串联式机械密封温度场研究

2013-05-01 王淮维 中国石油大学( 华东)

　　利用ANSYS 和FLUENT 软件对密封腔体、转轴、密封组件以及封油的温度场进行了计算。计算过程中考虑了对流传热、热传导、端面摩擦热和介质粘性剪切热的影响。通过计算得到了一定温度下封油流量对密封冲洗冷却效果的影响规律。计算结果能够为高温泵用串联式机械密封的设计和使用提供有益指导。

1、前言

　　串联式机械密封轴向设有两套密封组件，可以利用密封组件间缓冲或隔离流体的循环带走端面摩擦热、介质搅拌热以及工艺介质传入的热量等在密封腔体内积聚的热量，保持密封正常稳定运转，在部分高温工况条件下具有良好的适用性。在高温泵用串联式机械密封使用过程中，封油循环量的大小对机械密封的正常运转起着关键性的作用。目前，生产现场往往根据经验值选取封油循环量，缺乏准确性。为了找出一定温度下封油循环量对冲洗冷却效果的影响规律，有必要对机械密封的温度场进行计算研究。

2、研究对象

　　本文研究的串联式机械密封基本结构如图1所示。

串联式机械密封结构示意

图1 串联式机械密封结构示意

　　密封组件中两组密封副依串联方式布置: 内侧为主密封，起到密封高温介质的作用; 外侧为副密封，用于密封两套密封之间的封油，并可在主密封意外失效时起到安全密封的作用。弹性元件采用波纹管组件。密封运转过程中，适宜压力、温度和流量的封油由封油入口注入密封组件间隙，之后从封油出口流出，产生循环流动: 一方面为主密封提供缓冲或阻塞流体，另一方面对密封组件进行冲洗和冷却。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)所研究密封的主要材料和参数如下: 动环材料为浸锑石墨，静环材料为YG6，轴套及压盖材料为2Cr13，密封腔材料为铸铁，工艺介质是温度为597K 的高温重油，封油选用温度为343K、压力为0.5MPa 的重柴油，泵轴转速为2970r /min。计算时用到的材料物性参数见表1、表2。

表1 固体材料导热系数

固体材料导热系数

表2 重柴油物理性质

重柴油物理性质

3、密封系统的热量平衡

　　将密封腔体、密封组件、转轴以及封油视为一个系统，在密封稳定运转时该系统须满足热量平衡。本文考虑的系统热量平衡如下所示:

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

　　式中QF - 摩擦副动、静环端面摩擦热;QA - 密封组件旋转引起的流体介质粘性剪切热;QP - 高温工艺介质传入系统的热量;QS - 封油带入系统的热量;Q1 - 密封腔外表面与与大气对流传热带走的热量;Q2 - 通过转轴带出系统的热量;Q3 - 通过封油的循环带走的热量

4、计算模型和边界条件

4.1、模型建立和网格划分

　　为了求得封油温度场，需要了解其边界温度分布。因此，首先对包括密封腔、转轴、密封组件的固壁温度场( 文中简称“固壁温度场”) 进行求解。

　　在ANSYS 软件中建立包括密封腔、转轴、密封组件的固壁模型(图2) 。在模型建立时，由于研究对象的结构和边界条件具有轴对称或近似轴对称特性，并且在长时间运转过程中温度分布基本稳定，因此可以将问题简化为二维稳态热传导。在模型建立过程中对部分结构进行了适当简化。

固壁模型示意

图2 固壁模型示意

　　划分网格时采用Quad 方式，并在副密封端面处进行了局部加密。网格总数为2 万。在GAMBIT 中建立图3 所示的三维封油流体模型。模型中规则圆筒部分采用六面体结构化网格划分，封油入口部位采用四面体网格划分，网格总数为130 万。

封油模型示意

图3 封油模型示意

4.2、热载荷的确定

4.2.1、对流传热边界条件

　　密封腔体、轴套、密封组件与工艺介质、封油、大气之间均存在着对流传热。

　　(1) 密封腔体外壁与大气间的对流传热系数此处为大空间自然对流传热，其对流传热系数计算式:

　　系数Gr———格拉晓夫数;Pr———普朗特常数

　　(2) 密封腔体、转轴、密封组件与工艺介质或封油间的对流传热系数

　　此处需考虑介质的旋转搅拌效应，其对流传热系数计算式:

　　由图6 可见，采用串联式布置方式和封油循环冷却方式可以使密封组件处于相对低温( 与高温工艺介质相比) 的环境中运转，提高密封的安全性和可靠性。随着封油循环量的增加，各部位的封油温升呈现下降趋势。结合图7 可以看出，增大封油循环量将会增加封油带走的热量，提高对密封组件的冷却效果。

　　此外，计算结果显示封油对副密封的冷却效果明显优于对主密封的冷却效果。造成这种现象的原因有2 点:

　　(1) 主密封更加靠近高温工艺介质;

　　(2) 在主密封附近封油轴向流动缓慢，积聚在封油中的热量无法及时排出。

　　为了解决主密封附近封油轴向流动性差的问题，可以考虑采用设置折流板或改变封油出口位置等方法加强主密封部位的封油流动与传热，进一步改善主密封运行环境。

6、结论

　　(1) 采用串联式布置方式和封油循环冲洗方式可以使密封组件处于相对低温( 与高温工艺介质相比) 的环境中运转，提高了密封的安全性和可靠性;

　　(2) 增大封油循环量将会增加封油带走的热量，同时明显降低封油在各部位的温升，提高了对密封组件的冷却效果;

　　(3) 主密封附近封油轴向流动缓慢，不利于该部位的冲洗冷却，可采取添加折流板、改变封油出口位置等措施加强主密封部位的封油流动与传热。