大于徑向直線槽。

圖3 槽深Hg對密封性能的影響

2.2 槽數對密封性能的影響

改變動壓槽槽數N，其余參數同1.2，其對密封端面最大壓力Pmax，泄漏量QL，端面開啟力FO和液膜剛度K的影響如圖4所示。結果表明，隨著槽數N的增加，密封端面上產生動壓效應的區域增多，所以端面開啟力和泄漏量（或負泄漏量）增大，液膜剛度總體上也增加。而隨著N的增加，端面最大壓力呈下降趨勢，這是因為每個動壓槽的周向寬度減小，流體在槽內被“擠壓”的過程縮短，所以最大壓力減小。圖4進一步表明，斜直線槽的動壓效果明顯高于徑向直線槽。

圖4 槽數N對密封性能的影響

2.3 轉速對密封性能的影響

改變動環轉速n，其余參數同1.2，其對密封端面最大壓力Pmax，泄漏量QL，端面開啟力FO和液膜剛度 K 的影響如圖5所示。

結果表明，隨動環轉速的增加，兩種槽型密封的上述四個性能參數中均增加。可見轉速越大，動壓效應越明顯，對外裝式斜直線槽密封而言，負泄漏量（上游泵送量）也越大。

3 結論

圖5 轉速n對密封性能的影響

內裝徑向直線槽和外裝斜直線槽機械密封均能產生流體動壓效應，在相同條件下，后者的動壓效應明顯優于前者，其端面最大壓力、端面開啟力和液膜剛度均遠大于前者，較大的液膜剛度可使密封能夠抵抗較為劇烈的外界工況（如振動、載荷等）的變化；斜直線槽密封具有明顯的上游泵送效應，能將泄漏流體泵送至上游，可達到零泄漏工況，這一優點在對有毒、有害介質的密封場合顯得尤為重要；斜直線槽密封有特定的轉向，不得反轉，而徑向直線槽密封則不受轉向限制。

[1]于新奇,王振輝,蔡仁良.動壓型機械密封技術的應用和發展[J].流體機械,2005,33(8):28-32.

[2]袁世先,薛曉虎,楊惠霞.機械端面密封的動壓效應[J].工程機械,2003,(9):39-42.

[3]李貴勇,郝木明,閆明強.螺旋槽上游泵送機械密封密封特性數值計算[J].潤滑與密封,2010,35(9):56-59.

[4]周劍鋒,顧伯勤.上游泵送機械密封在真空裝備中的應用[J].潤滑與密封,2008,33(1):129-132.