電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)非接觸式機(jī)械密封性能研究

崔海新

摘要：隨著國(guó)防電子設(shè)備的不斷發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的綜合性能提出了越來(lái)越高的要求。機(jī)械密封是許多電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它在很大程度上決定了冷卻系統(tǒng)的性能和可靠性，進(jìn)而影響到整個(gè)電子設(shè)備的性能穩(wěn)定性和使用壽命。與電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中廣泛使用的接觸式機(jī)械密封相比，上游泵送機(jī)械密封是一種非接觸式機(jī)械密封，具有低泄漏、低磨損、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)零泄漏。根據(jù)電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的實(shí)際工況，建立了低速大直徑上游泵送機(jī)械密封的流固熱耦合分析模型。研究了機(jī)械密封主要性能參數(shù)在不同工況和密封設(shè)計(jì)參數(shù)下的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備;冷卻系統(tǒng);非接觸式;機(jī)械密封性能

1數(shù)學(xué)模型

1.1幾何模型

本文將機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)模型，忽略局部的非對(duì)稱(chēng)因素（如傳動(dòng)銷(xiāo)等）。該機(jī)械密封外徑處為密封介質(zhì)側(cè)，內(nèi)徑處為大氣環(huán)境。端面采用硬硬配副，動(dòng)環(huán)選用SiC材料，靜環(huán)選用加碳SiC材料。SiC材料的彈性模量為420GPa、泊松比為0.3、密度為3200kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為120W/mK、線膨脹系數(shù)為4×10-6K-1;加碳SiC材料的彈性模量為410GPa、泊松比為0.16、密度為2920kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為110W/mK、線膨脹系數(shù)為4.1×10-6K-1。

機(jī)械密封端面采用雙列反向螺旋槽結(jié)構(gòu)，端面內(nèi)外兩側(cè)螺旋槽的旋向相反。相關(guān)幾何參數(shù)：ri=154.5mm，ro=164.5mm，平衡半徑rb=157mm;r1=155mm，r2=162mm，r3=162.5mm，r4=164mm;堰槽寬度比為1，槽數(shù)36，槽深20μm。

1.2熱-流固耦合模型

本文上游泵送螺旋槽機(jī)械密封分析計(jì)算，采用基本相同的熱-流固模型。其中流場(chǎng)采用半解析法，將機(jī)械密封端面離散為若干個(gè)環(huán)帶單元，單元內(nèi)外徑壓差為

施加對(duì)應(yīng)邊界條件后即可得到流場(chǎng)的端面壓力分布。聯(lián)立流體膜能量方程，可獲得端面流體膜的溫度場(chǎng)。

在密封環(huán)與流體膜接觸的區(qū)域，設(shè)置溫度和熱流密度連續(xù)條件;在動(dòng)靜環(huán)的內(nèi)側(cè)和背部采用絕熱邊界條件;動(dòng)靜環(huán)外側(cè)存在良好的沖洗，采用對(duì)流換熱邊界條件，根據(jù)雷諾數(shù)估算，選擇Doane公式計(jì)算其對(duì)流換熱系數(shù)。密封介質(zhì)的粘溫關(guān)系采用修正后的Walther公式。密封環(huán)力熱變形由有限元法分析得到。密封端面上為流體域計(jì)算得到的壓力分布;在密封環(huán)其他位置，根據(jù)輔助密封O形圈位置設(shè)置高壓和低壓邊界條件;在靜環(huán)背部，根據(jù)彈簧力另施加彈性載荷邊界條件。在上述流、固、熱場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置流體壓力與溫度分析、開(kāi)啟力閉合力平衡、固體傳熱與變形分析三個(gè)計(jì)算模塊，嵌套循環(huán)至端面變形、溫度殘差小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)停止計(jì)算，由此而實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封的熱-流固耦合分析。

2算例、結(jié)果和討論

2.1變工況參數(shù)結(jié)果分析

對(duì)某電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)機(jī)械密封在介質(zhì)壓力為0.5MPa（絕對(duì)壓力）、額定轉(zhuǎn)速為500rpm、環(huán)境溫度為300K時(shí)，在前文所述槽型參數(shù)條件下，基于熱-流固耦合模型對(duì)密封的性能參量和其他參量進(jìn)行了分析，研究了不同工況和設(shè)計(jì)參數(shù)條件下各參量的變化情況。給出了轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)條件下的密封環(huán)溫度分布情況，可以看到密封端面溫升很小，而計(jì)算得到的端面最大相對(duì)變形均在0.1μm以?xún)?nèi)，可見(jiàn)這兩者影響很小，基本可以忽略。

當(dāng)密封介質(zhì)壓力在0.2MPa～0.7MPa時(shí)，得到的密封泄漏率、平衡膜厚（平衡狀態(tài)下膜厚最小值）、流體膜剛度、氣液分界半徑等參數(shù)的變化規(guī)律。在介質(zhì)壓力小于0.5MPa時(shí)，隨著壓力逐漸升高，平衡膜厚逐漸減小，流體膜剛度逐漸升高，氣液半徑逐漸向內(nèi)徑處移動(dòng)，及液膜所占區(qū)域逐漸變大，一直保持零泄漏狀態(tài)。這表明，該槽型設(shè)計(jì)可以在基本工況條件下實(shí)現(xiàn)零泄漏。在壓力升高時(shí)，需更多內(nèi)槽段參與向上游泵送，因此液膜區(qū)域逐漸變大。但當(dāng)壓力達(dá)到0.55MPa以上時(shí)，各參量發(fā)生突變，零泄漏狀態(tài)不再能維持，出現(xiàn)了較大的泄漏且隨壓力迅速升高，氣液半徑隨之降到內(nèi)徑處不再變化，平衡膜厚也大幅躍升。這充分說(shuō)明該槽型參數(shù)在其他工況不變的條件下所能承受的壓力極限在0.5MPa～0.55MPa。

密封槽型參數(shù)保持不變，轉(zhuǎn)速?gòu)?00rpm變化至600rpm。可見(jiàn)，在目前的計(jì)算轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，泄漏率一直保持為零。隨著轉(zhuǎn)速升高，平衡膜厚增大，流體膜剛度降低，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增大，流體動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致流體膜承載力增強(qiáng)，因而平衡膜厚變大，而流體膜剛度是平衡膜厚下的計(jì)算值，因膜厚增大而下降。氣液分界半徑基本保持不變，這是因?yàn)槁菪巯蛏嫌伪盟偷哪芰σ环矫媸艿睫D(zhuǎn)速的影響，一方面受到膜厚的影響，在本文算例條件下，這兩種正負(fù)影響基本互相抵消。

2.2變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果分析

本文選取彈簧比壓和外螺旋槽螺旋角作為典型的設(shè)計(jì)參數(shù)代表，探討了其對(duì)密封性能的影響規(guī)律，為上游泵送機(jī)械密封的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。利用該模型，分析了彈簧比壓從0.05mpa到0.2mpa的變化規(guī)律。

在此參數(shù)范圍內(nèi)，泄漏率始終為零。隨著彈簧比壓的增大，閉合力增大，平衡膜厚度迅速減小，液膜剛度迅速增大;氣液半徑也增大，但初期變化比較劇烈，后期變化緩慢。由此可見(jiàn)，彈簧比壓雖然不影響密封件零泄漏功能的實(shí)現(xiàn)，但對(duì)密封件的工作狀態(tài)影響很大。在啟動(dòng)和停止階段或低速時(shí)，彈簧比壓力對(duì)密封面摩擦狀態(tài)的影響更為顯著。

分析了螺旋角從11°到19°時(shí)外螺旋槽參數(shù)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)螺旋角小于15°時(shí)，隨著外螺旋槽螺旋角的逐漸增大，密封平衡膜厚度逐漸增大，液膜剛度減小，氣液邊界半徑逐漸減小，即：，被液體占據(jù)的面積逐漸增大。但是，當(dāng)螺旋角大于15度時(shí)，密封件將泄漏，其他參數(shù)將跳躍。可以看出，在本文所研究的參數(shù)范圍內(nèi)，側(cè)向螺旋角越大，對(duì)下游的泵送能力越大，也就是說(shuō)，槽對(duì)上游的整體泵送能力降低，但流體動(dòng)壓效應(yīng)和液膜承載能力增加。槽長(zhǎng)、槽寬、槽深、內(nèi)槽螺旋角等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)密封性能有顯著影響。本文不一一討論。

結(jié)論

本文針對(duì)電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的機(jī)械密封設(shè)計(jì)了上游泵送端面槽。采用熱流固耦合模型，研究了機(jī)械密封性能參數(shù)和其它參數(shù)隨運(yùn)行參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)的變化規(guī)律和機(jī)理。結(jié)果表明：在一定的壓力和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的槽型參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封的非接觸運(yùn)行和零泄漏;在本文的條件下，密封面溫升和熱變形很小，可以忽略不計(jì);彈簧比壓的變化會(huì)使平衡膜厚度發(fā)生較大變化，影響密封工作狀態(tài)，因此應(yīng)根據(jù)使用情況慎重選擇;外槽螺旋角影響螺旋槽的泵送能力和動(dòng)水壓力效應(yīng)，對(duì)密封性能有顯著影響。存在一個(gè)臨界值來(lái)確定是否可以實(shí)現(xiàn)零泄漏。

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