探討核主泵用流體靜壓型機械密封在高壓和高速下的機械密封性能

郭金強 田斌

摘 要：將核主泵用流體靜壓型機械密封作為研究的對象，其中考慮到密封圈的影響，在高速和高壓情況下，端面熱彈變形很容易影響到其展現出來的密封性能的特點，因此采用有限元法闡述密封環的熱彈變形，對其密封性能做出一定的分析。該文核主泵用流體靜壓型機械密封在高壓、高速的條件下，高壓會導致密封端面力變形，而高速環境中則會使端面間流體膜因粘性剪切作用，同時再加上旋轉組件的攪拌生熱，在整個機械密封的溫度場發生改變的同時，密封環也產生了變形。

關鍵詞：核主泵 流體靜壓型機械密封 高壓和高速 機械密封性能

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0104-01

核主泵用流體靜壓型機械密封屬于一種全流體非接觸式的機械密封，核主泵作為核電站中十分重要的部件，其端面加工有收斂錐度的流體靜壓型機械密封是核主泵最主要的密封結構之一。在高壓的環境中，整個密封端面的熱力耦合變形和流體靜壓潤滑作用對密封性能有較大的影響。考慮密封環組建的非線性接觸作用，建立一個有限元軸對稱分析模型，發現雙錐面比單錐面密封性能更好，并且展示出來的可靠性更高，在此基礎上對具體的高壓高速環境下的密封性能進行剖析。

1 核主泵用流體靜壓型機械密封概述

在整個的密封層次中，其中的第一級是三級密封中最主要的一級，其采用的是表面開有錐度的流體靜壓型機械密封，其承受了整個系統中最主要的壓力。第二級采用接觸式機械密封，當第一級密封失效時第二級密封能夠暫時代替其承受全部壓力，為后續的檢修爭取更多時間。第三級也是接觸式密封[1]。針對三級中第一級的重要性，一般在研究密封性能時主要以第一級為主。核主泵用流體靜壓型機械密封常用結構由兩種，一種是單收斂型；另一種是雙收斂型。這兩種端面結構中，由于其錐角十分微小，導致了不管是單錐面還是雙錐面只要發生了微小的變形或者是誤差都會導致密封性能大大改變。

2 密封環組件有限元模型

依據核主泵用流體靜壓型機械密封第一級密封的特點，建立一個密封靜環組建的二維軸對稱模型。在閉合力、重力及液膜開啟力的共同作用下，靜環組件維持了一個軸向力的平衡，而這時候端面間的液膜是處于穩定狀態的，要想建一個靜環組件有限元模型，就需要對位移約束邊界條件進行制定[2]。在靜環約束邊界條件簡化過程中，整個靜環的底邊大范圍的緊密接觸靜環座的外徑側位置，在此情況下把靜環底邊的位移作為靜環的約束邊界條件。最終的有限元結果分析，在力載荷以及各個組件的相互作用之下，靜環端面呈現出了不同的變形行為。具體表現為靜環組件在受到力變形的影響時，其約束情況及支座結構與靜環組件發生了偏差，當靜環產生順時針偏轉時，整個端面呈現出發散變形的狀態，從而減小了密封間隙的收斂程度。

3 高壓和高速下的密封性能分析

當核主泵用機械密封在高壓的環境下運轉時，密封環與潤滑膜界面間產生摩擦生成的粘性剪切熱部分由潤滑液膜帶走，部分通過熱傳導向靜環散失。觀察螺釘力以及轉速對密封性能的影響，當螺釘力發生變化時，由于是通過密封環和夾緊環支座兩者來固定的密封環，夾緊環通過均勻排列的螺釘來連接密封環支座，因此螺釘力的大小對密封環、密封性能有著重要作用。同時還對影響密封環的傾斜角度，對密封環端面的變形量產生影響[3]。O型圈是整個密封結構中十分重要的輔助元件，對密封的性能也有一定的作用。O型圈槽內徑的變化，會改變靜環底邊的軸向受力，同時還會造成螺釘力發生改變，影響到了靜環的彈性變形，從而使密封性能受到影響。

通過端面間流體膜以及動、靜環組成了流體靜壓型機械密封，其中流體膜在穩定狀態下能夠有效避免動、靜環之間的接觸產生的磨損，能夠提高整個系統的安全性。由于高速、高壓是核主泵密封運行工況，由于受到高速粘性剪切作用使流體膜生熱會引起密封環的熱變形，同樣密封端面彈性變形在高壓情況下也會發生。因此產生的熱彈流效應的軸對稱密封數學模型，通過利用有限元來分析流體靜壓機械密封的密封性能。通過一系列的研究分析，表面壓力引起的彈性變形及溫差引起的熱變形是密封環的兩種主要變形形式。

圖1比較的是熱彈變形、熱變形以及彈性變形的機械密封端面的變形。通過圖可以看到，三種變形都顯示出端面收斂型，從而造成端面的靜壓承載力提高。針對核主泵用流體靜壓型密封，其中高壓引起的端面彈性變形大于溫度升高引起的熱變形。在具體的操作過程中，由于轉速的增加，單位時間內產生的摩擦生熱迅速升高，從某種程度而言，雖然動環旋轉有利于散熱，但是散熱的強度遠遠低于端面升高的幅度。當動環轉速加快時，其靜環端面就會有越來越大的溫升，溫升增大會降低流體的粘度，與此同時，增加了端面熱變形，改變了端面膜厚，致使密封性能受到影響，增大了泄漏量。此外，注入流體壓力也會影響密封性能[4]。當出口壓力保持不變時，不斷增加注入流體的壓力，靜環端面的溫度逐漸變小之后開始逐漸增大。壓力不大時，有很慢的端面的流體徑向流速，此時占主導的是周向旋轉剪切摩擦生熱，且有較高溫升；相反地，逐漸增加壓力，會增大徑向流速，流體冷卻明顯下降，有較小的溫升。

4 結語

通過采用有限元法建立一個靜環組件有限元模型，并對其進行簡單分析，將單錐度與雙錐度的端面密封比較，雙錐度端面密封的液膜剛度較高時其最高溫度值卻較低，在這種明顯的比較之下可以發現雙錐度端面具有良好的穩定性。并且流體靜壓型機械密封的性能受到了壓力以及動環角速度的影響產生變化，兩者的變化導致泄漏率、熱彈變形量也在發生改變。

參考文獻

[1] 彭旭東，白少先，盛頌恩，等.流體靜壓型機械密封的三維傳熱數學模型及端面溫度分析[J].摩擦學學報，2010，11（1）：125-126.

[2] 孫靜濤，呂曉春，周之入.核電站主泵的主軸、堆焊層和護環材料的抗腐蝕性能分析[J].水泵技術，2012，13（1）：206-207.

[3] 霍鳳偉，郭東明，康仁科.核主泵用流體動壓密封環復雜形面超精密磨削[J].機械工程學報，2014，15（13）：216-217.

[4] 劉偉，彭旭東，白少先.流體靜壓型機械密封的三維傳熱數學模型及端面溫度分析[J].摩擦學學報，2010，30（1）：57-63.