李彥啟，李慧強(qiáng)，劉明濤，劉合榮

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

機(jī)械密封是將軸向間隙轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蜷g隙，利用間隙流體膜產(chǎn)生的動(dòng)、靜壓效應(yīng)阻止介質(zhì)泄漏的一種機(jī)械裝置，已廣泛用于各行業(yè)中的泵、釜、壓縮機(jī)、攪拌機(jī)等機(jī)械設(shè)備中，屬于其中的關(guān)鍵部件[1-3].延長(zhǎng)機(jī)械密封壽命、提升密封性能的有效途徑之一是在密封端面上開(kāi)設(shè)螺旋槽結(jié)構(gòu).螺旋槽機(jī)械密封[4-5]是將液體或者氣體吸入槽內(nèi)并使其被收斂型的槽形結(jié)構(gòu)壓縮從而提高開(kāi)啟力，然而該結(jié)構(gòu)未對(duì)因端面分離導(dǎo)致泄漏量增大的現(xiàn)象采取積極有效的措施.螺旋槽上游泵送機(jī)械密封[6-7]能夠有效提高開(kāi)啟力并實(shí)現(xiàn)零泄漏，但所需的沖洗液支持系統(tǒng)增加了整體密封系統(tǒng)的復(fù)雜性，且須阻流液體與密封介質(zhì)相容.文獻(xiàn)[8]提出的雙列螺旋槽機(jī)械密封在提高開(kāi)啟力的同時(shí)能夠降低泄漏量，但較大的結(jié)構(gòu)尺寸以及較小的工況壓差限制了其適用性.

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)減小泄漏和提高開(kāi)啟力的雙功能以及增強(qiáng)機(jī)械密封的適用性，本文針對(duì)一種新型螺旋槽機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)[9]，采用Fluent軟件中層流模型和 simplelic算法對(duì)其密封性能進(jìn)行仿真計(jì)算，分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響規(guī)律及原因.

1 模型建立

1.1 物理模型

動(dòng)環(huán)端面槽形結(jié)構(gòu)如圖 1(陰影部分)所示，新型機(jī)械密封端面槽形為對(duì)數(shù)螺旋線，其極坐標(biāo)下控制方程為

式中 rg與內(nèi)半徑相等，螺旋線起始延伸方向與動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)方向 ω相反.槽形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為收斂趨勢(shì)相反的兩個(gè)槽根部位分別位于高、低壓(外、內(nèi)徑)兩側(cè)，并通過(guò)螺旋通道與外徑側(cè)高壓介質(zhì)連通.

圖1 動(dòng)環(huán)端面槽形結(jié)構(gòu)Fig. 1 Ring face groove structure

模型基本參數(shù)及其取值見(jiàn)表1.

表1 模型基本參數(shù)取值Tab. 1 Value of basic parameters of the model

槽形的設(shè)計(jì)原理：隨著環(huán)旋轉(zhuǎn)的螺旋槽將內(nèi)徑低壓側(cè)液體向外徑高壓側(cè)泵送，被輸送的液體一部分通過(guò)螺旋通道返回介質(zhì)腔體內(nèi)，另一部分則到達(dá)外徑側(cè)的槽根部位；如此，內(nèi)徑側(cè)槽根部位形成低壓(空化)區(qū)域回吸流體以減少泄漏，外徑側(cè)槽根處形成高壓區(qū)域提高開(kāi)啟力，同時(shí)形成的逆向壓差可以阻斷泄漏的途徑.

1.2 控制方程

由流體力學(xué)基本理論以及本文所用計(jì)算模型的特點(diǎn)和條件，質(zhì)量守恒方程、運(yùn)動(dòng)方程以及氣相運(yùn)輸方程[10-12]分別為

式中：vm是質(zhì)量平均速度

ρm是混合密度

μm是混合黏度

αk是第k相的體積分?jǐn)?shù)；Re、Rc分別為氣泡產(chǎn)生、潰滅源項(xiàng)；下標(biāo)v表示氣相.

1.3 邊界條件及計(jì)算方法

因?yàn)椴坌谓Y(jié)構(gòu)呈周期性排布，所以計(jì)算采用單周期模型以提高計(jì)算效率.將模型分為兩個(gè)區(qū)域：動(dòng)環(huán)螺旋槽中的液體隨螺旋槽一起運(yùn)動(dòng)，故設(shè)置為動(dòng)區(qū)，運(yùn)動(dòng)方式選擇Frame Motion[7]；密封面間隙內(nèi)的液體為靜止區(qū)，如圖 2所示(為方便閱讀，特將膜厚方向尺寸放大且兩區(qū)域分離示意).

圖2 模型邊界條件Fig. 2 Boundary conditions of the model

兩個(gè)區(qū)域之間相接觸的界面設(shè)置為內(nèi)部邊界；分割單個(gè)周期的界面設(shè)置為周期性邊界；外徑處的兩個(gè)側(cè)面與腔內(nèi)流體相連，因此設(shè)置為壓力進(jìn)口，而內(nèi)徑處的側(cè)面為泄漏點(diǎn)，故設(shè)置為壓力出口；與動(dòng)環(huán)端面及槽腔各壁面相接觸的界面設(shè)置為運(yùn)動(dòng)壁面，與靜環(huán)端面相接觸的界面設(shè)置為靜止壁面.密封介質(zhì)選用常溫純凈水.

Fluent模擬計(jì)算選用 SIMPLEC，壓力項(xiàng)采用PRESTO！離散格式，動(dòng)量方程選用 Second Order Upwind，氣相方程選用QUICK格式.

1.4 網(wǎng)格劃分

由于本文設(shè)計(jì)的槽形結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所以單周期液膜的三維模型特點(diǎn)是曲線多、尖角多、幾何形狀極其不規(guī)則，因此給劃分網(wǎng)格帶來(lái)了諸多不便.為了得到形狀一致、尺寸大小基本均勻的網(wǎng)格單元，本文采用了分區(qū)域劃分的方法.

模型分塊方案及局部網(wǎng)格如圖3所示，根據(jù)計(jì)算模型自身幾何特點(diǎn)將其分為 5個(gè)區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用掃描劃分(Sweep Method)，源面選擇與密封端面相互平行的面，四邊形為主(Quad/Tri).網(wǎng)格尺寸及單元格、節(jié)點(diǎn)的控制由全局控制統(tǒng)一設(shè)定(Use Global Setting).

圖3 模型分塊方案及局部網(wǎng)格Fig. 3 Model partitioning scheme and the local grid

網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果表明，95%網(wǎng)格單元的skewness值小于0.1且接近0(越接近0表示網(wǎng)格質(zhì)量越好)表明網(wǎng)格質(zhì)量等級(jí)為 excellent(＞0～0.25)，故可認(rèn)為本文采用的劃分方法能夠滿足計(jì)算需求.

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

本文采用單一因素驗(yàn)證法分析各個(gè)參數(shù)與密封性能的關(guān)系，即除所分析的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化外，其余各參數(shù)取值均與表1中相同.

2.1 螺旋角對(duì)密封性能的影響

螺旋角是本文設(shè)計(jì)的槽形中重要幾何參數(shù)之一，圖4是泄漏量和開(kāi)啟力隨螺旋角的變化曲線.從圖4可以看出：隨螺旋角的不斷增大泄漏量亦不斷增大，且泄漏量與螺旋角呈現(xiàn)近似線性關(guān)系.當(dāng)螺旋角小于 12°時(shí)，泄漏量非常小，甚至在理論上可以達(dá)到零泄漏(或者泵送).開(kāi)啟力隨螺旋角的逐漸增加而增加，較大螺旋角可以得到相對(duì)較大的開(kāi)啟力.

圖4 螺旋角對(duì)泄漏量和開(kāi)啟力的影響Fig. 4 Effect of spiral angle on leakage and opening force

螺旋角在 10°～16°范圍內(nèi)每增加 1°時(shí)，泄漏量增幅為 32.96%～199.57%，開(kāi)啟力增幅為 1.03%～2.75%.由此不難看出，螺旋角對(duì)泄漏量的影響較開(kāi)啟力大得多.結(jié)合流場(chǎng)壓力分布(圖 5)進(jìn)一步分析，螺旋角的逐漸增大使得內(nèi)徑側(cè)槽根處的低壓區(qū)域總體上有所縮減(空化體積比分別為 13.02%、13.68%、13.51%、13.44%、12.57%、12.19%、11.55%)，進(jìn)而削弱了低壓回吸能力及其對(duì)高壓區(qū)域的“泄壓”作用(壓力峰值分別為 1.84、1.89、1.95、1.98、2.03、2.05、2.08MPa).同時(shí)，較大的螺旋角使得螺旋槽的泵送能力有所降低.

圖5 不同螺旋角對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)壓力分布Fig. 5 Pressure distribution of different spiral angles

綜上可知，螺旋角取值較小時(shí)可以將泄漏量控制在理想范圍內(nèi)且不會(huì)對(duì)開(kāi)啟力造成很大的影響.

2.2 槽數(shù)對(duì)密封性能的影響

泄漏量和開(kāi)啟力隨槽數(shù)變化而變化的曲線如圖6所示.槽數(shù)由 12個(gè)逐個(gè)遞增時(shí)，泄漏量不斷下降；當(dāng)動(dòng)環(huán)端面均勻布置 17個(gè)及以上螺旋槽時(shí)，理論上在該工況條件下可以實(shí)現(xiàn)零泄漏(隨槽數(shù)繼續(xù)增加或可實(shí)現(xiàn)泵送功能).在密封要求較高的工作環(huán)境中可通過(guò)增加設(shè)計(jì)螺旋槽數(shù)的方式來(lái)降低機(jī)械密封的泄漏量.由圖 6可知：雖然開(kāi)啟力隨槽數(shù)的增加整體體現(xiàn)為下降趨勢(shì)，但幅度非常平緩；即槽數(shù)對(duì)開(kāi)啟力的影響很小.只有槽數(shù)由12增加為13個(gè)時(shí)，開(kāi)啟力波動(dòng)幅度為3.96%，其后開(kāi)啟力變化皆小于0.81%.

圖6 槽數(shù)對(duì)泄漏量和開(kāi)啟力的影響Fig. 6 Effect of groove number on leakage and opening force

槽數(shù)的增加使得近內(nèi)徑側(cè)的低壓區(qū)域增多，致使回流能力增強(qiáng)，同時(shí)增加的螺旋槽數(shù)使得整體的泵送能力增強(qiáng)，故能有效降低泄漏量.但槽數(shù)的不斷增加使動(dòng)環(huán)端面內(nèi)的槽形結(jié)構(gòu)逐漸趨于首尾相連狀態(tài)(可參考圖 7)，近外徑側(cè)的高壓區(qū)域的高壓峰值受低壓區(qū)的削弱作用明顯，故增加的槽數(shù)并不能使開(kāi)啟力得到提高.

圖7 20個(gè)螺旋槽時(shí)的流場(chǎng)壓力分布Fig. 7 Pressure distribution with 20 spiral grooves

2.3 槽寬對(duì)密封性能的影響

槽寬對(duì)泄漏量和開(kāi)啟力的影響如圖8所示.

圖8 槽寬對(duì)泄漏量和開(kāi)啟力的影響Fig. 8 Effect of groove width on leakage and opening force

由圖 8可見(jiàn)：隨著槽寬逐漸變大，泄漏量整體呈現(xiàn)變大趨勢(shì).當(dāng)槽寬小于 8°時(shí)泄漏量為正值，即理論上可以實(shí)現(xiàn)零泄漏甚至泵送；槽寬在 8～12°范圍內(nèi)變化時(shí)，泄漏量的變化幅度非常??；當(dāng)槽寬大于 12°時(shí)，泄漏量開(kāi)始急劇增大.

槽寬對(duì)機(jī)械密封開(kāi)啟力的影響表現(xiàn)為：槽寬由6°以 1°為單位增加至 15°時(shí)，開(kāi)啟力幾乎直線上升且增幅較大，平均增幅為 4.64%；最大開(kāi)啟力為最小開(kāi)啟力的1.5倍左右.可見(jiàn)槽寬對(duì)開(kāi)啟力具有較大影響.

槽寬的逐漸增大使得近外徑側(cè)槽根處面積增加，故高壓及其輻射區(qū)域面積增加，進(jìn)而開(kāi)啟力升高.而槽寬小于 12°時(shí)，低壓區(qū)域面積變化微弱，對(duì)回吸泵送效應(yīng)影響極小，故泄漏量變化平緩.綜上所述，槽寬小于 12°時(shí)，泄漏量變化平緩且能達(dá)到理想水平，并且較大的槽寬可以得到大的開(kāi)啟力.因此，在開(kāi)啟力要求較高的工作環(huán)境中可以通過(guò)增大槽寬的設(shè)計(jì)值適當(dāng)提高開(kāi)啟力且不會(huì)對(duì)泄漏造成大的影響.

2.4 槽深對(duì)密封性能的影響

螺旋槽深為微米級(jí)尺寸精度要求非常高，故研究分析螺旋槽深對(duì)密封性能的影響至關(guān)重要.圖 9為槽深在 5～13μm 范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)泄漏量和開(kāi)啟力變化的曲線.螺旋槽深由淺變深時(shí)，泄漏量先減少后增加.槽深在 9μm 時(shí)泄漏量最低，即螺旋槽深最優(yōu)值存在于9μm附近.

圖9 槽深對(duì)泄漏量和開(kāi)啟力的影響Fig. 9 Effect of groove depth on leakage and opening force

由圖 9可知：隨著槽深增加，開(kāi)啟力雖然整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但走勢(shì)平穩(wěn)緩慢，總體變化幅度僅為50.43N，是開(kāi)啟力平均值的9.39%.深度每增加1μm時(shí)，開(kāi)啟力變化幅度范圍為 0.05%～2.61%，力大小僅為0.3～14.22N.

從泄漏的角度來(lái)說(shuō)，槽深存在最優(yōu)取值可以使泄漏量達(dá)到最??；而槽深的變化并不會(huì)對(duì)開(kāi)啟力造成大的影響.結(jié)合圖 10可以進(jìn)一步分析槽深影響流場(chǎng)狀態(tài)的機(jī)理.

圖10是槽深為9μm時(shí)槽腔內(nèi)不同深度(距離動(dòng)環(huán)端面分別為1、3、4、5和7μm并與之平行的平面)的流體軌跡示意圖(縮放比例相同).

從圖 10可以看出：在槽腔內(nèi)較淺位置流體由近內(nèi)徑側(cè)槽根處的低壓區(qū)域沿槽壁向外徑側(cè)輸送；被輸送的流體一部分流向近外徑側(cè)槽根處，從而形成高壓區(qū)，而另一部分流體則沿螺旋通道回流到介質(zhì)腔體內(nèi)部.但是，隨著位置深度增加，流體的上述流向趨勢(shì)逐漸改變，該現(xiàn)象在位置深度大于 5μm 以后尤為明顯(如圖 10所示)；至接近槽底部時(shí)流體主要受離心力和動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)的影響，速度方向幾乎沿徑向指向外徑側(cè)而不再沿螺旋槽泵送.由此可見(jiàn)，槽深對(duì)流體的流向軌跡有較大影響，從而影響了機(jī)械密封的密封性能.

圖10 槽深為9μm時(shí)不同深度的流體軌跡Fig. 10 Fluid trails at different depth in a groove of 9μm depth

2.5 通道寬對(duì)密封性能的影響

螺旋通道的設(shè)置是本文設(shè)計(jì)的槽形結(jié)構(gòu)的鮮明特點(diǎn)之一，故研究螺旋通道參數(shù)對(duì)密封性能的影響是很有必要的.如圖 11所示為泄漏量和開(kāi)啟力隨通道寬的變化曲線，隨螺旋通道逐漸變寬泄漏量逐漸減少；通道寬度大于 3°后，泄漏量理論上能達(dá)到理想的零泄漏狀態(tài).

圖11 通道寬度對(duì)泄漏量和開(kāi)啟力的影響Fig. 11 Effect of channel width on leakage and opening force

通道寬對(duì)開(kāi)啟力的影響則表現(xiàn)為：較小的通道寬度能夠得到較大的開(kāi)啟力.當(dāng)通道寬度為 1°時(shí)開(kāi)啟力高達(dá)676.73N；隨通道寬度變寬開(kāi)啟力變小且降幅較為明顯，通道寬在 1°～4°范圍內(nèi)時(shí)平均降幅高達(dá)4.92%；當(dāng)通道寬為 4°時(shí)開(kāi)啟力僅為 499.56N.由此可見(jiàn)，通道寬度對(duì)開(kāi)啟力的影響較其他參數(shù)大.

通過(guò)以上分析可知：螺旋通道寬度取值較大時(shí)有益于降低泄漏量，但不能得到較為理想的開(kāi)啟力.螺旋通道寬度的增加使得由近內(nèi)徑側(cè)槽根低壓處向外徑方向泵送輸送的流體回流到介質(zhì)腔體的比例增加，而流向近外徑側(cè)槽根高壓處的流體比例減少，故泄漏量減少，開(kāi)啟力降低.

3 結(jié) 論

(1)提出了一種新型螺旋槽機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)，分置于內(nèi)、外徑兩側(cè)的槽根特征可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低泄漏量和提高開(kāi)啟力的雙功能，螺旋通道提供了流體回流途徑降低泄漏量.

(2)螺旋角等幾何尺寸的細(xì)微變化均能引起泄漏量較大波動(dòng)，但每個(gè)幾何參數(shù)理論上都會(huì)出現(xiàn)最佳取值使得泄漏量達(dá)到理想水平.槽寬、槽數(shù)和螺旋角 3個(gè)參數(shù)幾何關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)取值時(shí)需要分別權(quán)衡三者對(duì)密封性能的影響規(guī)律，以達(dá)到所需的密封效果.

(3)各參數(shù)變化使得泄漏量降低的同時(shí)，開(kāi)啟力也有不同程度的下降.槽寬、通道寬變化引起的開(kāi)啟力變化幅度較大，其余參數(shù)對(duì)其影響較小.由于泄漏量和開(kāi)啟力均是表征密封性能的重要指標(biāo)，所以在設(shè)計(jì)取值時(shí)要綜合權(quán)衡工作環(huán)境、指標(biāo)要求等因素.