郝木明，韓 婕，王赟磊，徐魯帥

（中國石油大學(xué)（華東）密封技術(shù)研究所，山東 青島 266555）

1 引言

目前，石油化工行業(yè)對機械密封的使用要求越來越高，對機械密封的性能提出了更高要求。由于使用工況更加苛刻，加劇了機械密封端面的磨損，降低了機械密封的使用壽命和安全性，因此需要提高機械密封的潤滑性能。端面微造型機械密封通過激光技術(shù)改變端面形態(tài)達到減小端面間摩擦的效果，從而提高密封的潤滑特性。端面微造型機械密封已在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，文獻[1-2]利用解析法研究了微造型端面的密封性能，并得到了動壓系數(shù)、壓力分布和泄漏率；隨后[3-4]又建立了半球型微孔和圓柱型微孔的端面機械密封幾何模型，求解了液膜的壓力分布及開啟力等性能參數(shù)，并分析了動靜壓效應(yīng)與微孔效應(yīng)之間的關(guān)系；文獻[5-6]對LST-MS的磨損性能進行了系統(tǒng)實驗，發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)低于傳統(tǒng)機械密封；文獻[7-8]探究了孔型排列方式、工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等對端面密封性能的影響規(guī)律。研究者大都研究徑向排列的微造型槽，鑒于螺旋槽液膜密封[9-10]具有承載能力好，泄漏量低等特點，基于流體質(zhì)量守恒模型，以沿螺旋線方向排列的端面微造型機械密封流體膜為研究對象建立了物理模型?？紤]了幾何參數(shù)和工況參數(shù)對端面間液膜潤滑性能的影響，進而分析了參數(shù)對密封性能的影響規(guī)律，為后續(xù)開展相關(guān)實驗提供理論參考。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 幾何模型

圖1 端面微造型機械密封液膜模型Fig.1 Micro-Texture Mechanical Seal Liquid Film Model

機械密封端面微造型液膜的幾何示意圖，如圖1所示。圓柱形微造型沿螺旋線方向分布。選取沿螺旋線方向排列的一列微造型為單周期液膜模型進行研究。

選取水為模擬介質(zhì)，具體密封端面幾何參數(shù)，如表1所示。

表1 密封端面幾何參數(shù)Tab.1 Geometry Parameters of Seal Face

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

由于所建立的微造型液膜模型在厚度方向是微米數(shù)量級，無法對網(wǎng)格進行直接劃分，因此，采用了將槽區(qū)與非槽區(qū)分區(qū)畫網(wǎng)格的方法以保證網(wǎng)格的精度。由于微造型液膜長寬尺寸為毫米級，而液膜厚度、微造型深度屬于微米級，故涉及跨尺度網(wǎng)格劃分問題。對此，采用統(tǒng)一網(wǎng)格劃分加局部網(wǎng)格加密的方法。將微造型密封環(huán)的內(nèi)徑、外徑分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口邊界條件，將計算域的左、右堰區(qū)的豎直面定義為周期邊界條件；靜環(huán)為靜止元件，將靜環(huán)表面設(shè)置為靜止；動環(huán)為旋轉(zhuǎn)元件，將旋轉(zhuǎn)速度賦給動環(huán)表面；其它邊界默認(rèn)為壁面邊界條件。

2.3 控制方程

為了便于計算，忽略一些對研究重點影響較小的因素，作如下基本假設(shè)：（1）密封介質(zhì)為粘性不可壓縮流體；（2）不計重力；（3）密封表面無相對滑動；（4）密封表面為剛性端面；（5）潤滑層的熱狀態(tài)為等溫狀態(tài)；（6）介質(zhì)的流動過程為穩(wěn)態(tài)。采用連續(xù)性方程描述流動過程中流體質(zhì)量的性質(zhì)[11]，直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程表示為：

式中：u、v、w—速度；ρ—流體密度。

2.4 性能參數(shù)

2.4.1 開啟力

密封端面開啟力是指作用在密封端面上液膜壓力的總和，對端面液膜壓力場積分得：

式中：Ω—整個計算域；p—液膜壓力；r—徑向坐標(biāo)。

2.4.2 泄漏量

泄漏量作為決定密封性能的重要參數(shù)，可用下式進行計算：

式中：h—膜厚。

2.4.3 摩擦扭矩

為了計算相應(yīng)的摩擦扭矩，必須先求得端面上對應(yīng)的摩擦力。將該摩擦近似認(rèn)為純流體摩擦，摩擦力通過下式進行計算：

式中：τ—液膜剪應(yīng)力；d A—面積微元。

忽略壓力梯度影響，由牛頓粘性剪切定律得：

式中：U—切向線速度；μ—液體的動力粘度。

端面的摩擦扭矩可近似為：

3 模擬結(jié)果與討論

機械密封端面微造型液膜壓力分布云圖，如圖2所示。當(dāng)動環(huán)轉(zhuǎn)動時，高壓側(cè)的流體泵入槽區(qū)，由于動環(huán)的轉(zhuǎn)動在動環(huán)和靜環(huán)表面形成流體膜，在切向剪切力的作用下流體在槽區(qū)內(nèi)流動，由于每一個微造型孔都相當(dāng)于一個微動力滑動軸承[12]，會在微造型上方及其周邊產(chǎn)生流體動壓力，即形成流體動壓效應(yīng)。在槽區(qū)和非槽區(qū)的收斂區(qū)域形成壓力最高點，在槽區(qū)和非槽區(qū)的發(fā)散區(qū)壓力迅速下降，形成壓力最低點。

圖2 單周期液膜壓力云圖Fig.2 Single Period Liquid Film Pressure Distribution

3.1 槽深對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)半徑、非槽區(qū)深度以及螺旋角不變時，轉(zhuǎn)速不同時端面微造型機械密封的密封性能參數(shù)隨槽區(qū)深度的變化曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，隨著槽區(qū)深度的增加，開啟力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，rp＜2.5mm時，開啟力隨著槽區(qū)深度的增加而增加，當(dāng)rp＞2.5mm時，流體動壓效應(yīng)增加的趨勢小于槽區(qū)內(nèi)流體靜壓的增加趨勢，因此開啟力減?。煌瑯友芯苛宿D(zhuǎn)速對泄漏量的影響，隨著槽區(qū)深度的增加，泄漏量呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢。壓差不同時端面微造型機械密封的密封性能參數(shù)隨槽區(qū)深度的變化規(guī)律是：隨著槽區(qū)深度的增加，在改變壓差時泄漏量緩慢增加；隨著槽區(qū)深度的改變，開啟力在壓差改變的情況下隨著槽區(qū)深度的增加逐漸增加；同時，由結(jié)果可知，當(dāng)槽區(qū)半徑固定不變時，隨著壓差和轉(zhuǎn)速的增加，泄漏量和開啟力呈現(xiàn)增加趨勢。

圖3 槽區(qū)深度-開啟力關(guān)系圖Fig.3 Relationship of Groove Depth and Opening Force

3.2 槽區(qū)半徑對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)深度、非槽區(qū)深度以及螺旋角不變時，轉(zhuǎn)速不同時端面微造型機械密封的密封性能參數(shù)隨槽區(qū)半徑的變化曲線，如圖4所示。由4圖可知，轉(zhuǎn)速固定不變時，隨著槽區(qū)半徑的增加泄漏量和開啟力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；開啟力逐漸變小是由于當(dāng)槽區(qū)半徑增加時，微造型之間的排列過于緊密，兩個微造型之間的距離過小導(dǎo)致流體在槽階梯收斂區(qū)還未充分增壓就進入發(fā)散區(qū)開始降壓，因此動壓效應(yīng)減弱，開啟力減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于3000r/min時，隨著槽區(qū)半徑的增加，泄漏量的減小趨勢緩慢，而轉(zhuǎn)速大于3000r/min時，泄漏量的減小趨勢逐漸變大；固定槽區(qū)半徑增加轉(zhuǎn)速，開啟力逐漸增大。轉(zhuǎn)速、槽區(qū)半徑一定壓差不同時，隨著壓差的增加，泄漏量和開啟力隨之增加。

圖4 槽區(qū)半徑-泄漏量關(guān)系圖Fig.4 Relationship of Groove Radius and Leakage

3.3 非槽區(qū)深對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)深度、槽區(qū)半徑以及螺旋角不變時，壓差和轉(zhuǎn)速不同時端面微造型機械密封的密封性能參數(shù)隨非槽區(qū)深度的變化曲線，如圖5所示。由圖5（a）可知，當(dāng)壓差＜0.2MPa時，隨著槽區(qū)深度的增加，泄漏量的增加趨勢緩慢，當(dāng)壓差＞0.2MPa時，泄漏量的增加趨勢變大，當(dāng)非槽區(qū)深度不變時，隨著壓差的增加泄漏量逐漸增加；由圖5（b）可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，泄漏量先逐漸增加，當(dāng)非槽區(qū)深度＞6μm時，增加趨勢變緩慢；壓差或非槽區(qū)深度中的任何一項增加，開啟力會隨著增加；隨著非槽區(qū)深度的增加開啟力增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4000r/min時開啟力增加趨勢變大。

圖5 非槽區(qū)深度-開啟力-泄漏量關(guān)系圖Fig.5 Relationship of Non-Groove Radius，Opening Force and Leakage

3.4 螺旋角對密封性能的影響

當(dāng)槽區(qū)深度、槽區(qū)半徑以及非槽區(qū)深度不變時，轉(zhuǎn)速不同時端面微造型機械密封的密封性能參數(shù)隨微造型排列螺旋角的變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨著微造型所在螺旋線角度的變化，泄漏量和開啟力會發(fā)生相應(yīng)的變化，由圖6（a）可知，在壓差不變時，隨著螺旋角的增加泄漏量逐漸減?。辉趬翰钭兓那闆r下，隨著角度的增大，開啟力雖然減小，但是減小趨勢緩慢；由圖6（b）可看出，在轉(zhuǎn)速變化的情況下，隨著角度的增大，開啟力先逐漸減小，且當(dāng)螺旋角為27°時開啟力有最小值，后續(xù)隨著角度增加開啟力又呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖6 螺旋角-開啟力-泄漏量關(guān)系圖Fig.6 Relationship of Spiral Angle，Opening Force and Leakage

4 實驗結(jié)果及討論

4.1 實驗?zāi)康暮头椒?/h3>

圖7 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀Fig.7 Tachometer Torquemeter

機械密封動、靜環(huán)端面間的摩擦扭矩影響著密封運轉(zhuǎn)時的端面磨損情況及摩擦熱等性能參數(shù)，對機械密封的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)有重要的影響。為了驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀對端面微造型機械密封的摩擦扭矩進行了實驗測量，如圖7所示。并與模擬值進行了對比，采用的實驗裝置，如圖8所示。

圖8 實驗裝置圖Fig.8 Experimental Device Figure

4.2 實驗結(jié)果

壓差和轉(zhuǎn)速對摩擦扭矩的影響，如圖9所示。由圖9（a）和圖9（b）可知，隨著壓差或轉(zhuǎn)速的增加，端面微造型機械密封的摩擦扭矩逐漸增大，且在理論研究中，隨著壓差和轉(zhuǎn)速的增加摩擦扭矩的增長率小于實驗研究中摩擦扭矩的增長率，這是由于實際工況中，密封副表面的粗糙度不可忽略。

圖9 壓差-轉(zhuǎn)速-摩擦扭矩關(guān)系圖Fig.9 Relationship of Pressure Differentials，Rotation Rate and Friction Torque

5 結(jié)論

（1）槽區(qū)深度、槽區(qū)半徑、非槽區(qū)深度以及螺旋角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對端面微造型機械密封的開啟力、泄漏量有影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)存在最佳值，并未考慮，后續(xù)應(yīng)進一步研究；轉(zhuǎn)速、壓差對端面微造型機械密封的開啟力、泄漏量的影響也不能忽略，在使用中應(yīng)選擇合理的操作參數(shù)；（2）實驗所得摩擦扭矩變化規(guī)律與模擬所得摩擦扭矩變化規(guī)律基本吻合，但由于摩擦副的粗糙度等實際中不可忽略因素的存在，實驗值大于模擬值。