朱維兵1,周 剛1,張海洋1,夏 英
(1.西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,四川 成都 610039;2.四川大學(xué)國家大學(xué)科技園發(fā)展有限公司,四川 成都 610065)
在提倡低碳能源的今天,核電能作為一種清潔能源正迎來新一輪的高速發(fā)展。國家也將核電建設(shè)作為中低碳經(jīng)濟(jì)的重要支柱。反應(yīng)堆冷卻劑核主泵是壓水堆核電站的關(guān)鍵設(shè)備,其機(jī)械密封是防止核主泵內(nèi)放射性物質(zhì)泄漏的密封裝置。密封裝置性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到設(shè)備能否安全運(yùn)行。流體靜壓密封屬于非接觸式機(jī)械密封,在目前國內(nèi)的核電站主泵中應(yīng)用最為廣泛。這種密封利用外部引入的壓力流或被密封介質(zhì)本身,通過密封端面的壓力降產(chǎn)生流體靜壓效應(yīng)。流體靜壓型機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在一定的間隙,為全液膜潤(rùn)滑狀態(tài)。它是利用密封介質(zhì)的壓力推開2個(gè)密封端面,從而達(dá)到閉合力與開啟力的平衡,如圖1所示。
圖1 靜壓型機(jī)械密封系統(tǒng)示意圖
機(jī)械密封裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),密封環(huán)上承受著彈簧力、密封介質(zhì)壓力和液膜壓力的作用;但是系統(tǒng)內(nèi)部或外部一些不穩(wěn)定因素會(huì)導(dǎo)致密封環(huán)產(chǎn)生振動(dòng),密封性能發(fā)生變化。國外對(duì)流體靜壓型機(jī)械密封的動(dòng)態(tài)特性研究[1-3]較早,國內(nèi)對(duì)此研究則較晚。穆東波等[4]計(jì)算模擬了機(jī)械密封環(huán)的端面變形及機(jī)械密封由接觸式機(jī)械密封轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙佑|式機(jī)械密封的過程;廖傳軍等[5]、魏琳宗[6]對(duì)核主泵密封系統(tǒng)的流固熱耦合變形進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究,但對(duì)動(dòng)態(tài)特性分析不是很詳細(xì)。本文旨在分析流體靜壓型機(jī)械密封靜環(huán)端面的結(jié)構(gòu)參數(shù),如轉(zhuǎn)折半徑、端面錐角等,對(duì)液膜剛度、阻尼和靜環(huán)振動(dòng)特性的影響,以期為靜壓型機(jī)械密封的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
(1)
式中:KZ、DZ(包括彈性元件和液膜)分別為剛度和阻尼的量綱—參數(shù);ω為動(dòng)環(huán)角速度;r0為靜環(huán)外徑;C0為靜環(huán)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的液膜厚度;Ri為靜環(huán)內(nèi)徑ri的量綱—參數(shù);μ為端面流體液膜的黏度。
靜環(huán)軸向振動(dòng)方程
(2)
式中:m=m*ω2C0/(Sr02)為靜環(huán)質(zhì)量m*的量綱—參數(shù);Ff=F*/(Sr02),F(xiàn)*為密封介質(zhì)施加在靜環(huán)背面的力。
如圖2、圖3所示,設(shè)靜環(huán)的內(nèi)徑、轉(zhuǎn)折半徑和外徑分別為ri、re、ro,則平行段的膜厚
hp=C
(3)
收斂段的膜厚
hc=C+(r-re)β*
(4)
式中:C=C0+Z,Z是靜環(huán)發(fā)生振動(dòng)時(shí)沿軸向的位移;β*為靜環(huán)端面錐角。
堤防工程原則上以原有堤防除險(xiǎn)加固為主,參照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—1998)規(guī)定執(zhí)行。對(duì)新建堤防,應(yīng)根據(jù)山洪溝泄洪要求,經(jīng)過比選,合理選定堤線和堤距布置,并根據(jù)山洪溝行洪斷面、地形地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)夭牧弦约罢嫉厍闆r,合理確定堤防結(jié)構(gòu)形式。對(duì)人口密集區(qū)、溝道兩岸地形狹窄、已建建筑物限制等沒有條件布置土堤的地段,可采用防洪墻等形式;溝道兩岸地形有條件時(shí),可采用土堤形式。
圖2 靜環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 液膜的幾何模型
為討論問題方便,作以下假設(shè): 1)液膜厚度很小,故可認(rèn)為液膜壓力沿厚度方向沒有變化; 2)流場(chǎng)流動(dòng)類型為層流,不存在紊流; 3)流體液膜滿足牛頓黏性定律; 4)不考慮流體膜的汽化現(xiàn)象和密封環(huán)端面粗糙度的影響;5)不考慮流體膜所受的擠壓力,膜壓沿周向沒有變化。
基于上述的假設(shè)條件,可得到流體靜壓型機(jī)械密封的膜壓微分方程[2,7-8]為
(5)
邊界條件為:p=pi(r=ri),p=pe(r=re)(平行段);p=po(r=ro);p=pe(r=re)(收斂段)。式中:p為液膜壓力;pi、pe、po分別為靜環(huán)內(nèi)徑、轉(zhuǎn)折半徑和外徑處的液膜壓力。
對(duì)于平行段液膜,由于膜厚沿徑向?yàn)橐怀?shù),故膜壓微分方程(5)可簡(jiǎn)化成
(6)
對(duì)于收斂段液膜,膜厚與半徑有關(guān),得到膜壓微分方程為
(7)
結(jié)合邊界條件,積分方程(6)和(7)得到2段膜壓的解析表達(dá)式:
pp=pi+[(pe-pi)(r-ri)/(re-ri)]
(8)
參數(shù)pe可以根據(jù)平行段和收斂段的泄漏量相等的原理[6]進(jìn)行求解。
密封環(huán)、液膜和彈性元件的相關(guān)已知參數(shù)如表1所示。
表1 密封環(huán)、液膜和彈性元件的物理參數(shù)
將液膜壓力沿密封環(huán)平行段端面積分得到平行段的開啟力Fopen,為
(9)
液膜軸向剛度和阻尼的量綱—表達(dá)式[9]如下。
1)平行段剛度和阻尼。
軸向阻尼Dfz=πRmp(1-ri/re)/3
2)收斂段剛度和阻尼。
軸向阻尼Dfz=4πRmcG0
式中:Rmp=(ri+re)/2re;Rmc=(re+ro)/(2ro);Re=re/ro;β=β*ro/C0;E0=[(1-Re)Rmc]/[2+β(1-Re)];G0=(ln[1+β(1-Re)]-2{β(1-Re)/[2+β(1-Re)]})/[β3(1-Re)2];Pξ=pξ/S(ξ=i,e,o),Pξ為內(nèi)徑、轉(zhuǎn)折半徑和外徑處的液膜壓力的量綱—參數(shù)。
將上述相關(guān)參數(shù)帶入剛度和阻尼的表達(dá)式中進(jìn)行計(jì)算,得出圖4和圖5的液膜剛度和阻尼曲線。
圖4 液膜軸向剛度
圖5 液膜軸向阻尼
圖6 轉(zhuǎn)折半徑對(duì)靜環(huán)振動(dòng)特性的影響
圖7 端面錐角對(duì)靜環(huán)振動(dòng)特性的影響
1)圖4和圖5是液膜軸向剛度和阻尼隨轉(zhuǎn)折半徑和端面錐角的變化曲線??梢钥闯?,端面錐角越小,對(duì)剛度和阻尼的影響程度越大。由此可知,較小的端面錐角對(duì)靜壓特性有較大的影響??傮w上說:液膜軸向剛度隨著轉(zhuǎn)折半徑和端面錐角的增大都呈現(xiàn)減小趨勢(shì);液膜軸向阻尼隨著轉(zhuǎn)折半徑和端面錐角的增大而分別呈現(xiàn)增大和減小的趨勢(shì)。
2)圖6反映的是當(dāng)端面錐角為2′時(shí),不同轉(zhuǎn)折半徑對(duì)靜環(huán)振動(dòng)衰減的影響??梢钥闯觯D(zhuǎn)折半徑為115 mm時(shí)的振動(dòng)特性為弱阻尼狀態(tài);轉(zhuǎn)折半徑為130 mm和145 mm時(shí)的特性為過阻尼狀態(tài)。由此可知,隨著轉(zhuǎn)折半徑的增大,振動(dòng)阻尼從弱阻尼向過阻尼狀態(tài)轉(zhuǎn)變,衰減時(shí)間延長(zhǎng)。圖7反映的是當(dāng)轉(zhuǎn)折半徑為130 mm時(shí),不同端面錐角對(duì)靜環(huán)振動(dòng)衰減的影響??梢钥闯觯嗣驽F角為10′和18′時(shí)的振動(dòng)特性為弱阻尼狀態(tài),端面錐角為2′的振動(dòng)特性為過阻尼狀態(tài)。由此可知,隨著端面錐角的增大,振動(dòng)阻尼從過阻尼向弱阻尼狀態(tài)轉(zhuǎn)變,衰減時(shí)間延長(zhǎng)。
3)從圖4至圖7可以看出:端面錐角越小,剛度和阻尼越大,振動(dòng)衰減時(shí)間也越短,故錐角在0至2′范圍內(nèi)為最佳;當(dāng)轉(zhuǎn)折半徑越小時(shí),若端面錐角小于2′,剛度和阻尼呈現(xiàn)增大趨勢(shì),振動(dòng)衰減時(shí)間也越短,故當(dāng)轉(zhuǎn)折半徑與內(nèi)徑重合時(shí)為最佳,此時(shí)整個(gè)靜環(huán)端面都為收斂型。
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