核主泵用流体动压型机械密封耦合模型与性能分析

　　以某型核主泵用流体动压型机械密封为对象，考虑密封环组件的接触和密封端面的流固耦合作用，建立了密封组件三维多场耦合模型，结合有限差分法和有限单元法，采用数值迭代技术进行了耦合场的计算。研究了高压下密封端面变形的特点和规律，分析了密封压力对密封性能的影响作用。结果表明：密封环端面产生径向收敛锥度和周向波度，高压侧密封深槽对密封端面周向波度的生成起重要作用，密封端面锥度的形成与密封环宏观结构密切相关。随密封压力的增大，密封端面收敛锥度和波度均增大，密封泄漏率增加，而端面摩擦系数减小。为在高压下形成较大的波度，建议将动压深槽加工在软质密封环端面上。

　　流体动压型机械密封是核电站主冷泵(简称核主泵)常用机械密封类型之一，也是高参数(高压、高速和高温)机械密封的研究重点，该类密封依靠密封端面上的毫米级深槽来改善端面间的润滑状况，保证了端面的非接触，但是其密封机理较为复杂。一般认为在介质压力和端面摩擦热的作用下，端面产生径向和周向变形，密封间隙在径向形成收敛或发散锥度，在周向形成周期性波度，径向锥度产生附加的流体静压作用，周向波度产生流体动压效应，在动静压协同作用下，两密封环端面在避免接触的同时实现了可控的泄漏量，这种机理也被称为热流体动力楔效应。

　　对于热流体动力楔效应的研究最早可以追溯到德国的Mayer博士，他首先提出了弧形槽密封结构，并在大量实验基础上对密封机理进行了定性描述，但未提出理论分析模型.Key等以核主泵为对象，建立了密封端面外缘开有矩形深槽的流体动压型机械密封数学模型，通过仿真分析证明了热流体动力楔理论的正确性。杨惠霞等综合考虑多种因素，提出了深槽机械密封的数值计算方法。于明彬等采用有限元法分析了圆弧槽几何结构参数对密封性能的影响，同时提出几何结构优选范围。王晓雪等针对动静压波度机械密封进行了研究，彭旭东和刘伟对核主泵用单、双锥端面机械密封进行了比较研究，对深槽密封周向波度和径向锥度的作用机理具有一定参考价值。文献中的三维力学模型及流固耦合求解方法对深槽密封的建模具有借鉴和指导意义，以上研究对象主要局限于密封环本身，而未考虑到密封组件结构对密封机理及密封性能的影响.相关静压型机械密封研究表明，密封组件间的力学(接触和摩擦)和热学作用对密封性能有重要影响。虽然Djamai等考虑密封环与环座间的接触作用，对流体动压型机械密封机理和性能进行了分析，但所用影响因子法在考虑接触下等非线性边界条件下的适用性有待商榷。文献分析了现役核电站中几种典型的动压型机械密封结构，结果表明密封结构对于机械密封寿命及密封性能均有重要影响。

　　为了进一步揭示流体动压型机械密封的密封机理，本文以某核电站主泵机械密封为对象，考虑组件间相互接触作用，基于弹性流体动力润滑理论，通过建立流体动压型机械密封动、静环组件三维流固耦合模型，研究并分析该型密封在不同工况下的变形规律，揭示流体动压型机械密封的弹流润滑和密封机理，为后续的机械密封结构优化奠定理论基础。

1、理论模型

　　1.1、几何模型

　　图1所示为某核电站核主泵用流体动压型机械密封单级结构示意图，该主泵密封由结构尺寸完全相同的三级密封串联组成，三级均分压力(密封介质总压力约9.9MPa，每级密封压差约3.3MPa)。由图1可知：动环背面与动环座接触，在弹簧及弹簧座的支撑下，固定于主轴轴套上，并随主轴一起转动；静环与静环座接触；静环座上开有平衡孔，以利用次级密封压力平衡前一级的部分压力从而避免静环在高压下产生不利变形。静环端面动压槽型式如图2(a)所示，内径处均布半圆形槽，外径处均布U形槽，两种槽型交替布置。

图1机械密封结构示意图

结论

　　a、采用数值迭代算法求解了核主泵用流体动压型机械密封三维多体耦合数学模型，动静环端面在密封介质和端面膜压作用下产生径向锥度和周向波度，在流体动压和静压效应下密封环维持在稳定的液膜厚度下，从而确保了密封的安全性和稳定性。

　　b、随密封压力的增大，核主泵三级串联密封的端面收敛锥度和波度均增大，密封泄漏率增加，而端面摩擦系数减小；沿压降方向，三级串联密封泄漏率和平均液膜厚度均逐级减小，而摩擦系数增大。

　　c、高压侧密封深槽对密封端面周向波度的生成起重要作用，密封端面锥度的形成与密封环宏观结构密切相关.为在高压下形成较大的波度，建议动压深槽加工在软质密封环端面上。