利用ANSYS 和FLUENT 軟件對密封腔體、轉軸、密封組件以及封油的溫度場進行了計算。計算過程中考慮了對流傳熱、熱傳導、端面摩擦熱和介質粘性剪切熱的影響。通過計算得到了一定溫度下封油流量對密封沖洗冷卻效果的影響規律。計算結果能夠為高溫泵用串聯式機械密封的設計和使用提供有益指導。

1、前言

　　串聯式機械密封軸向設有兩套密封組件，可以利用密封組件間緩沖或隔離流體的循環帶走端面摩擦熱、介質攪拌熱以及工藝介質傳入的熱量等在密封腔體內積聚的熱量，保持密封正常穩定運轉，在部分高溫工況條件下具有良好的適用性。在高溫泵用串聯式機械密封使用過程中，封油循環量的大小對機械密封的正常運轉起著關鍵性的作用。目前，生產現場往往根據經驗值選取封油循環量，缺乏準確性。為了找出一定溫度下封油循環量對沖洗冷卻效果的影響規律，有必要對機械密封的溫度場進行計算研究。

2、研究對象

　　本文研究的串聯式機械密封基本結構如圖1所示。

圖1 串聯式機械密封結構示意

　　密封組件中兩組密封副依串聯方式布置: 內側為主密封，起到密封高溫介質的作用; 外側為副密封，用于密封兩套密封之間的封油，并可在主密封意外失效時起到安全密封的作用。彈性元件采用波紋管組件。密封運轉過程中，適宜壓力、溫度和流量的封油由封油入口注入密封組件間隙，之后從封油出口流出，產生循環流動: 一方面為主密封提供緩沖或阻塞流體，另一方面對密封組件進行沖洗和冷卻。真空技術網(http://203scouts.com/)所研究密封的主要材料和參數如下: 動環材料為浸銻石墨，靜環材料為YG6，軸套及壓蓋材料為2Cr13，密封腔材料為鑄鐵，工藝介質是溫度為597K 的高溫重油，封油選用溫度為343K、壓力為0.5MPa 的重柴油，泵軸轉速為2970r /min。計算時用到的材料物性參數見表1、表2。

表1 固體材料導熱系數

表2 重柴油物理性質

3、密封系統的熱量平衡

　　將密封腔體、密封組件、轉軸以及封油視為一個系統，在密封穩定運轉時該系統須滿足熱量平衡。本文考慮的系統熱量平衡如下所示:

QF + QA + QP + QS = Q1 + Q2 + Q3(1)

　　式中QF - 摩擦副動、靜環端面摩擦熱;QA - 密封組件旋轉引起的流體介質粘性剪切熱;QP - 高溫工藝介質傳入系統的熱量;QS - 封油帶入系統的熱量;Q1 - 密封腔外表面與與大氣對流傳熱帶走的熱量;Q2 - 通過轉軸帶出系統的熱量;Q3 - 通過封油的循環帶走的熱量

4、計算模型和邊界條件

4.1、模型建立和網格劃分

　　為了求得封油溫度場，需要了解其邊界溫度分布。因此，首先對包括密封腔、轉軸、密封組件的固壁溫度場( 文中簡稱“固壁溫度場”) 進行求解。

　　在ANSYS 軟件中建立包括密封腔、轉軸、密封組件的固壁模型(圖2) 。在模型建立時，由于研究對象的結構和邊界條件具有軸對稱或近似軸對稱特性，并且在長時間運轉過程中溫度分布基本穩定，因此可以將問題簡化為二維穩態熱傳導。在模型建立過程中對部分結構進行了適當簡化。

圖2 固壁模型示意

　　劃分網格時采用Quad 方式，并在副密封端面處進行了局部加密。網格總數為2 萬。在GAMBIT 中建立圖3 所示的三維封油流體模型。模型中規則圓筒部分采用六面體結構化網格劃分，封油入口部位采用四面體網格劃分，網格總數為130 萬。

圖3 封油模型示意

4.2、熱載荷的確定

4.2.1、對流傳熱邊界條件

　　密封腔體、軸套、密封組件與工藝介質、封油、大氣之間均存在著對流傳熱。

　　(1) 密封腔體外壁與大氣間的對流傳熱系數此處為大空間自然對流傳熱，其對流傳熱系數計算式:

　　系數Gr———格拉曉夫數;Pr———普朗特常數

　　(2) 密封腔體、轉軸、密封組件與工藝介質或封油間的對流傳熱系數

　　此處需考慮介質的旋轉攪拌效應，其對流傳熱系數計算式:

　　由圖6 可見，采用串聯式布置方式和封油循環冷卻方式可以使密封組件處于相對低溫( 與高溫工藝介質相比) 的環境中運轉，提高密封的安全性和可靠性。隨著封油循環量的增加，各部位的封油溫升呈現下降趨勢。結合圖7 可以看出，增大封油循環量將會增加封油帶走的熱量，提高對密封組件的冷卻效果。

　　此外，計算結果顯示封油對副密封的冷卻效果明顯優于對主密封的冷卻效果。造成這種現象的原因有2 點:

　　(1) 主密封更加靠近高溫工藝介質;

　　(2) 在主密封附近封油軸向流動緩慢，積聚在封油中的熱量無法及時排出。

　　為了解決主密封附近封油軸向流動性差的問題，可以考慮采用設置折流板或改變封油出口位置等方法加強主密封部位的封油流動與傳熱，進一步改善主密封運行環境。

6、結論

　　(1) 采用串聯式布置方式和封油循環沖洗方式可以使密封組件處于相對低溫( 與高溫工藝介質相比) 的環境中運轉，提高了密封的安全性和可靠性;

　　(2) 增大封油循環量將會增加封油帶走的熱量，同時明顯降低封油在各部位的溫升，提高了對密封組件的冷卻效果;

　　(3) 主密封附近封油軸向流動緩慢，不利于該部位的沖洗冷卻，可采取添加折流板、改變封油出口位置等措施加強主密封部位的封油流動與傳熱。