朱曉琳

（內(nèi)蒙古廣播電視大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

在石油石化行業(yè)中，煉油廠中諸多裝置的工作介質(zhì)溫度較高，因此，會(huì)用到泵組操作溫度在200℃～400℃的高溫油泵，這類油泵一旦發(fā)生泄漏，極易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此，高溫泵用密封的安全性非常重要。相比接觸式機(jī)械密封，螺旋槽非接觸式液膜密封是在高溫泵中應(yīng)用較為廣泛、且安全系數(shù)較高的密封形式之一。高溫泵用螺旋槽液膜密封的工作原理圖如圖1所示，由于內(nèi)外徑溫差較大，潤(rùn)滑油黏度會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生變化，從而對(duì)密封性能的數(shù)值分析產(chǎn)生較大影響，本文以螺旋槽非接觸式液膜密封為研究對(duì)象，采用FLUENT仿真分析軟件，對(duì)高溫泵用液膜密封的黏溫特性進(jìn)行數(shù)值研究。

圖1 螺旋槽液膜密封結(jié)構(gòu)圖

1 建模及條件參數(shù)設(shè)置

1.1 潤(rùn)滑油黏溫方程

液壓潤(rùn)滑油的黏度對(duì)溫度變化十分敏感，表現(xiàn)為溫度升高時(shí)，黏度降低。黏度隨溫度變化的程度與標(biāo)準(zhǔn)油黏度隨溫度變化的程度的比值稱為黏度指數(shù)。黏度指數(shù)越高，表示潤(rùn)滑油受溫度影響越小，其黏溫性能越好。本文選擇Slotte方程（式1）對(duì)潤(rùn)滑油的黏溫特性進(jìn)行擬合計(jì)算。

其中，a、b、c為與油液有關(guān)的常數(shù)。

本文選擇32號(hào)液壓油作為潤(rùn)滑油，通過(guò)圖表可查得其黏度隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)值，將其帶入公式，可以得到潤(rùn)滑油的黏溫方程為：

1.2 幾何建模及條件參數(shù)

選取動(dòng)環(huán)、液膜和靜環(huán)作為研究對(duì)象，靜環(huán)開槽，按照線、面、體的順序進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分。最終生成的網(wǎng)格單元數(shù)為122744，網(wǎng)格最大傾斜率沒(méi)有超過(guò)0.9，99.69%的網(wǎng)格傾斜率都在0.4以下，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

動(dòng)環(huán)材料采用硬度較小的浸漬銻碳石墨，開槽的靜環(huán)采用硬度較大的鎢鋼作為材料，封液采用溫度為373K的液壓油，其黏度為η=0.00387Pa·s。熱邊界條件設(shè)置如表1所示，動(dòng)靜環(huán)內(nèi)外徑的對(duì)流傳熱系數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果。

表1 螺旋槽液膜密封的熱邊界條件

2 液膜密封的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)

圖2是在不考慮黏溫效應(yīng)的情況下得到的液膜壓力分布，黏度釆用入口油液的黏度值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，算得槽尖處最高壓力為42.5MPa，而且最低壓力出現(xiàn)了負(fù)值，負(fù)壓區(qū)域如圖（b）中圓圈內(nèi)所示，這是因?yàn)榘l(fā)生了空化。對(duì)于螺旋槽密封，空化的產(chǎn)生也是形成端面開啟力的必要條件，但是，空化容易產(chǎn)生空化減阻和空蝕，因此，應(yīng)該盡量避免。

圖2 定黏度液膜的壓力分布

同時(shí)，得到液膜溫度場(chǎng)如圖3所示，油液在泵入到密封端面后，溫度會(huì)迅速升高，液膜溫度場(chǎng)變化較大，黏度會(huì)隨著溫度的升高而下降，因此，釆用入口處的黏度值來(lái)計(jì)算是非常不準(zhǔn)確的，綜上考慮，為了提高對(duì)高溫泵液膜密封黏溫效應(yīng)分析的準(zhǔn)確度，本文對(duì)定黏度的計(jì)算采用的是密封面的平均溫度下的黏度來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。

圖3 液膜的溫度分布

圖4液膜的溫度分布可以看出，液膜與靜環(huán)接觸面溫差變化相對(duì)較大，液膜端面入口處溫度變化較大，但是，中間溫度較為均勻，計(jì)算得出出入口的平均溫度近似為467K，查得該溫度下的油液黏度為8.09×10-4Pa·s，用此黏度計(jì)算得到的液膜壓力分布如圖4(a)所示，槽尖處的最高壓力為9.19MPa。圖4（b）為代入液膜黏溫公式得到的壓力分布圖，計(jì)算結(jié)果顯示，槽尖處壓力峰值僅為2.67MPa?？梢钥闯?，兩種情況下得到的壓力峰值相差三倍之多，所以，對(duì)于高溫油泵來(lái)說(shuō)，液膜黏溫效應(yīng)是必須要考慮的分析計(jì)算因素。

圖4 液膜的壓力分布圖

3 操作參數(shù)對(duì)密封性能的影響

3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響

軸的轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)液膜的開啟力和泄漏量的影響。由圖5 (a)可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，液膜開啟力都是呈線性增大的趨勢(shì)，考慮黏溫效應(yīng)時(shí)的開啟力位于定黏度開啟力的下方，數(shù)值偏小，且考慮黏溫效應(yīng)時(shí)的開啟力變化速度偏小；從圖5（b）可以看出，考慮黏溫效應(yīng)時(shí)的泄漏量大于定黏度時(shí)的泄漏量，而且考慮黏溫效應(yīng)的泄漏量變化斜率更大，即隨轉(zhuǎn)速增大而增加的更快。這是因?yàn)橐耗さ臏囟入S轉(zhuǎn)速變化較大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，油液溫度升高，考慮黏溫效應(yīng)時(shí)黏度會(huì)發(fā)生下降，因此，動(dòng)壓效應(yīng)減弱，計(jì)算得出的開啟力會(huì)偏小、泄漏量會(huì)偏大。

圖5 開啟力和泄漏量隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖6為摩擦功耗隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，端面摩擦功耗是隨著轉(zhuǎn)速的增大成拋物線增加的，低轉(zhuǎn)速時(shí)功耗變化相對(duì)較小，轉(zhuǎn)速越大，摩擦功耗增加的越快；相比于定黏度的摩擦功耗，考慮黏溫效應(yīng)的摩擦功耗計(jì)算值明顯偏小，而且變化趨勢(shì)較為平緩，這是因?yàn)槟Σ赁D(zhuǎn)矩由壓力轉(zhuǎn)矩和黏性轉(zhuǎn)矩組成，考慮黏溫效應(yīng)時(shí)，黏度沿半徑增大的方向減小，因此，摩擦功耗也會(huì)變小。

圖6 摩擦功耗隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

3.2 內(nèi)外徑壓力比對(duì)密封性能的影響

對(duì)于內(nèi)徑開槽的螺旋槽非接觸式液膜密封，外側(cè)密封介質(zhì)壓力一般是不發(fā)生變化的，內(nèi)徑處壓力是封液潤(rùn)滑油的壓力，內(nèi)、外徑壓力比pi/po的值就能夠反映封液的壓力變化。

如圖7（a）所示，隨著內(nèi)外徑壓力比的增加，液膜開啟力成線性增大的趨勢(shì)，考慮黏溫效應(yīng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定黏度的計(jì)算結(jié)果，二者的變化速度基本一致；圖7（b）可以看出，隨著內(nèi)外徑壓力比的增大，考慮黏溫效應(yīng)時(shí)的泄漏量遠(yuǎn)大于定黏度時(shí)的泄漏量，而且二者的差距愈發(fā)顯著，考慮黏溫效應(yīng)的泄漏量增大速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定黏度時(shí)計(jì)算的泄漏量，這是因?yàn)殡S著入口壓力的增加，泵送量也會(huì)相應(yīng)增大，泄漏量會(huì)變大，而考慮黏溫效應(yīng)時(shí)，黏度沿著半徑方向呈減小趨勢(shì)，動(dòng)壓效應(yīng)減弱，從而使泄漏量增大的更快。

圖7 密封性能參數(shù)隨內(nèi)外徑壓力比變化規(guī)律

從圖8可以看出，內(nèi)外徑壓力比的增大對(duì)摩擦功耗的變化幾乎沒(méi)有影響，但是考慮黏溫效應(yīng)時(shí)算得的摩擦功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定黏度時(shí)的計(jì)算結(jié)果，這是因?yàn)榭紤]黏溫效應(yīng)時(shí)的黏度會(huì)沿半徑方向減小，摩擦功耗相應(yīng)地也會(huì)變小。綜上分析，對(duì)于液膜密封來(lái)說(shuō)，不考慮液膜的黏溫效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響其性能研究以及相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于高溫泵用液膜密封，其入口黏度不能夠作為計(jì)算條件，因?yàn)閮?nèi)外徑溫差大，會(huì)為計(jì)算帶來(lái)較大誤差，因此，需要采用平均溫度下的黏度作為計(jì)算條件，與變黏度得到的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

圖8 摩擦功耗隨內(nèi)外徑壓力比變化規(guī)律

（2）對(duì)于高溫泵用液膜密封，考慮黏溫效應(yīng)時(shí)得到的液膜開啟力和摩擦功耗都偏低、泄漏量偏高，而且偏差較大，這是因?yàn)橛鸵吼ざ入S著溫度的升高而減小，尤其隨著轉(zhuǎn)速和內(nèi)外徑壓力比的增大，黏度降低效應(yīng)愈發(fā)明顯，動(dòng)壓效應(yīng)減弱。

（3）對(duì)于高溫泵用液膜密封，密封環(huán)內(nèi)、外徑溫差較大，溫度變化梯度大，黏溫效應(yīng)影響顯著，因此，黏溫效應(yīng)會(huì)對(duì)其性能的分析計(jì)算產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，此結(jié)果可為高溫泵液膜密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考。