抛物线型流体静压型机械端面密封数值分析

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抛物线型流体静压型机械端面密封数值分析方艳峰(杭州应用声学研究所 ，浙江杭州 310012)摘 要： 以小型水下航行器艉轴用机械密封为研究对象，提出了抛物线型流体静压型机械端面密封(PHS-MS)二维轴对称模型；兼顾流体粘度随压力和温度的变化，采用有限差分法对Reynolds方程、能量方程、热传导方程及其他控制方程组成的耦合数学模型进行了数值计算；在相同的几何与环境参数下，通过PHS.MS与传统锥形(锥角 )流体静压型机械端面密封(CHS.MS)密封性能对比，表明在同等开启力下，PHS.MS泄漏量更小，提高了小型水下航行器运行的安全性及航程；研究了几何参数对 PHS-MS密封性能的影响规律 ，获得了最优几何参数。

关键词： 水下航行器；流体静压型机械密封；密封性能；有限差分法中图分类号： TH136 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.04.006Analysis of a Hydrostatic Mechanical Seal with Parabolic FaceFANG Yan-feng(Hangzhou Applied Acoustics Research Institute，Hangzhou 3 10012，China)Abstract： As mechanical seal used in the tai1 shaft of small underwater vehicle for studying.a two.dimensional axisymmetriemodel was presented for a hydrostatic mechanical seal(PHS-MS)with parabola face；Considering the efects of sealed fluid viscos-ity varying with temperature and pressure，finite diference method was used to obtain the joint solution for the Reynolds equation，energy equation，thermal conduction equation and other equations；Sealing perform ance parameters was compared between PHS-MS and hydrostatic mechanical seal within convergent face(CHS-MS)at sa/ne geometry and environmental parameters，the resultsshow that the leakage is smaler than CHS-MS，and it makes underwater vehicle much safer；The effect of surface structure param-eters on the perform ance of PHS-MS was studied，and the optimal parameters were obtained。

Key words： underwater vehicle；hydrostatic mechanical seal；sealing perform ance；finite diference method1 前言小型水下航行器采用螺旋桨推进，其动力输出轴与航行器艉轴的密封可靠性对其安全稳定运行具有重要的作用，其密封环境恶劣，工况特殊。

若采用简单成型密封件(O型圈等)，其与轴摩擦时的发热量大、功耗高、磨损严重，密封可靠性和寿命均较低，致使航行器航程缩短，无法达到规定要求。而机械端面密封具有摩擦生热孝功耗低及磨损少的优点，可以显著提高密封可靠性及航行器的航程。

流体静压型机械密封(HS-MS)是非接触式机械密封，通常采用在端面开有沿泄漏方向收敛锥收稿日期： 2013-01-20度的结构形成-层具有-定承载能力的液膜，其典型特点是卸压能力大、运行可靠、寿命长。国内外学者针对机械端面密封机理进行了研究，并取得了较多成果-3]。Etsion等对倾斜机械密封环端面的热耗散进行了流体动力学分析研究，得到了密封环周向、径向及密封液膜的温度变化 J。

Erwan等建立了HS-MS热弹流体动压模型，分析了热力变形及辅助密封 0型圈对密封性能的影响 。彭旭东提出了适用于多种工况下，端面温度的计算方法6 ；并针对单锥度和双锥度端面流体静压型机械密封，提出了二维和三维稳态传热物理模型，系统研究了热弹变形对密封性能的影响 圳]。

2013年第 41卷第4期 流 体 机 械 27本文提出了抛物线型流体静压型机械端面密封(PHS-MS)二维轴对称模型，对 PHS-MS与传统锥面流体静压型机械端面密封(CHS-MS)密封性能进行了比较，发现 PHS.MS有更好的密封性能。

此外，研究了几何参数对 PHS.MS密封性能的影响规律，获得了最优几何参数。

2 模型建立2.1 几何模型PHS-MS是指端面带有微米级径向抛物线型收敛的机械密封，其结构如图 1。端面物理模型由动环、静环以及动静环之间的液膜组成，其结构如图2所示。

尾////-/////////，图1 机械密封结构示意l 尸 液膜 /.n //-R /l1 Rl二 -图 2 几何模型其中静环端面径向收敛线型为抛物线，液膜沿径向膜厚 h：h ：hi (Ri≤ r≤ Rm)f 1)h 后(r-R。) (R ≤ r≤ R。)式中 i--密封坝处液膜厚度r- 密封环任意处半径尺；--密封端面内径R --密封端面外径R --密封坝外径Ij--抛物线系数2.2 数学模型Reynolds方程、能量方程、热传导方程及其他控制方程组成的耦合数学模型详见