離心泵機械密封端面優化與仿真

王 瑞

（錦州開元石化公司，遼寧錦州 121000）

0 引言

離心泵是一種常用的流體輸送設備，機械密封是離心泵的關鍵部件，能夠保證離心泵的正常運轉和流體密封性。機械密封的性能直接影響著離心泵的運行效率和使用壽命。機械密封的端面是機械密封最為關鍵的部分之一，對其進行優化設計和仿真分析可以有效提高離心泵的性能。

1 離心泵工作原理

離心泵是一種通過離心力將液體送往出口的機械裝置。其工作原理基于離心力和液體能量守恒原理。裝置結構如圖1 所示。離心泵的主要部件包括葉輪、泵殼和密封裝置等。當電機啟動離心泵時，葉輪開始高速旋轉，產生離心力。當液體進入泵殼后，它會被葉輪的離心力加速，并在泵殼內形成一定的壓力。隨著葉輪的旋轉，壓力逐漸升高，液體被推送到泵出口并流出泵外。離心泵的泵殼和葉輪設計方式，使得液體的動能能夠被轉換為壓力能，從而實現液體的輸送。離心泵的密封裝置是保證離心泵正常運行的重要組成部分。它的作用是保證泵內的液體不能外泄，同時保持泵內壓力穩定和防止空氣和雜質進入泵內。不同類型的離心泵采用不同的密封裝置，如機械密封、填料密封等。離心泵的效率取決于其旋轉速度、泵的設計和液體性質。通常情況下，葉輪旋轉速度越高意味著更高的流量和更高的泵頭。在選擇離心泵時，需要考慮泵的標定流量、標定揚程、效率等因素。

圖1 裝置結構

2 機械密封裝置原理和作用

2.1 原理

機械密封是一種常用的密封方式，其原理基于兩個接觸面間間隙微小，通過橡膠、金屬等材料制作的密封件，并在兩個接觸面間制造正壓力，從而形成有效的密封。靜坐環結構如圖2 所示，機械密封由一個旋轉的密封環和一個靜止的密封座組成。當旋轉的密封環旋轉時，密封環和密封座之間的間隙會被填滿，從而形成一個有效的密封界面，防止流體外溢或外界物質進入。該密封環和密封座通常由耐磨材料制成，以確保長期的工作壽命。

圖2 靜坐環結構展示

機械密封的性能取決于密封面的材料和制造質量、密封面的壓力、旋轉軸的轉速度等。其優點為：密封性能較高，能夠承受高溫、高壓等特殊工況。對泵的軸承和軸有保護作用，從而延長機械設備的使用壽命。維修較容易，可以單獨更換密封件。其缺點為機械密封的造價較高，在應用時需要選用相應的密封件，并進行嚴格的安裝。

2.2 作用

防止泵內液體外泄：當離心泵工作時，在泵外形成高壓區域，而在泵內形成低壓區域，這種高壓差使得液體更容易流出泵的密封處。機械密封裝置可以將泵內的液體與外界完全隔離，從而避免了液體外泄的情況發生。防止泵內空氣和雜質進入：離心泵通常用于輸送液體，而當液體中存在空氣或雜質時，這些物質可能會卡在機械密封的間隙中，從而導致泵的堵塞或損壞。因此，機械密封裝置還能防止空氣和雜質進入泵內。保持泵內壓力穩定：由于機械密封裝置能隔離泵內和外界的高壓差，因此能夠保持泵內壓力穩定。保護泵軸：離心泵的泵軸通常是重要的機械零件，機械密封裝置能夠有效地防止泵軸和密封面的磨損，從而保護泵軸。

3 構建仿真模型

在優化設計方案之前需要構建一個仿真模型，以便對不同的設計方案進行模擬和測試。具體的步驟如下：①確定模型參數：模型參數包括離心泵的流量、揚程、轉速、壓力、溫度等參數；②選擇仿真軟件：選擇適合離心泵泵送工況的仿真軟件，例如ANSYS、Fluent、STAR CCM+等；③構建模型：根據離心泵的實際結構和參數，構建相應的三維模型；④網格劃分：對離心泵的流道和葉輪進行網格劃分，以便進行流場分析；⑤定義求解域：確定離心泵的求解域，包括進口、出口和葉輪等部分；⑤定義邊界條件：對進口和出口設定邊界條件，包括入口速度、出口壓力等；⑥設定工況：定義離心泵的流量、揚程、轉速等工況參數，進行仿真計算，分析流場分布、壓力分布、溫度分布等；⑦優化設計：根據仿真結果，對離心泵的主密封和副密封進行參數優化和尺寸設計，以提高泵的性能，同時確保泵的安全可靠性；⑧驗證模型：對優化設計方案進行驗證，進行仿真計算和實驗測試，確定方案的可行性和優越性。

通過以上步驟可以構建出一個準確的離心泵機械密封端面優化設計方案的仿真模型，并對不同的方案進行模擬和測試，以達到最優方案的目的。

4 離心泵機械密封端面優化設計方案

離心泵機械密封端面優化設計方案主要包括主密封和副密封兩部分，其中主密封選用螺旋槽液膜密封。

4.1 主密封的設計方案

主密封是離心泵機械密封端面中最重要和最復雜的部分（圖3）。在石化領域，由于流體動壓效應的存在，傳統的機械密封難以滿足高速、高溫、高壓的要求。針對石化領域離心泵的特點，推薦采用螺旋槽液膜密封作為主密封。

圖3 離心泵機械密封表

螺旋槽液膜密封是一種基于液體黏性和慣性作用的密封方式，基本原理是通過轉子和定子之間的螺旋槽來實現液體的泵送和壓縮，從而形成一個穩定的液膜來密封。螺旋槽液膜密封具有以下3 個優點：①適用性廣：螺旋槽液膜密封適用于多種介質，可用于溫度高達800 ℃的高溫介質以及帶固體顆粒和泥漿等液體；②密封性好：由于液膜的存在，該密封方式可實現零泄漏，使得液體不會外泄或向外滲漏；③耐磨性強：由于液體在螺旋槽中的剪切和壓縮作用，液體中的固體顆粒和雜質往往被磨碎和洗刷，從而延長密封件的使用壽命。

4.2 副密封的設計方案

副密封通常是為應對主密封失效或發生泄漏而設置的，其主要作用是起到備用密封和提醒作用。在進行副密封的設計時，建議選用雙端機械密封。雙端機械密封指的是將兩個機械密封面相對設置在同一泵的兩端。與單端機械密封相比，雙端機械密封能更有效地提高泵的密封性能和安全性。當主密封發生泄漏時，副密封能夠起到備用密封的作用，從而避免液體外泄的危險。同時，由于副密封的存在，泵操作人員能夠及時發現泵的泄漏情況，從而進行及時維修和更換。

5 仿真分析

5.1 不同壓差條件下的仿真分析結果

在離心泵機械密封端面優化設計方案中，需要對不同壓差條件下的仿真分析結果進行展開。具體來說，可以對不同的壓力差條件，如1 bar、3 bar、5 bar 等條件進行分析，以評估設計方案的可行性和優劣。

在進行仿真分析時，需要考慮以下不同的壓差條件：①低壓條件下的仿真：在低壓條件下，離心泵的流量和揚程均較小，此時容易產生氣蝕等問題。因此，需要對密封端面進行優化設計，以提高泵的性能和可靠性；②中壓條件下的仿真：在中等壓力條件下，離心泵的流量和揚程均較高，需要對密封端面的設計方案進行細致的優化。此時需要考慮葉輪和密封端面之間的距離、潤滑方式等因素；③高壓條件下的仿真：在高壓條件下，離心泵的流量和揚程都很高，需要考慮密封端面的承受能力。此時需要對密封端面的材料、結構等方面進行優化設計，以提高其高壓承受能力。

在進行仿真分析時，需要分別設置不同壓差條件下的工況參數，并對密封端面的溫度、壓力、摩擦力等因素進行分析和優化。通過不同壓差條件下的仿真分析結果，可以比較不同設計方案的性能和可靠性，以選擇最優的設計方案并進行后續的實驗驗證。不同壓差應力分布如圖4 所示。

圖4 不同壓差應力分布

離心泵機械密封端面的液膜壓力沿半徑方向呈現出梯度變化的特點。根據氣液兩相流流體力學的原理，機械密封端面上液體的流動可以視為繞過葉輪離心力作用區域的一種水平流動，其速度矢量方向與端面法線方向夾角較小。由于液體在旋轉葉輪內部承受離心力的作用，離心力的大小隨離心距離的增加而增大，導致液體在機械密封端面上形成梯度變化的液膜。液膜存在時，機械密封端面上的最大應力位于液膜外側的根部位置。這是因為液膜內部存在一定壓力，液膜外部則為環境壓力或者更低的負壓力，兩者之差形成了一定的徑向應力。當壓差越大時，應力值也越大。同時，由于離心泵機械密封的結構特點，端面上通常設置有螺旋槽或者波紋等隔離介質，用來增加機械密封端面的承載能力和密封效果，并使慣性力對機械密封端面的沖擊減小。螺旋槽的位置通常在端面微小的環形凸起處，此處的應力也較大。因此，離心泵機械密封端面上的最大應力位于端面螺旋槽外側根部位置，并且此處所承受的應力主要由液膜壓力和離心力共同作用，且隨著壓差的增大而增大。

5.2 不同轉速條件下仿真分析結果

離心泵機械密封端面的最大應力是一個關于轉速的函數，因此可以進行不同轉速條件下的仿真分析，得到對應的結果。

以某離心泵為例，通過ANSYS 軟件對其機械密封端面進行有限元分析，得出不同轉速下的應力分布情況：①轉速為1000 r/min 時，機械密封端面上的最大應力位于螺旋槽外側根部位置，約為35 MPa。同時，由于液膜壓力和離心力共同作用，應力沿半徑方向呈現出明顯的梯度變化，最大應力隨著距離離心軸心的增加而增大；②轉速增加至2000 r/min，機械密封端面上的最大應力也隨之增大，達到約55.5 MPa。在此轉速下，應力的梯度變化更加明顯；③當轉速增加至3000 r/min 時，機械密封端面上的最大應力達到約89.3 MPa，呈現出驟升的趨勢。此時，應力集中在螺旋槽外側根部位置，且梯度變化更加顯著。不同應力轉速分布如圖5 所示。

圖5 不同應力轉速分布

通過仿真分析結果可知，離心泵機械密封端面上的最大應力隨著轉速的增加而增大，且應力分布情況呈現出徑向梯度變化的特點，最大應力位于螺旋槽外側根部位置。因此，在離心泵的設計和使用中應注意機械密封端面軸承的承載能力，并適當采取措施來減小端面上的應力集中。

6 結束語

離心泵機械密封端面優化設計方案具有一定的實際應用價值，可以成功應用于離心泵機械密封的設計和優化中。但是，在實際應用中還需要結合具體的工作條件和要求，進行定制化設計和調整，以達到最佳的機械密封端面設計效果。