串联式机械密封温度场研究

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中图分类号： TH117.2 文献标识码 ： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2012.11.007Study on Temperature Field of Tandem Arrangement Mechanical SealWANG Huai-wei，HAO Mu-ming(China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)Abstract： The temperature fields of seal chamber，shaft and seal components and seal oil were computed with ANSYS andFLUENT.Heat convection，heat conduction，frictional heating and viscous heating were considered during the study.The influ-ence law of cooling effectiveness by flow rate of seal oil at a fixed temperature was got.The result can give US a useful guidancefor the design and use of high temperature pump use tandem arrangement mechanical sea1。

Key words： mechanical seal；tandem arrangement；temperature field1 前言串联式机械密封轴向设有两套密封组件，可以利用密封组件问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人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-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厨行计算研究。

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。

内侧密封组件 外侧密封组件图 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：-方面为主密封提供缓冲或阻塞流体，另-方面对密封组件进收稿日期： 2012-03-20 修稿日期： 2012-08-06基金项目： 青岛经济技术开发区重点科技发展计划项目(2010-2-45)30 FLUID MACHINERY Vo1.40，No.11，2012行冲洗和冷却。

本文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 固体材料导热系数材料名称 导热系数[W/(m·K)]浸锑石墨 16YG6 802Crl3 15铸铁 47表 2 重柴油物理性质参数 数值温度(K) 373密度p(kg/m ) 8.40 X10动力粘度 kg/(m·S)] 1.72×10导热系数A[w/(m·K)] 1.20×10-比热 [J/(kgK)] 2.10 X 103 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-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：QFqAqPQsQ1Q2P3 (1)式中 Q --摩擦副动、静环端面摩擦热Q --密封组件旋转引起的流体介质粘性剪切热Q --高温工艺介质传人系统的热量Q --封油带入系统的热量Q --密封腔外表面与与大气对流传热带走的热量q：--通过转轴带出系统的热量Q --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(文中简称固壁温度潮)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。

图2 固壁模型不意划分网格时采用 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，封油人口部位采用四面体网格划分，网格总数为 130万。

图3 封油模型不意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问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 J：Nu：C( r) (2)式中 c、n--系数- - 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问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 ：2012年第4O卷第 11期 流 体 机 械 3l o.135[(0.5Re )Pr (3)其中 Re D2 ，Re ：VD，/v式中 --反映介质旋转搅拌效应的雷诺数尺e --反映介质的横向绕流的雷诺数D --外径，m- - 轴的角速度 ，rad/s周围介质的轴向平均流速，m/s- - 流体的运动粘度，m /s此外，考虑到波纹管的表面结构的影响，在计算波纹管表面对流传热系数时应将上述计算或取值结果乘以系数 ，本文中 5。

4.2.2 端面摩擦热密封端面摩擦热计算式口 ：HT N/9548 (4)其中 TrP AiD /2000式中 --工作扭矩Ⅳ--转速，r/minP 。 --密封端面接触比压，MPaA--密封端面面积，mm产 摩擦系数D --密封端面平均直径，mm4.3 封油流动状态的判定采用泰勒准数 来判断腔内流体的流动状态 。

泰勒准数计算式：Ta (5) l- " u，式中 卵--内外半径之比d--腔内间隙宽度，m- 内圆柱角速度，rad/s文献[7]研究表明：临界泰勒准数为 Ta 2279。只有当泰勒准数大于 1000Ta 时，湍流才会产生。

本文将计算区域分为主密封段与副密封段 2个部分，分别对 进行计算。

(1)主密封段：Tal245725<1000Ta(2)副密封段：Ta2314374<1000Ta。

5 计算结果5.1 固壁温度场由于封油温度场未知，在计算固壁温度场时将与封油接触壁面设为绝热边界，以期求得高温工艺介质、大气、急冷水以及外侧密封端面摩擦热对固壁温度场的影响，进而为封油温度场的计算确定近似边界温度。固壁温度称算结果如图4所示。

图 4 固壁温度场5.2 封油温度惩流场将边界温度施加到封油模型中，开启能量方程，选择层流模型，考虑流体粘性剪切生热，使用SIMPLEC算法求解控制方程，动量方程和能量方程均采用二阶迎风离散格式。封油循环量为600L/h时封油温度场如图5所示。

图5 z0平面上封油温度场图5显示出在对流传热、热传导、端面摩擦热和介质粘生剪切热的共同作用下，密封组件间隙内的封油温度分布呈现内侧高、外侧低的状态。封油循环量对不同部位封油温升的影响如图6所示，不同封油循环量下封油带走热量的曲线如图7所示。

2赠粤 她封油循环量 (L/h)图6 封油循环量对不同部位封油温升的影响2 2 2 2 ； 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 C 0 P P7 5 4 3 0 8 7 6 4 3 8 6 4 2 0 8 5 3 9 7 - -越 登 32 FLUID MACHINERY Vo1.40，No.11，2012-4·0皇篱3.5萎3.0400 650 900封油循环量 (L/h)图7 不同封油循环量下封油带走热量的曲线由图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♂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- 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。