張嘉禾, 楊赪石, 彭 博, 萬榮華, 郭兆元, 高育科

?

基于FLUENT的超高速機械密封換熱特性分析

張嘉禾1,2, 楊赪石1,2, 彭 博1, 萬榮華1, 郭兆元1, 高育科1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第 705 研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

為了研究超高速情況下機械密封與沖洗液的換熱特性, 確定換熱程度的強弱, 基于數(shù)值計算方法, 建立了超高速機械密封裝置的流固耦合模型, 通過計算得到了溫度場, 提取了部分面的溫度分布, 根據(jù)公式計算出對流換熱系數(shù), 所得結(jié)果與解析解相近。得出結(jié)論: 通過該方法計算得到的對流換熱系數(shù)較為精確; 冷卻液與動環(huán)接觸部分的換熱能力高于與靜環(huán)接觸部分的換熱能力, 但差別不大; 通過增加冷卻水入口沖洗量可有效增強部分壁面的對流換熱情況。該方法可為機械密封設(shè)計提供理論依據(jù)。

超高速; 機械密封; 沖洗量; 換熱特性

0 引言

接觸式機械密封端面摩擦副單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量與端面平均線速度成正比。在密封副超高速(平均線速度大于100 m/s)運轉(zhuǎn)時, 密封端面會產(chǎn)生大量摩擦熱, 因此必須采用沖洗措施以帶走熱量[1-2]。在機械密封的研制過程中, 由于密封腔空間尺寸受限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動環(huán)轉(zhuǎn)速高, 從而導(dǎo)致沖洗液換熱情況復(fù)雜, 且難以采用實驗方法進(jìn)行研究。據(jù)此, 筆者借用FLUENT軟件, 對機械密封的冷卻液與固體域邊界的對流換熱進(jìn)行了研究, 旨在探索超高速情況下機械密封的對流換熱特性, 為機械密封的設(shè)計提供依據(jù)。

目前, 對密封腔內(nèi)流場換熱情況的研究較少。王志豪等人通過FLUENT軟件對機械密封腔內(nèi)流場和對流換熱系數(shù)的計算進(jìn)行了數(shù)值研究, 結(jié)果表明, 靜環(huán)表面對流換熱系數(shù)的變化規(guī)律與動環(huán)轉(zhuǎn)速和沖洗量之間的相對大小有關(guān); 動環(huán)表面的對流換熱系數(shù)則主要與轉(zhuǎn)速相關(guān)[3]。周劍鋒等人用解析法研究了機械密封環(huán)的傳熱特性, 結(jié)果表明, 絕大部分摩擦熱通過動環(huán)傳遞到介質(zhì), 靜環(huán)端面溫升較小; 增大動環(huán)與介質(zhì)的接觸面積或選用熱導(dǎo)率大的材料可降低動環(huán)上的最高溫度和端面上內(nèi)外徑處的溫差[4]。本文研究對象及研究方法與上述不同, 其特點主要在于: 1) 研究對象的幾何模型復(fù)雜; 2) 動環(huán)轉(zhuǎn)速極高; 3) 采用自定義公式進(jìn)行換熱特性研究。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

本文研究對象為接觸式機械密封, 超高速情況下, 單純靠選用耐高溫、導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)低的密封副材料不一定會帶來預(yù)期的效果。何況對于密封潤滑性差和易揮發(fā)的液體來說, 還會出現(xiàn)液膜和介質(zhì)氣化等問題, 這就不得不采用沖洗措施。對機械密封裝置部分表面的冷卻可以迅速移走摩擦熱量, 降低密封的工作環(huán)境溫度, 改善潤滑條件, 防止干運轉(zhuǎn)和雜質(zhì)集積, 從而降低機械密封裝置的溫度。本文研究對象由2個獨立的機械密封裝置組成, 兩靜環(huán)中間充滿冷卻水。外圈機械密封負(fù)責(zé)對外層介質(zhì)和冷卻水進(jìn)行密封; 內(nèi)圈機械密封負(fù)責(zé)對內(nèi)層介質(zhì)和冷卻水進(jìn)行密封。這樣一來, 既密封住了2種介質(zhì), 又對2個密封副端面進(jìn)行了冷卻。單個機械密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機械密封裝置示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分方式既影響計算速度和所需存儲量, 又影響數(shù)值解的收斂性和準(zhǔn)確性。尤其對于復(fù)雜邊界形狀的模型, 選擇合適的網(wǎng)格生成方法尤為關(guān)鍵。鑒于本文的研究對象大多為圓柱狀或環(huán)狀, 本文采用ANSYS ICEM CFD中的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。在網(wǎng)格劃分時, 由于整個流體域結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 對于部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件, 進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格, 選用的網(wǎng)格劃分軟件為ANSYS ICEM CFD。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件, 設(shè)置INTERFACE接觸面, 實現(xiàn)網(wǎng)格之間的連接與耦合。最后, 得到的網(wǎng)格總數(shù)約為466048, 將網(wǎng)格劃分情況導(dǎo)入到TECPLOT中觀察, 其網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

2 數(shù)學(xué)物理模型

1) 質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

2) 動量守恒方程(N-S方程)

3) 能量方程

以上3式中各物理量的含義參見文獻(xiàn)[5]。

3 計算方法及邊界條件的確定

3.1 基本假設(shè)

1) 密封環(huán)為理想彈性體, 即環(huán)的材料是均勻連續(xù)、各向同性和完全彈性;

2) 穩(wěn)定工況下, 靜環(huán)座的軸向移動對彈簧力大小的影響忽略;

3) 假設(shè)動、靜環(huán)完全接觸, 即忽略端面間液膜厚度;

4) 忽略密封環(huán)O型圈上的摩擦阻力;

5) 假設(shè)摩擦熱全部由冷卻液及熱傳導(dǎo)帶走。

3.2 計算方法

3.3 邊界條件

3.3.1 材料及冷卻液的選擇

由于摩擦功耗與機械密封端面平均線速度成正比, 超高速情況下, 密封端面平均線速度超過150 m/s, 從而產(chǎn)生大量摩擦熱, 密封副溫度急劇升高, 導(dǎo)致密封環(huán)內(nèi)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力并出現(xiàn)熱裂, 造成密封環(huán)變形甚至斷裂; 端面溫升還可能使液膜和密封介質(zhì)汽化, 造成密封失穩(wěn), 泄漏量增加。同時, 速度越高, 磨損越嚴(yán)重。因此, 在超高速條件下, 可以通過改變摩擦系數(shù)、材料硬度等值來降低機械密封的摩擦功耗與磨損率, 即所選密封材料要具有良好的導(dǎo)熱性能、自潤滑性、熱膨脹性和一定的耐磨性?；谝陨峡紤], 軟環(huán)一般選擇浸漬不同材料的碳石墨, 與之配對的硬環(huán)材料通常選擇導(dǎo)熱性良好的反應(yīng)燒結(jié)或無壓燒結(jié)碳化硅, 當(dāng)可能遭受腐蝕時, 選擇化學(xué)穩(wěn)定性更好的熱壓燒結(jié)碳化硅[6]。本文在計算機械密封溫度場時, 選擇浸銀碳石墨M106G和反應(yīng)燒結(jié)SiC 2種材料分別作為密封面軟材料和硬材料, 材料及冷卻液的物性如表1所示。

表1 材料及冷卻液的物性值

3.3.2 摩擦熱的計算、加載與熱量分配

機械密封在運行過程中, 動、靜環(huán)的相對運動必然會發(fā)生摩擦并產(chǎn)生摩擦熱。由于摩擦熱的產(chǎn)生和分配受諸多復(fù)雜因素的影響, 端面上的摩擦熱大小難以確定, 熱載荷計算只有先從總摩擦熱入手。摩擦熱的計算與密封端面的摩擦狀態(tài)有關(guān), 本文采用式(6)來計算摩擦熱。

摩擦熱以表面熱的形式加載, 對應(yīng)的載荷名稱為熱流密度(HEAT FLUX), 即第2類邊界條件。摩擦熱的分配采用如下公式進(jìn)行計算[7]

式中: 帶下標(biāo)為與靜環(huán)相關(guān)的物理量, 帶下標(biāo)為與動環(huán)相關(guān)的物理量。采用式(7)計算所得的熱量分配比例進(jìn)行溫度場初步計算, 發(fā)現(xiàn)動、靜環(huán)交界處溫差較大, 采用試湊法修改比例系數(shù), 重新分配熱量比例, 再用所得溫度場進(jìn)行校核。最終的熱量分配比例如表2所示。

表2 熱量分配情況

3.3.3 沖洗量的確定

本文所選模型的入口邊界條件定為質(zhì)量流量, 出口邊界條件為壓力。計算前, 首先要確定冷卻水的沖洗量, 即質(zhì)量流量。其沖洗量根據(jù)摩擦熱計算得到。假設(shè)兩側(cè)機械密封產(chǎn)生的摩擦熱全部由冷卻水帶走, 則沖洗量按如下公式計算

表3 冷卻水入口沖洗量隨轉(zhuǎn)速變化情況

4 結(jié)果分析

取迭代步數(shù)為1 000步, 迭代到273步時收斂。

4.1 對流換熱系數(shù)的求解

4.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

給定轉(zhuǎn)速為10萬轉(zhuǎn)/min, 出口壓力P為0.1 MPa以及不同入口沖洗量進(jìn)行數(shù)值計算。所得結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出, 冷卻水與動環(huán)交界處的對流換熱系數(shù)值最大, 與內(nèi)靜環(huán)接觸處的最小。因為動環(huán)轉(zhuǎn)速極高, 與動環(huán)接觸部分冷卻水的速度很大, 因此對流換熱系數(shù)高。隨著冷卻水入口沖洗量的增加, 其邊界的對流換熱系數(shù)相應(yīng)增加, 開始增加劇烈, 后面變得緩慢。

圖3 數(shù)值解與解析解結(jié)果對比

圖4 平均對流換熱系數(shù)隨入口沖洗量的變化

給定入口沖洗量Q=0.32 kg/s、出口壓力P=0.1 MPa、不同動環(huán)轉(zhuǎn)速所得數(shù)值解如圖5所示。由圖5可看出, 隨著動環(huán)轉(zhuǎn)速的提高, 各邊界對流換熱系數(shù)基本呈線性增大。轉(zhuǎn)速處于1×104r/min到3×104r/min時, 冷卻水與動環(huán)接觸部分的對流換熱系數(shù)小于其與外靜環(huán)接觸部分的值; 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3×104r/min時, 所得結(jié)果相反。這是因為, 轉(zhuǎn)速不高時, 影響對流換熱強弱的因素主要取決于冷卻水的沖洗量或者沖洗速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定范圍時, 轉(zhuǎn)速則對對流換熱的強弱起主導(dǎo)作用。對比圖4和圖5也可發(fā)現(xiàn), 轉(zhuǎn)速對對流換熱強弱的影響比冷卻水流量的影響更大。

5 結(jié)論

1) 采用ANSYS ICEM CFD分塊劃分網(wǎng)格, 并導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行計算可以較真實地模擬機械密封沖洗液流通部分的換熱情況, 這樣有助于提高設(shè)計效率, 降低研發(fā)成本, 縮短研發(fā)周期。

圖5 平均對流換熱系數(shù)隨動環(huán)轉(zhuǎn)速的變化

3) 動環(huán)轉(zhuǎn)速為1×105r/min時, 冷卻液與動環(huán)接觸部分的換熱能力高于與內(nèi)、外靜環(huán)接觸部分的換熱能力。

4) 對于本文所建立的機械密封模型, 在動環(huán)轉(zhuǎn)速低于3×104r/min時, 冷卻量對對流換熱強弱起主導(dǎo)作用, 大于3×104r/min時, 動環(huán)轉(zhuǎn)速則起主導(dǎo)作用。

[1] 顧永泉. 機械密封實用技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

[2] Jeffrey Moore J. Three Dimensional CFD Rotor Dynamic Analysis of Gas Labyrinth Seals[J]. ASME Journal of Vi- brations and Acoustics, 2003.

[3] 王志豪, 索雙富, 黃偉峰, 等. 機械密封對流傳熱系數(shù)數(shù)值研究[J]. 潤滑與密封, 2011, 36(6): 29-33.Wang Zhi-hao, Suo Shuang-fu, Huang Wei-feng, et al. Numerical Analysis of Heat Transfer Coefficient in Me- chanical Face Seals[J]. Lubrication Engineering, 2011, 36(6): 29-33.

[4] 周劍鋒, 顧伯勤. 機械密封環(huán)的傳熱特性分析[J]. 機械工程學(xué)報, 2006, 42(9): 201-206.

[5] 李進(jìn)良, 李承曦, 胡仁喜. 精通FLUENT6.3流暢分析[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[6] 郝木明. 機械密封技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 中國石化出版社, 2010.

[7] 廖和濱. 機械密封環(huán)溫度場/應(yīng)力場的數(shù)值模擬及實驗研究[D]. 福建: 福州大學(xué), 2005.

[8] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[9] 錢濱江. 簡明傳熱手冊[M]. 北京: 高等教育出版社, 1983.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Analysis on Heat Transfer Characteristic of Super-speed Mechanical Seals Based on FLUENT

ZHANG Jia-he,YANG Cheng-shi,PENG Bo,WAN Rong-hua,GUO Zhao-yuan,GAO Yu-ke

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To understand the heat transfer characteristic between mechanical seals and flushing fluid in super-speed condition and to obtain the intensity of the heat transfer, a fluid-solid model of the mechanical seals is built based on the numerical calculation method. Subsequently, the temperature field is calculated, the temperature distributions of some surfaces are achieved. Moreover, the convection heat transfer coefficient is calculated by the formula, which coincides with the analytic solution. It is concluded that the calculated convection heat transfer coefficient is accurate; the heat transfer capability of the flushing liquid in contact with moving loop is slightly higher than that in contact with static loop; the heat transfer on some walls can be significantly enhanced by increasing the flow rate of flushing liquid at inlet.

super-speed; mechanical seals; flow rate of flushing liquid; heat transfer characteristic

TJ630.32; TK261

A

1673-1948(2014)01-0044-05

2013-09-16;

2013-10-20.

張嘉禾(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向為能源動力推進(jìn)技術(shù).