新型流線槽流體動壓型機械密封性能*

周思遙 陳 敏 周紹玉 王和順 張車寧 朱維兵

(1.西華大學機械工程學院 四川成都 610039；2.中密控股股份有限公司 四川成都 610046)

國內的核電技術雖然經過多年發展目前在全球領域占據著重要地位，但在關鍵零部件及原材料上仍有短板并依賴進口。尤其是在核主泵機械密封技術上，國外公司對我國實行技術封鎖，使得我國的核主泵密封技術發展大大受限。核主泵是核電站一回路系統的重要部分，其密封是核安全一級設備，如果失效將造成放射性物質的泄漏甚至故障停機，因此核主泵用機械密封是核電站的關鍵部件之一，同時對密封的可靠性及工作性能的要求極高[1]。核主泵用機械密封有2種形式：流體靜壓式和流體動壓式多級串聯機械密封。其中，流體動壓式機械密封一般采用三套完全相同的密封串聯，每級密封都必須能單獨承擔系統的全部壓力，大大提高了密封系統的可靠性；并且流體動壓型機械密封的密封端面磨損量小、壽命長，在使用過程中不易產生電泳現象，所以越來越受核電廠的青睞[2-3]。魏邦華和袁潮瀲[4]以ANDRITZ核主泵第三級機械密封為研究對象，分析了機械密封故障的原因，發現密封流體膜剛度不足是根本原因。吳兆山等[5]以自主研發的核主泵用機械密封裝置為研究對象，通過長周期的槽型對比運轉試驗，驗證了研制的密封裝置的良好性能。

常見的機械密封端面開槽的槽型有周向槽、直線槽、斜線槽、圓弧槽、矩形槽、螺旋槽、組合槽等[6-8]。MAYER[9]最早對密封端面開槽的機械密封進行了相關研究；KEY等[10]對矩形槽機械密封進行了數值分析；ZHANG等[11]對螺旋槽主泵機械密封進行了研究；劉杰[12]對核主泵用鑲嵌式直線槽流體動壓機械密封進行了研究；劉偉等人[13]提出了以波度密封為例建立流體動壓機械密封流固耦合模型來完善核主泵機械密封研究；馮曉東等[14]提出了在密封端面研磨出9個波形槽來提高動壓主泵機械密封的性能；周磊等人[15]提出了建立端面機械密封流體潤滑理論模型來分析流線槽密封性能。

本文作者以核主泵用新型流線槽流體動壓型機械密封為研究對象，建立了密封端面間的壓力控制方程，研究了流線槽機械密封密封機制，分析了槽型結構參數對密封性能的影響。

1 新型流線槽密封端面結構

流線槽機械密封結構如圖1所示。圖中，αg為槽區弧長，αw為密封堰弧長，ri為密封環內徑，ro為密封環外徑，rg為槽根圓半徑。

圖1 流線槽密封端面結構

槽型1的邊緣型線與極角θ和極徑r之間的關系為

(1)

式中：θ0為型線邊緣型槽開口處起點的初始極角；r0為型槽1的邊緣型線于型槽1開口處起點的半徑；h為軸向相對的兩密封端面的平均間隙；Q為密封間隙內介質體積的泄漏量；ω為兩密封端面相對旋轉的角速度。

2 控制方程及模型參數

2.1 控制方程

假設密封端面間膜流動為層流、穩態、等溫流動，則極坐標下的雷諾方程為

(2)

對式(2)進行量綱一化處理得：

(3)

其中：

式中：h0為流體膜厚；ro為內徑；p0為端面低壓側壓力。

采用有限差分法對式(3)進行數值求解，應用軟件進行迭代可得到壓力分布，進而可計算出開啟力(Fo)、泄漏量(q)、剛度(Kz)、剛漏比(τ)等參數。

2.2 密封性能參數計算

由端面壓力分布，可得端面開啟力Fo的計算式為

(4)

式中：θ0、θα為周向邊界；N為流線槽的槽數；ro、ri為徑向邊界。

泄漏量q的計算式為

(5)

式中：Ri為量綱一內徑；Pi為量綱一內壓。

由端面開啟力相對于間隙的微小變化得流體膜剛度Kz為

(6)

由剛度和泄漏量之比得剛漏比τ為

(7)

2.3 模型參數

槽型參數和工況參數如表1和表2所示。

表1 密封幾何參數

表2 密封工況參數

3 計算結果及分析

3.1 槽數的影響

當槽數在6～25個變化時，槽數對密封性能的影響如圖2所示。

圖2 槽數對開啟力(Fo)、泄漏量(q)、剛度(Kz)、剛漏比(τ)的影響

從圖2中可看出：

(1)隨著槽數的逐漸增加，開啟力、泄漏量和剛度呈整體上升的趨勢，剛漏比則呈現整體減小的趨勢。

(2)當槽數在6～12個時，開啟力、剛度都隨著槽數的增大而迅速增大；槽數在12～25個時，開啟力和剛度增長速率明顯減緩且最后趨于穩定。

當槽數增加時，密封端面能產生流體動壓效應的區域增加，因此開啟力和泄漏量隨之增大。

3.2 槽深的影響

當槽深在0.5～20 μm變化時，槽深對密封性能的影響如圖3所示。

圖3 槽深對開啟力(Fo)、泄漏量(q)、剛度(Kz)、剛漏比(τ)的影響

從圖3中可看出：

(1)隨著槽深的逐漸增加，開啟力、泄漏量和剛度、剛漏比均呈先增加后減小的趨勢，并且開啟力和泄漏量變化規律基本一致。

(2)當槽深在0.5～2 μm時，隨著槽深增加，開啟力和泄漏量迅速增大，且兩者均在槽深為2 μm時取得最大值；當槽深為2～10 μm時，隨著槽深的增加，開啟力和泄漏量迅速減小；槽深取值大于10 μm時，隨著槽深的增加，開啟力和泄漏量緩慢減小。

(3)當槽深在0.5～1.5 μm時，隨著槽深的增加，剛度迅速增大，并在槽深為1.5 μm時取得最大值；當槽深在1.5～10 μm時，隨著槽深的增加，剛度迅速減小；槽深取值大于10 μm時，隨著槽深的增加，剛度緩慢減小。

(4)當槽深在0.5～1 μm時，剛漏比隨著槽深的增加迅速增大，并在槽深為1 μm時取得最大值；當槽深在1～10 μm時，剛漏比隨著槽深的增加迅速減小；槽深取值大于10 μm時，剛漏比隨著槽深的增加緩慢減小。

當槽深增加時，由產生動壓效應的條件可知，密封端面的動壓效應先增強后減弱從而引起流體膜的壓力先升高后降低，因此開啟力呈先上升后下降的趨勢。槽深對泄漏量的影響曲線呈現相同的趨勢的原因，其一是由于動壓效應隨著槽深的增加先增強后減弱，其二是由于槽深的增加引起流體膜膜厚增加，引起泄漏量的增大，但前者是決定性因素。

3.3 密封端面間隙的影響

當密封間隙在1～20 μm變化時，密封端面間隙對密封性能的影響如圖4所示。

圖4 密封端面間隙對開啟力(Fo)、泄漏量(q)、剛度(Kz)、剛漏比(τ)的影響

從圖4中可看出：

(1)隨著端面間隙的逐漸增大，開啟力、剛度和剛漏比均呈現整體下降并趨于恒定的走勢，泄漏量則呈現整體上升的趨勢。

(2)當間隙在1～5 μm時，開啟力下降的速度很快；當間隙在5 μm之后時，開啟力下降的速度緩慢。當間隙為1～3 μm時，剛漏比的下降速度較快；當間隙在3～20 μm時，剛漏比的下降速度較慢，且最后趨于平穩。

隨著密封端面間隙的增加，動壓效應減小的程度越來越大，當端面間隙增加到一定的值時，動壓效應幾乎沒有，因此開啟力和剛度先迅速減小，后趨于穩定。由于端面間隙增大，泄漏的路徑變寬因此泄漏量隨著端面間隙的增加一直增大。

3.4 槽長比的影響

槽長比反映了流線槽在徑向上的開槽長度。當槽長比在0.1～0.9變化時，槽長比對密封性能的影響如圖5所示。

圖5 槽長比對開啟力(Fo)、泄漏量(q)、剛度(Kz)、剛漏比(τ)的影響

從圖5中可看出：

(1)隨著槽長比的逐步增大，開啟力、剛漏比隨著槽長比增大呈現先增后減的趨勢，剛度和泄漏量則整體均呈現增長的趨勢。

(2)當槽長為0.1～0.8時，開啟力隨著槽長比的增加呈上升的趨勢；當槽長比大于0.8時，開啟力隨著槽長比的增加呈下降趨勢，并且在槽長比為0.8時取得最大值。隨著槽長比的增加，泄漏量呈上升趨勢。

(3)當槽長比為0.1～0.6時，剛度隨著槽長比的增加迅速增大；當槽長比大于0.6時，剛度隨著槽長比的增加緩慢增大。當槽長比為0.1～0.45時，剛漏比呈上升的趨勢，當槽長比大于0.45時，剛漏比呈下降的趨勢，且在槽長比為0.45時取得最大值。

槽長比對開啟力的影響規律呈現先增大后減小的趨勢是因為隨著槽長比的增加，流線槽對進入流線槽的液體的阻擋作用先增強后減弱，進而引起動壓效應先增強后減弱。槽長比對泄漏量的影響規律則是因為隨著槽長比的增加，流體膜的壓力一直增大，流體膜的壓力大，泄漏量就大。

3.5 堰寬比的影響

堰寬比反映了流線槽在圓周方向的寬度。當堰寬比在0.1～0.9變化時，堰寬比對密封性能的影響如圖6所示。

圖6 堰寬比對開啟力(Fo)、泄漏量(q)、剛度(Kz)、剛漏比(τ)的影響

從圖6中可看出：

(1)隨著堰寬比的增大，開啟力、泄漏量和剛度、剛漏比均整體呈現先增大后減小的趨勢。

(2)當堰寬比為0.1～0.6時，隨著堰寬比的增加，開啟力和剛度呈上升趨勢；當堰寬比為0.6～0.9時，隨著堰寬比的增加，開啟力和剛度均呈下降趨勢，且兩者均在堰寬比為0.6時取得最大值。

(3)當堰寬比為0.1～0.7時，泄漏量隨著堰寬比的增加呈上升趨勢；當堰寬比為0.7～0.9時，泄漏量隨著堰寬比的增加呈下降趨勢，且在堰寬比為0.7時取得最大值。

(4)當堰寬比為0.1～0.5時，剛漏比隨著堰寬比的增加呈上升趨勢；當堰寬比為0.5～0.9時，剛漏比隨著堰寬比的增加呈下降趨勢，且在堰寬比為0.5時取得最大值。

隨著堰寬比的增加，流線槽在密封環上的寬度越來越大，產生動壓效應的區域也越來越大，但產生流體動壓效應強度卻是不同的。當堰寬比取值范圍在0.1～0.6時，密封端面的流體動壓效應逐漸增強，同時流體膜的厚度也隨著增大，從而引起開啟力和泄漏量增大；當堰寬比取值范圍在0.6～0.9時，密封端面的流體動壓效應逐漸減弱，因此開啟力和泄漏量逐漸減小。堰寬比大于0.6時會引起相鄰槽區互相產生影響，降低了動壓效應。

3.6 結構參數優化

綜上，各性能參數優選范圍如表3所示。

表3 各性能參數優選范圍分布

根據密封對介質泄漏及運行穩定性的要求，以泄漏量不超標、剛度較大為基本條件，綜合考慮表面形貌參數等的影響，結合表3中數值范圍，獲取端面參數的最佳值：槽數為12，槽深為2 μm，密封端面間隙為2 μm，槽長比為0.6，堰寬比約為0.6。

4 結論

(1)新型流線槽端面主泵機械密封泄漏量隨著槽數、密封間隙的增加呈現整體上升的趨勢，隨著槽深的增加先增大后減小，隨著槽長比的增大而逐漸增大，隨著堰寬比的增大而先增大后減小。密封間隙對泄漏量的影響最為顯著。

(2)剛度隨著槽數的增大而增大，隨著槽深、槽長比、堰寬比的增大而先增后減，存在一個峰值，隨著端面間隙的增大先迅速減小后趨于平穩。密封間隙對剛度的影響最為顯著。

(3)計算結果表明：槽數為6～13個、槽深為0.5～4 μm、端面間隙為1～3 μm、槽長為0.6～0.9、堰寬比為0.5～0.7時，密封性能達到良好狀態。

(4)對比機械密封的原始幾何參數，當槽數為12、槽深為2 μm、密封端面間隙為1 μm、槽長比約為0.7、堰寬比約為0.5時，流體膜具有更大的開啟力、剛度及剛漏比，其密封性能顯著。