复杂工况机械密封腔内两相流的流场特性分析

　　以汽液两相流理论及方法为基础，采用CFD混合多相流模型，对处于高温、高压、高速复杂工况的波纹管集装式机械密封装置密封腔内两相流场进行了数值建模和分析，得到了由冲洗口位置的不同和密封环旋转引起的复杂三维流场特性，对不同的冷却效果进行对比，得到了最佳冷却位置，分析了密封腔内的温度场、压力场和速度场，并对比分析了密封腔压力随着不同主轴转速和不同冲洗液入口速度所呈现的规律，为高参数复杂工况下波纹管集装式机械密封装置的结构优化设计提供了理论依据。

引言

　　高参数波纹管集装式机械密封腔内流体存在着各种不同的相态：全液相密封、似液相密封、似汽相密封、全汽相密封，随着工作介质和工作条件的改变，机械密封腔内流体的相态可以从一种相态转变为另一种相态，机械密封在变工况以及高速、高温、高压复杂工况条件下机械密封腔内流体会变为汽液两相混合状态，进而造成密封环处的高温，带来许多问题：端面间的液膜汽化、密封环的热变

　　形、密封环的热裂等问题，导致密封装置运行失效。为了保证机械密封长期稳定可靠的工作，必须对密封环采取冷却措施。应用计算流体动力学(CFD)数值模拟计算理论及方法，采用混合多相流模型对密封腔内汽液两相场的动力学特性进行数值计算，通过求解流体动力学控制方程，得到了冲洗口位置的不同对密封环冷却效果的影响规律，同时可观察各方向、各截面的流体流动情况。

2、CFD基本理论

　　流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：

　　质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。流动包含有不同成分(组元)的混合或相互作用，系统要遵守组分守恒定律。

　　2.1、质量守恒方程

　　式中：ρ—密度；t—时间；u—速度矢量。

　　2.2、动量守恒方程

　　2.3、能量守恒方程

　　式中：Cp是比热容；T—温度；k—流体的传热系数；ST—流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转化为热能的部分，有时简称ST为粘性耗散项。

　　2.4、组分质量守恒方程

　　式中：cs—组分s的体积浓度；ρcv—组分的质量浓度；Dv—该组分的扩散系数；ss—系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，即生产率。上式左侧第一项、第二项、右侧第一项和第二项，分别称为时间变化率、对流项、扩散项和反应项。

3、CFD数值建模

　　3.1、CFD前处理

　　研究模型采用乌苏市某公司生产的波纹管型机械密封装置，如图1所示。

　　在CFD的前处理软件GAMBIT中建立密封腔内流场的三维几何模型，应用体网格生成处理程序Tgrid，采用Tet/Hybrid混合单元模式对计算流体划分网格，模型的网格，如图2所示。生成单元总数为93184个。

　　3.2、边界条件

　　边界条件设置如下：冷却油入口处为速度入口边界，出口处为自由流出，轴套、动环座及动环表面设为旋转边界，其余均设为壁面边界。计算区域的流体采用导热油和空气混合物，导热油属性，如表1所示。数值计算的边界条件，如表2所示。

表1 密封腔内导热油的材料属性

表2 CFD数值计算模型的边界条件

　　轴在一定的转速下，改变冲洗口位置，得到腔内密封环处二相流体的速度矢量图，观察流线层的变化，分析冷却口的位置对冷却效果的影响。保持冷却口位置不变，改变轴的轴径和转速，观察密封腔压力的变化。保持冷却口和轴转速的不变，改变轴径和冲洗液的入口速度，观察密封腔中压力的变化。

4、数值仿真及结果分析

　　在保持轴转速及冲洗液入口速度不变的情况下，改变冲洗口位置，观察流场的变化。计算得到的密封腔内冲洗口分别在x=9.5、27、40.3时，密封腔密封环处横截面速度矢量图，如图3~图5所示。

　　从图3~图5可以看出，冲洗流体在密封环表面形成一个流线层，流层随着冷却口接近动环而更加紧密的向腔内凸出。这说明随着冲洗口接近动环，流体更容易抵抗旋转件的吸附力，在密封腔内形更好的冷却循环。同时，在这些流线层区域内，流体流速在动环表面最大，流体更容易带走动环表面的热量，提高冷却效果。冲洗口在密封腔X=40.3的涡量图，如图6所示。由图6中可以看出，介质入口和出口以及旋转件部分的涡量比较大，产生了比较强的回流。

　　冲洗口在密封腔X=40.3的温度图，如图7所示。由图7中可以看出，密封腔的总体温度分布均匀，最高温度发生在动环处，这是因为动环及旋转部件的运动产生了搅拌热。

　　冲洗口在x=40.3时，密封腔的压力分布图，如图8所示。密封腔高压集中在冷却液入口出口及旋转部件周围，密封腔的平均压力为18838.61Pa，最高压力为32811.75Pa。

　　冲洗口在x=40.3，轴径分别为d=130和d=110时，密封腔平均压力随轴不同转速的变化曲线，如图9所示。由图9中可以看出在冲洗液入口速度一定的情况下，轴的转速越高，密封腔的压力也随之升高，轴径d=130时的密封腔压力值高于d=110时的压力值且上升速度较快。轴径分别为d=130和d=110时，轴速一定的条件下，密封腔平均压力随冲洗液入口速度不同的变化曲线，如图10所示。轴径d=130时的平均压力值高于轴径d=110时的平均压力值。

5、结论

　　密封腔冲洗口的位置越接近密封环，动环表面的流线层越紧密且向内部突出，流体更容易抵抗旋转部件的吸附力，冷却效果越明显。在冷却口位置及入口速度不变的条件下，密封腔平均压力随主轴转速的上升而逐渐升高，轴径越大，压力值越大且上升明显。因此，在研究动静环及其之间的油膜时，密封腔的压力变化情况不可忽视。