端面弧形浅槽机械密封温度场及变形研究郝木明1,李香2,李鲲2,吴兆山2摘要:利用有限元分析软件ANSYS,采用整体法计算了端面弧形浅槽机械密封的温度场,并在温度场的基础上利用ANSYS生死单元技术分析了其力热耦合变形。研究表明,端面弧形浅槽机械密封较普通机械密封能有效降低密封端面温度及变形锥度值,使密封性能明显改善。关键词:弧形浅槽;机械密封;温度场;变形:TH117.2文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1005-0329.2010.04.006StudyonTemperatureFiledandDeformationofCurvedShallowGrooveMechanicalSealHAOMu2ming1,LIXiang2,LIKun2,WUZhao2shan2(1.ChinaUniversityofPetroleum,Dongying257061,China;2.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)Abstract:ThesteadytemperaturefieldsofcurvedshallowgroovemechanicalsealswerecalculatedusingANSYSwhichisatoolwidelyforfiniteelementanalysis.Furthermore,thrcoupleddeformationofstrengthandthermalwascalculated.Theresultshowsthatthecurvedshallowgroovemechanicalsealcaneffectivelyreducethehighestfacetemperatureandcompoitiveradialtaperoftheringscomparedwiththecommonmechanicalseal,andthesealingperformanceisimproved.Keywords:curvedshallowgroove;mechanicalseal;steadytemperaturefield;deformation1前言已知密封介质的性质、工作参数及密封材料的热物理性能等对温度场的分布及端面变形都有着重要影响。本文算例高压水泵密封结构如图1所示。端面弧形浅槽机械密封,是在一个硬质密封端面上加工出数个槽深为10μm左右的弧形浅槽,这些槽将被密封介质导入密封面之间,然后沿着靠近密封腔的槽的后缘将其向外导出。在这个过程中产生流体动压力,使端面流体膜压力升高,因此,沿着最小阻力的流道,大多数流体离开凹槽并返回到密封腔[1],只有少量流体泄漏出去。在运行过程中,密封环因受力、受热不均匀作用而发生变形,使密封端面产生径向锥度,形成收敛型或发散型间隙,从而造成磨损加剧和泄漏增加,使用寿命缩短。因此,对端面弧形浅槽机械密封环的温度场及变形进行研究具有重要的理论意义和实用价值。图1高压水泵机械密封示意动静环结构参数见图2,端面弧形槽的深度为8μm,被密封介质和冷却冲洗液均为水。工作2研究对象及条件收稿日期:2009—11—04修稿日期:2010—03—0424FLUIDMACHINERYVol138,No14,2010参数:密封介质压力7.0MPa,温度20℃,主轴转速2950r/min,弹簧比压0.2MPa,面积比0.667,摩擦系数0.02344(由有限元程序计算所得)。20℃时水的参数:密度998.2kg/m3,比热4.17kJ/(kg·℃),动力粘度1.005mPa·s。密封环材料特性参数见表1。会生成搅拌热,此外,泄漏流体、冲洗流体或者阻塞流体也会带走一部分热量。在正常运转条件下,对于无泄漏的端面密封,其热量平衡方程为:Q+Q=Q()2fA1式中Qf———密封端面摩擦热,JQA———机械密封搅拌热,JQ1———密封介质或者冲洗液体带走的热量,J3.3摩擦热的计算对于混合摩擦机械密封,其端面摩擦热为:表1密封环材料特性Qf=fpbVAf(3)2式中pb———端面接触比载荷,N/mf———密封端面摩擦系数V———密封端面线速度,m/sAf———密封端面面积,2m单位面积的摩擦热流量为:qf=fpbV3.4搅拌热的计算(4)采用组合法计算旋转元件在流体内的搅拌热,包括圆筒部分和圆盘部分的搅拌热。计算公式依据流态判断准数Re选取[2]。圆盘状密封元件摩擦时的搅拌热:2当ReD=ωrc/υ>300000时,计算公式如下:355-0.2=ω(rc-r0)0.073ReDρ/4(5)QLD图2动静环结构参数式中r———旋转圆盘外半径,mc3密封环温度场的计算r0———旋转圆盘内半径,mυ———介质的运动粘度,m2/s圆筒状密封元件摩擦时的搅拌热:3.1基本假设及导热微分方程因为机械密封环结构具有近似轴对称的几何形状,所受载荷也具有轴对称的性质,所以假定变形、温度场和应力场都是轴对称的。在刚刚启动的初始阶段,机械密封环的温度是不断变化的,处于非稳定温度场;但经过一段时间后温度逐渐稳定下来,即达到了热平衡,可视为稳态温度场。将密封环的热量传递问题简化为二维稳态热传导问题,热传导方程为:当Rω=rmωsr/υ>10000(其中2)时,计算公式如下:rm=(rh+rc)...