曹生照 涂 霆 郝木明 于 博 姜緒強(qiáng) 任寶杰 李勇凡

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院 山東青島 266580；2.北京航天動(dòng)力研究所 北京 100076；3.東營(yíng)海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司 山東東營(yíng) 257067)

接觸式機(jī)械密封因結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、密封性良好而被廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸端[1]，以阻隔高壓密封介質(zhì)向高溫燃燒室的泄漏。作為火箭動(dòng)力系統(tǒng)的核心零部件，接觸式機(jī)械密封穩(wěn)定可靠運(yùn)行是保障火箭成功發(fā)射的重要因素件[2]。

某渦輪泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、金屬波紋管、密封殼體等組成。由于渦輪泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)及介質(zhì)環(huán)境的特殊性，影響機(jī)械密封運(yùn)行穩(wěn)定性的因素眾多，研究人員對(duì)其進(jìn)行深入研究。陳鵬飛等[3]研究了靜環(huán)振動(dòng)對(duì)渦輪泵密封腔內(nèi)流體的激勵(lì)作用，并分析了對(duì)密封失效的影響規(guī)律。張樹強(qiáng)等[4]建立了渦輪泵機(jī)械密封穩(wěn)態(tài)傳熱模型，研究了端面比壓、回流流量及密封環(huán)材質(zhì)對(duì)密封環(huán)溫度場(chǎng)及熱載變形影響。尹源等人[5]對(duì)渦輪泵機(jī)械密封潤(rùn)滑與摩擦磨損機(jī)制進(jìn)行了綜述，指出混合潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑問題的解決可實(shí)現(xiàn)對(duì)小膜厚運(yùn)行工況的準(zhǔn)確解釋。張峰等人[6]分析了某渦輪泵試車時(shí)機(jī)械密封發(fā)生的故障，指出高速摩擦副熱量的集聚使密封端面液相介質(zhì)汽化為故障出現(xiàn)的主要原因。郭軍剛等[7]分析了超高速渦輪泵機(jī)械密封工作特性，指出超高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦熱的劇烈生成可導(dǎo)致密封環(huán)失穩(wěn)?？梢娨延休^多學(xué)者對(duì)影響渦輪泵機(jī)械密封運(yùn)行穩(wěn)定的因素進(jìn)行了多方面研究，且指出高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封液相介質(zhì)的汽化[6-8]為影響密封可靠性的重要因素。但上述文獻(xiàn)均未對(duì)高速工況、低溫易相變密封介質(zhì)環(huán)境下的兩相機(jī)械密封流動(dòng)現(xiàn)象及膜壓性能進(jìn)行研究，而因介質(zhì)相變?cè)斐傻拿芊庑阅芨淖兺蓪?dǎo)致密封環(huán)相變失穩(wěn)，這也是導(dǎo)致機(jī)械密封失效的主要原因之一[9-10]。

圖1 渦輪泵用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

鑒于此，本文作者建立了適用于接觸式平端面機(jī)械密封的二維軸對(duì)稱相變模型，計(jì)入高速離心慣性效應(yīng)與摩擦熱影響，以低溫液氧為密封介質(zhì)，在流體潤(rùn)滑狀態(tài)下分析了流體膜相變流動(dòng)及高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心慣性效應(yīng)對(duì)流體膜相變影響機(jī)制，著重探究各因素對(duì)密封端面膜壓系數(shù)影響規(guī)律，為高速、低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵機(jī)械密封優(yōu)化提升提供指導(dǎo)。

1 理論模型

由于機(jī)械密封端面間隙液膜相變過程較為復(fù)雜，且存在跨尺度質(zhì)量、動(dòng)量以及能量傳遞，為便于求解分析，基于均相流模型及流體潤(rùn)滑理論可作以下假設(shè)：

(1) 密封動(dòng)靜環(huán)端面為理想光滑的，不考慮表面粗糙度影響，且完全對(duì)中。對(duì)接觸式機(jī)械密封，雖然其多工作于混合潤(rùn)滑而非流體潤(rùn)滑狀態(tài)[11]，但由于流體膜兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)密封間隙的相變研究仍多忽略粗糙表面接觸影響[9-10]，且文中重點(diǎn)在于研究密封端面液膜在高速工況下所表現(xiàn)的兩相流特性及對(duì)密封性能影響，故延續(xù)了假設(shè)(1)。

(2) 密封端面流體為穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，忽略體積力影響，計(jì)入遷移慣性項(xiàng)而忽略當(dāng)?shù)貞T性項(xiàng)影響，且在膜厚z方向與周向不計(jì)各物理量的變化，即各物理量?jī)H為徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，密封端面流體域如圖2所示。

圖2 計(jì)算流體域模型

(3) 密封端面流體膜為純物質(zhì)液相與相應(yīng)氣相的均質(zhì)混合物，均相流體物性參數(shù)由容積含相率[12]加權(quán)確定，均相流體密度ρ、均相流體黏度μ、均相流體熱導(dǎo)率k以及均相流體普朗特?cái)?shù)Pr等物性參數(shù)按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：αL、αG分別為容積含液率和容積含氣率，且滿足αL+αG=1；ρL、ρG、μL、μG、kL、kG、PrL、PrG分別為液相密度與氣相密度、液相動(dòng)力黏度與氣相動(dòng)力黏度、液相熱導(dǎo)率與氣相熱導(dǎo)率、液相普朗特?cái)?shù)與氣相普朗特?cái)?shù)。

(4) 液相為不可壓縮流體，相變氣相滿足以維里方程表示的實(shí)際氣體狀態(tài)方程，其他氣液相物性參數(shù)皆為溫度的函數(shù)，計(jì)算時(shí)直接從物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫軟件REFPROP調(diào)取。

1.1 均相流體控制方程

基于前述均相流體假設(shè)，描述純物質(zhì)液相與氣相質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程[13]為

(2)

式中：V為均相流體速度矢量，在極坐標(biāo)系中表示為V=(Vr,Vθ,Vz)；ψ為質(zhì)量源項(xiàng)，表征相變過程中液相與氣相之間的傳質(zhì)速率，按文獻(xiàn)[11]計(jì)算。

由式(1)，將氣液相連續(xù)性方程(2)相加，均相流體連續(xù)性方程為

?·(ρV)=0

(3)

均相流體動(dòng)量方程[13]為

?·(ρVV)=ρF+?·P

(4)

式中：F為單位體積質(zhì)量力；P為二階應(yīng)力張量。

均相流體能量方程[13]為

αGρGEG)V]=?·(k?T)+?·(P·V)+ρF·V+q

(5)

式中：EL=UL+V2/2、EG=UG+V2/2分別為單位質(zhì)量液相總能量與氣相總能量；UL、UG分別為單位質(zhì)量液相內(nèi)能與氣相內(nèi)能；V為均相流體速度標(biāo)量；T為流體膜溫度；q為單位體積其他熱源。

對(duì)不可壓縮液相，內(nèi)能微分表達(dá)式為

dUL=cLdT

(6)

式中：cL為液相定容比熱容。

對(duì)相變氣相，以維里方程表示其實(shí)際氣體狀態(tài)：

(7)

式中：Z為實(shí)際氣體壓縮因子；υG為氣相比體積；RG為氣體常數(shù)；B為介質(zhì)第二維里系數(shù)。

則氣相內(nèi)能微分表達(dá)式為

(8)

將式(6)、(8)代入式(5)，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)均相能量方程可化為

-p?·V+Φ+?·(k?T)+(UG-UL)ψ+q

(9)

式中：Φ表示黏性耗散熱源，其全部轉(zhuǎn)化為熱能。

1.2 極坐標(biāo)相變控制方程

由假設(shè)(2)、(3)，對(duì)方程(4)化簡(jiǎn)求解，計(jì)入遷移離心慣性項(xiàng)并由機(jī)械密封端面特定邊界條件限制的密封端面流體速度計(jì)算式[14]為

(10)

式中：ω=2πn/60，n為動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速。

將式(10)代入方程(3)，并在膜厚方向積分，且由流體膜軸對(duì)稱假設(shè)，可得極坐標(biāo)軸對(duì)稱形式均相Reynolds方程為

(11)

式中：Iω=ω2表示計(jì)入離心慣性效應(yīng)影響，而Iω=0表示忽略離心慣性效應(yīng)影響。

按文獻(xiàn)[11]中方法化簡(jiǎn)方程(2)并相加求和，可得極坐標(biāo)軸對(duì)稱形式均相傳質(zhì)控制方程為

(12)

將式(10)代入方程(9)，并在膜厚方向積分，耗散熱源項(xiàng)Φ按文獻(xiàn)[14]計(jì)算，可得極坐標(biāo)軸對(duì)稱形式均相能量方程為

(13)

式中：QΨ、Qρ、QB、QΦ、Qα分別表示相變熱源項(xiàng)、氣相壓縮(膨脹)熱源項(xiàng)、實(shí)際氣體影響熱源項(xiàng)、黏性耗散熱源項(xiàng)以及對(duì)流給熱熱源項(xiàng)，由式(14)計(jì)算。

(14)

式中：Qα中Tw,r、Tw,s分別為密封動(dòng)、靜環(huán)端面平均溫度；αr、αs分別為端面流體膜與密封動(dòng)、靜環(huán)給熱系數(shù)，按文獻(xiàn)[15]計(jì)算。

1.3 性能參數(shù)定義

機(jī)械密封端面膜壓系數(shù)反映了在被密封流體壓差作用下，密封端面承載能力的大小，處于不同相態(tài)的機(jī)械密封其膜壓系數(shù)有較大不同，且可根據(jù)膜壓系數(shù)判斷密封所處穩(wěn)定狀態(tài)[16]。因此文中主要研究各參數(shù)對(duì)膜壓系數(shù)影響關(guān)系。膜壓系數(shù)的定義為

(15)

1.4 數(shù)值求解

文中研究對(duì)象為如圖2所示的接觸式機(jī)械密封端面流體膜，采用基于有限元方法的數(shù)值軟件COMSOL Multiphysics對(duì)式(11)—(14)組成的相變控制方程組離散求解；在COMSOL一維軸對(duì)稱模式下繪制計(jì)算流體域，徑向網(wǎng)格采用等間距劃分，以偏微分接口系數(shù)形偏微分方程模塊輸入方程(11)—(13)所對(duì)應(yīng)方程系數(shù)并設(shè)定內(nèi)、外徑邊界條件；由于密封端面流體相變?yōu)榫哂袕?qiáng)耦合的多物理問題，故選用全耦合求解器實(shí)現(xiàn)方程的迭代求解，求解相對(duì)容差設(shè)置為10-6。

1.5 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證相變方程組正確性，在高溫?zé)崴橘|(zhì)條件下與LEBECK[8]改進(jìn)的間斷沸騰模型對(duì)比，密封面幾何與工況參數(shù)詳見文獻(xiàn)[8]，計(jì)算結(jié)果如圖3所示?？梢妰烧邏毫εc溫度值均僅有較小偏差，而出現(xiàn)差異的原因?yàn)椋何墨I(xiàn)[10]考慮了表面粗糙度影響(但文獻(xiàn)分析表明此工況下粗糙度影響較小)且端面摩擦生熱完全進(jìn)入密封環(huán)并與環(huán)境介質(zhì)對(duì)流換熱，而文中計(jì)算時(shí)僅部分熱量進(jìn)入密封端面，傳熱模型之間的差異為計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差的主要因素。由于此工況轉(zhuǎn)速較低，故文中忽略離心慣性效應(yīng)與計(jì)入離心慣性效應(yīng)計(jì)算結(jié)果相差微小，且圖3所示為計(jì)入離心慣性效應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

圖3 模型驗(yàn)證

2 結(jié)果及分析

文中研究所用外壓式機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)與工況參數(shù)為：內(nèi)徑ri=34.5 mm，外徑ro=41.5 mm，膜厚h=5 μm，轉(zhuǎn)速n=2×104r/min，內(nèi)徑壓力pi=0.1 MPa，外徑壓力po=1.5 MPa，外徑溫度To=77.5 K，外徑液相體積分?jǐn)?shù)αLo=1，模型分析時(shí)若無其他說明，均按基本參數(shù)計(jì)算。

2.1 離心慣性效應(yīng)對(duì)相變特性影響分析

圖4所示為不同轉(zhuǎn)速時(shí)密封端面流體膜壓力、溫度、液相體積分?jǐn)?shù)分布。

圖4 離心慣性效應(yīng)對(duì)密封相變影響

可見在轉(zhuǎn)速1×104r/min時(shí)，因流體黏性耗散生熱較小，故端面溫升較低，Iω=ω2與Iω=0均未有相態(tài)轉(zhuǎn)變，流體膜壓力由外徑入口值近似線性遞減至內(nèi)徑出口值，由于液相密度為定值，且此時(shí)轉(zhuǎn)速較低，故Iω=ω2與Iω=0計(jì)算值無明顯差異。而轉(zhuǎn)速為4×104r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速的大幅提升使得密封動(dòng)、靜環(huán)端面間流體速度梯度增大，黏性耗散熱大幅增加而使溫度明顯升高，如圖4(b)所示，但I(xiàn)ω=ω2與Iω=0溫度差異較小。由圖4(a)可見，相較于轉(zhuǎn)速1×104r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速4×104r/min且Iω=0時(shí)膜壓普遍增大，而Iω=ω2時(shí)膜壓既有減小也有增大，且Iω=0膜壓明顯大于Iω=ω2時(shí)。分析原因?yàn)椋涸诰郣eynolds方程中，離心慣性源項(xiàng)為負(fù)值，在保持物性參數(shù)與工況參數(shù)不變時(shí)，離心慣性項(xiàng)的計(jì)入將使得膜壓p減小，且轉(zhuǎn)速越大，由離心慣性效應(yīng)引起的壓力降越大；而在膜溫近似不變時(shí)，壓力的大幅降低相當(dāng)程度促進(jìn)了流體相變的發(fā)生，如圖4(c)所示。

由于離心慣性效應(yīng)由密度、黏度沿徑向變化梯度所引起，而兩相狀態(tài)時(shí)均相流體物性參數(shù)由相體積分?jǐn)?shù)加權(quán)確定，故相變的發(fā)生將使離心慣性效應(yīng)對(duì)密封性能影響增強(qiáng)，且隨轉(zhuǎn)速增大而愈加明顯。當(dāng)相變極大發(fā)生時(shí)，均相流體黏度的減小會(huì)降低端面的潤(rùn)滑性能，且相變發(fā)生若處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生相態(tài)失穩(wěn)，因此在高速渦輪泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)詳加考慮因離心慣性效應(yīng)及相變對(duì)密封性能的綜合影響。

2.2 膜壓系數(shù)研究

圖5所示為計(jì)算模型不同時(shí)，密封端面膜壓系數(shù)隨介質(zhì)溫度變化，其中T=To為按等溫模型且Iω=ω2計(jì)算，而Iω=0與Iω=ω2均為非等溫模型計(jì)算?？梢娫赥=To時(shí)，po=0.5 MPa(對(duì)應(yīng)飽和溫度為108.8 K)與po=3.0 MPa(對(duì)應(yīng)飽和溫度為141.7 K)膜壓系數(shù)在溫度較低時(shí)近似相等，約為0.53，與顧永泉[16]液相機(jī)械密封計(jì)算值0.52較相一致。隨介質(zhì)溫度升高，兩介質(zhì)壓力所對(duì)應(yīng)膜壓系數(shù)均緩慢上升至最大值，其后又在飽和溫度點(diǎn)處急劇下降并趨于穩(wěn)定。分析原因?yàn)椋航橘|(zhì)溫度的升高增大了端面流體相變發(fā)生區(qū)域，使膜壓曲線上凸，承載能力增強(qiáng)；但需注意的是，膜壓系數(shù)最大處雖有著較高的承載力但也有著較差的穩(wěn)定性，當(dāng)介質(zhì)溫度略有波動(dòng)時(shí)，膜壓的大幅變化可誘發(fā)相變失穩(wěn)；由于較低的介質(zhì)壓力使得在溫度較低時(shí)相變就已發(fā)生，因此在一定溫度范圍內(nèi)，po=0.5 MPa膜壓系數(shù)大于po=3.0 MPa時(shí)。

圖5 計(jì)算模型對(duì)比

由于離心慣性效應(yīng)的影響使得膜壓有所降低，因此Iω=ω2時(shí)膜壓系數(shù)始終小于Iω=0時(shí)，但兩者膜壓系數(shù)隨介質(zhì)溫度升高均先平穩(wěn)上升而后在飽和溫度點(diǎn)處驟然增大，其后又略有下降，但幅度較??；當(dāng)介質(zhì)溫度大于入口壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度時(shí)，密封流體將呈氣相進(jìn)入，此時(shí)因離心慣性效應(yīng)引起的膜壓變化較為微小，因此Iω=ω2與Iω=0時(shí)膜壓系數(shù)近乎相等。對(duì)比3種模型計(jì)算結(jié)果可知，無論端面流體呈何種相態(tài)，流體膜溫度的變化均會(huì)影響膜壓系數(shù)而改變流體承載能力，離心慣性效應(yīng)的影響會(huì)使膜壓系數(shù)有所減小。

圖6所示為Iω=ω2時(shí)介質(zhì)壓力對(duì)膜壓系數(shù)的影響。可見受離心慣性效應(yīng)與相變發(fā)生綜合影響，不同壓力時(shí)的膜壓系數(shù)在介質(zhì)溫度較低時(shí)變化較為不規(guī)則。取最小計(jì)算介質(zhì)溫度時(shí)，po=0.5 MPa時(shí)膜壓系數(shù)約為0.44，而其他壓力時(shí)膜壓系數(shù)相差不大，均近似為0.5，且可見po=0.5 MPa與po=1.0 MPa時(shí)膜壓系數(shù)與其他壓力所對(duì)應(yīng)膜壓系數(shù)出現(xiàn)交叉。分析原因?yàn)椋涸诹黧w溫度較低時(shí)，液氧介質(zhì)所對(duì)應(yīng)飽和蒸氣壓較小，相變的發(fā)生雖使流體膜壓力有所增大，但相變所影響的物性參數(shù)徑向梯度變化使得離心慣性效應(yīng)影響增強(qiáng)，綜合表現(xiàn)為膜壓系數(shù)減小，承載能力下降。當(dāng)介質(zhì)溫度約大于90 K時(shí)，可見介質(zhì)壓力越小，膜壓系數(shù)越大，不同介質(zhì)壓力時(shí)膜壓系數(shù)隨介質(zhì)溫度變化趨勢(shì)總體一致，即先緩慢增大，在飽和溫度值處發(fā)生突增，其后緩慢減小或先略有增大后緩慢減小；與低介質(zhì)溫度時(shí)較類似的是，除po=0.5 MPa時(shí)外，其他介質(zhì)壓力所對(duì)應(yīng)膜壓系數(shù)在介質(zhì)溫度高于一定值后相差較小，約為0.67；由于氣相介質(zhì)黏度隨溫度升高而略有增大，因此在介質(zhì)溫度大于入口壓力飽和溫度值時(shí)，po=0.5 MPa時(shí)膜壓系數(shù)近似直線下降。

繪制膜壓系數(shù)分界線如圖6所示?？梢娕R界點(diǎn)處膜壓系數(shù)隨介質(zhì)壓力增大而有所減小，且由于低介質(zhì)溫度時(shí)不同介質(zhì)壓力下的膜壓系數(shù)相差較小，即膜壓系數(shù)隨介質(zhì)溫度變化率隨介質(zhì)壓力增大而減小，這表明高介質(zhì)壓力時(shí)介質(zhì)溫度的輕微波動(dòng)有著較小的膜壓系數(shù)改變量，即密封穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖6 介質(zhì)壓力對(duì)膜壓系數(shù)影響

圖7所示為Iω=ω2時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)膜壓系數(shù)的影響?？梢娫诮橘|(zhì)溫度低于飽和溫度值時(shí)，不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)膜壓系數(shù)相差較小，但在一定溫度區(qū)間內(nèi)也有轉(zhuǎn)速越高膜壓系數(shù)越大趨勢(shì)。分析原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)速越大，密封端面流體黏性剪切耗散熱越多，相應(yīng)溫升越高，即相變程度增大，可使膜壓增加；但由于離心慣性效應(yīng)影響隨轉(zhuǎn)速增加而增強(qiáng)，相應(yīng)使膜壓又有所減小，在兩者綜合作用下，轉(zhuǎn)速對(duì)膜壓系數(shù)影響較弱，且表明兩相機(jī)械密封在變轉(zhuǎn)速啟動(dòng)時(shí)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。當(dāng)介質(zhì)溫度高于飽和溫度值時(shí)，密封流體已全為氣相，而氣相介質(zhì)由外徑高壓泄漏至低壓的過程中將主要由于膨脹吸熱而使端面溫度有所降低；由于轉(zhuǎn)速越小，黏性耗散熱生成越少，端面溫度梯度下降將越大，在熱致物性參數(shù)改變與離心慣性效應(yīng)綜合影響下，轉(zhuǎn)速越高，膜壓系數(shù)越大，即承載能力越強(qiáng)。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)膜壓系數(shù)影響

圖8所示為Iω=ω2時(shí)膜厚對(duì)膜壓系數(shù)的影響?？梢姰?dāng)膜厚大幅度變化時(shí)，膜壓系數(shù)隨介質(zhì)溫度升高呈現(xiàn)出不同規(guī)律。在h≤1.5 μm時(shí)，膜壓系數(shù)在介質(zhì)溫度低于飽和溫度點(diǎn)內(nèi)近似線性遞減，而后在飽和溫度點(diǎn)處減小速率有所增大，且當(dāng)介質(zhì)溫度大于飽和溫度值后膜壓系數(shù)繼續(xù)減小。膜厚為0.5、1.0、1.5 μm時(shí)膜壓系數(shù)最大值均在最小計(jì)算介質(zhì)溫度值處取得，分別為0.681、0.688、0.705。而當(dāng)膜厚為2.0與2.5 μm時(shí)，膜壓系數(shù)曲線均先快速增大，并在一定溫度值處達(dá)到最大值，其后緩慢下降并在飽和溫度點(diǎn)處發(fā)生驟降，且可見在計(jì)算膜厚范圍內(nèi)，當(dāng)前膜厚下膜壓系數(shù)有最大值，分別為0.748、0.746，表明此時(shí)有較強(qiáng)的承載能力，且由于流體膜厚相對(duì)較小，故密封性能較優(yōu)，但有著較差的運(yùn)行穩(wěn)定性。在h≥3.0 μm時(shí)，膜壓曲線隨介質(zhì)溫度升高均先緩慢增大，并在飽和溫度點(diǎn)處突增，且飽和溫度值處膜壓系數(shù)隨膜厚增大而有所減小。這與介質(zhì)溫度低于飽和溫度值時(shí)相一致，即膜厚越小，膜壓系數(shù)越大，承載能力越強(qiáng)，這是由于較小的流體膜厚更易誘發(fā)相變而使膜壓增大。當(dāng)膜厚為3.0～4.0 μm 時(shí)，膜壓系數(shù)最大值均在飽和溫度值處取得，而當(dāng)膜厚為4.5與5.0 μm時(shí)，在介質(zhì)溫度高于飽和溫度值后，膜壓系數(shù)先略有增加，其后又略有減小，呈拋物線型變化，但當(dāng)介質(zhì)溫度臨近最大計(jì)算溫度值時(shí)，不同膜厚時(shí)膜壓系數(shù)近乎相等。

圖8 膜厚對(duì)膜壓系數(shù)影響

3 結(jié)論

(1)離心慣性效應(yīng)使外壓式機(jī)械密封流體膜壓力減小，相變程度增大，但對(duì)溫度影響較??；由于相變使得均相流體物性參數(shù)發(fā)生改變，因此也會(huì)加強(qiáng)離心慣性效應(yīng)影響。

(2)等溫模型膜壓系數(shù)計(jì)算值隨介質(zhì)溫度變化存在明顯峰值，膜壓系數(shù)最大處承載能力雖強(qiáng)但密封穩(wěn)定性較差；非等溫模型時(shí)，膜壓系數(shù)隨介質(zhì)溫度變化無明顯穩(wěn)定區(qū)間，介質(zhì)溫度的輕微波動(dòng)將使膜壓系數(shù)發(fā)生改變，而不利于密封的穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)在介質(zhì)壓力與溫度皆較低時(shí)，相變的發(fā)生可使膜壓增大，但離心慣性效應(yīng)的增強(qiáng)反而使膜壓系數(shù)降低；在介質(zhì)溫度大于90 K時(shí)，隨介質(zhì)壓力增大，膜壓系數(shù)減小且隨介質(zhì)溫度變化梯度降低，表明密封穩(wěn)定性增強(qiáng)；受離心慣性效應(yīng)與相變發(fā)生綜合影響，轉(zhuǎn)速的增加對(duì)兩相機(jī)械密封膜壓系數(shù)影響較弱。

(4)當(dāng)膜厚h<1.5 μm時(shí)，膜壓系數(shù)隨介質(zhì)溫度升高而有所減?。划?dāng)2.0 μm