汽液混相机械密封相变半径及影响因素研究

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Study on Air.1iquid M ixture M echanical Seal Phase Transition Radiusand Its Influencing FactorsCai Jining Shi Jinxin Li Shuangxi Zhang Qiuxiang(College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)Abstract：The phase transition is easy to occur for the liquid membrane among mechanical seal rings with high parame-ters(high temperature and high speed)to become the vapor-liquid fluid film.Under such working condition，the mechani-cal seal may fail because of instability.In order to study the phase transition radius of mechanical seal ant the influencefactors，the axisymmetric model of stress-temperature field for mechanical seal was established with the finite element anal-ysis software.The change trend of face contact stress and temperature for seal ring along the radial was obtained with thesealing thermal-structure coupling calculation method，and the phase transition radius of seal ring face medium wasgot.The infl uence of seal medium temperature，pressure，spindle speed and seal load coefficient on the phase transitionradius was analyzed.The results show that the seal medium temperature and spindle speed are positively related to thephase transition radius，the seal medium pressure is negatively related to the phase transition radius，and the phase transi-tion radius changes with the seal load coefficient in parabola。

Keywords：mechanical seal；phase transition radius；therm al-structural coupling机械密封环间的液膜对密封稳定运转有着重要的作用。液膜可降低动、静环的摩擦因数，减少动、静环因相对运动产生的磨损和摩擦热，有效提高密封环的寿命。机械密封运转时，由于密封的工作参数、结构参数等因素，密封面温度升高，密封环间隙中的液体发生相变。尤其是高温高速机械密封，由于密封端面温度较高，所以易发生相变。

基金项目：十二五”国家科技支撑计划项目 (2011BAF09B05)；国家973项目 (20l2c踟2印0o)。

收稿日期：2012-10-10作者简介：蔡纪宁 (1955-)，女，副教授，主要从事压力容器、机械密封的研究、设计工作.E-mail：caijn###mail.bucL edu.el相变半径对机械密封的稳定性有着重要的影响。

机械密封环端面间的介质为全液相和全汽相时，密封工作最稳定；否则，密封工作不稳 。目前，关于机械密封相变半径的研究主要通过实验观察和相关经验公式计算。刘录 通过实验发现，工况变化瞬时，密封端面液膜失稳导致相变半径瞬时增大，发生闪蒸，机械密封发生开启失效。顾永泉 给出计算机械密封汽相体积比和流体膜压系数的公式，发现这两个参数可用作判断相态和相态稳定性的判据。根据这两个参数，发现被密封介质温度升高或主轴转速增大时，机械密封端面间介质易发生相变。Qiu等 通过使用质量守恒算法计算Floberg-Jakobsson-Olsson公式，2013年第6期 蔡纪宁等：汽液混相机械密封相变半径及影响因素研究 13研究圆形槽机械密封的相变并发现，当圆形槽尺寸在- 定范围内，其计算数值与试验得到数值接近。

本文作者利用有限元分析软件建立机械密封应力-温度场轴对称模型，通过热结构耦合计算，得到机械密封的相变半径。根据分析结果对影响相变半径的主要因素进行讨论并提出了改进措施，为提高机械密封的工作性能提供参考。

1 汽液混相机械密封相变半径的求解过程1.1 机械密封结构和参数以图1所示的机械密封为例进行计算。该密封为单端面平衡型内流式接触机械密封，设计压力为 1OMPa，密封工作参数如表 1所示。密封介质为甲醇，在353 K温度下其物理参数见表 1 is]。机械密封材料物理参数如表2所示。

1.弹簧盒组件 2.传动套 3，7.密封圈4.动环 5.静环 6.防转销 8.轴套图1 机械密封结构图Fig 1 Structu chart of mechanicM seM表 1 机械密封参数Table 1 PhysicM paramete of meehanieM seal机械密封工作参数 数值 密封介质物理参数 数值主轴转速2 0oD 密度 (ks·m ) 804.8 (r·min )摩擦因数f 0.1 动力黏度5.8(X10-Pa·s)比热容c/ 介质医九p，kPa 1 000 (J. .K-1) 2 420导热系数 A/ 介质温度 /K353 ， . 0.22(W ·m～ ·K )大气温度 /K 293表2 材料物理参数Table 2 PhysicM parameteof matefiMs1.2 相变半径计算方法通过热结构耦合方法，计算机械密封的相变半径，计算流程如图2所示。

计算步骤如下：(1)首先设定机械密封环间的密封介质初始状态为全液相，由下式计算密封端面初始流体膜压P[ ：PP (p。-P )1n(r/ri)/In(r。/ri) (1)式中：Pl和p。分别为密封内压和外压；r 和 rn分别为密封环内径和外径；r为密封端面任意点半径；f为摩擦因数；∞为动环旋转角速度，rad/s。

将P作为载荷边界条件对模型进行结构计算，得到密封环任意半径端面初始接触应力P (r)。由下式可得P (r)下密封端面热流密度q(r) ：g(r)f·P (r)·r·c， (2)式中：，为摩擦因数； 为动环旋转角速度，rad/s。

(2)将热流密度和对流换热系数作为热边界条件进行热计算，得到密封端面温度分布。由公式(3)得到动环与密封介质接触面的对流换热系数 ，由公式 (4)得到动环与大气接触面的对流换热系数 ]，由公式 (5)得到静环对流换热系数 。

1 0.135A ·[(0.5m：RP；)·Pr峨/D (3)20.21A·Ta ·尸r/(2S ) (4) 0.023A·81·Re。Pr0 /(2S。) (5)式中：A为流体导热系数；D为动环外径；Re。、Re 分别为反映介质的旋转搅拌影响、横向绕流影响的雷诺数；S 为密封环与轴之间的间隙； 为考虑搅拌热的修正系数。

由于机械密封动、静环为微凸体接触，其数值相对密封环径向尺寸很小，通常为0.5～1 m[1。。，所以认为动、静环端面以及环间的密封介质在相同半径处的温度相同。

14 润滑与密封 第 38卷(3)将密封端面间介质的压力温度曲线与饱和蒸汽压曲线比较。若介质曲线都在饱和蒸汽压曲线的液相区，则密封端面为全液膜，与初始假设相态相同，计算结束；若介质曲线都在汽相区，则密封端面为全汽膜，密封相变半径为密封环外径，根据公式(6)计算密封端面流体膜压；若介质曲线与饱和蒸汽压曲线相交，则通过两条曲线的交点可得到密封相变半径r ，根据公式 (1)和 (6)，计算密封端面流体膜压。

PP：/1-(1-p /p：)In(r/r )/In(ro/r ) (6)(4)根据密封端面流体膜压对机械密封进行结构计算，得到密封端面接触应力。根据公式 (2)，可由端面接触应力得到端面热流密度。对机械密封进行温度计算，得到密封温度分布。判断介质温度曲线与饱和蒸汽压曲线，得到相变半径r 。

判断相变半径的相对误差大小，若相对误差小于限定值，则认为相变半径r 为最终结果。若相对误差超过限定值，则使用 r 重新计算密封端面流体膜压，直到计算出的相变半径相对误差在限定值范围内。

图2 相变半径计算方法Fig 2 Calculation procedure of phase transition radius2 模型建立与求解2.1 建模与划分网格由于机械密封的几何形状、边界条件都具有轴对称性，所以选择机械密封轴向截面的1/2建立轴对称模型，如图3所示。从上而下依次为传动套、动环、静环。密封左侧与大气接触，为低压侧，压力为P ；右侧与密封腔接触，为高压侧，压力为P。。

采取自下向上的建模方式建立密封模型。根据优化计算设定网格间距为0.5 mm，整个模型共有3 278个网格，如图4所示。

套图3 机械密封模型Fig 3 Model of mechanical seal图4 机械密封网格图Fig 4 Meshing chart of mechanical seal2.2 边界条件确立根据图2的计算方法，对密封进行结构分析。在本算例中，结构计算边界条件主要有各边约束、接触面和载荷。温度计算边界条件为各边的对流换热系数 2013年第6期 蔡纪宁等：汽液混相机械密封相变半径及影响因素研究 15以及密封端面热流密度。根据式 (3)、(4)、(5)计算各边的对流换热系数a，计算结果如表3所示。

表3 对流换热系数Table 3 Convective heat.transfer coefficient采用本文的计算方法得到的结果，与文献 [11]中试验结果比较，误差小于5%，说明计算结果基本符合实际情况。 3 机械密封相变半径的影响因素3.1 密封介质压力对密封相变半径的影响相变半径随密封介质压力的变化关系如图5所示，当密封介质压力增大时，相变半径逐渐减小，即越不容易汽化。这是因为随着密封介质压力的减小 ，密封环端面接触应力逐渐减小，密封环温升校但由于密封介质压力降低，密封环间介质易汽化，所以，当密封结构参数和其他工作参数相同时，密封介质压力减小 ，密封环间介质易汽化。图6(a) 中密封介质压力最大，图6(c)中密封介质压力最小，故当密封介质压力减小时，密封环间介质从全液相变为汽液混相，进而为全汽相。

薰 鎏PfP图5 不同压力下的相变半径Fig 5 Phase transition radi under diferent pressures(a)全液相 (b)汽液混相 (c)全汽相图6 不同压力下的端面接触应力Fig 6 Transverse pressures under diferent pressures从图6中还可以看出密封环端面接触应力从内径向外径处逐渐增大，在外径处最大，产生的摩擦热多，端面间流体易发生相变。通过冲洗等冷却措施可降低接触面的温度 。由计算可知，当主轴转速为2 000 r/min时，本例中的机械密封适宜压力为1 MPa以上，在此压力范围内密封环端面间介质为全液膜。

若机械密封相变半径较大时，可减小主轴转速，或增大密封介质的压力。

3.2 密封介质温度对密封相变半径的影响相变半径随密封介质温度的变化关系如图7所示，可见，相变半径与介质温度为正相关，随着介质温度的升高，密封环的温度相应升高，密封环间的介质温度也相应升高，相变半径逐渐增大，即易发生汽化。图8(a)中密封介质温度最低，图8(C)中密封介质温度最高，故当密封介质温度升高时，密封环间介质从全液相变为汽液混相，进而为全汽相。

16 润滑与密封 第 38卷1.O。·0，6、 ：0·40.20.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0只伊 图7 不同温度下的相变半径Fig 7 Phase transition radi under diferent temperatures(a)全液相 (b)汽液混相 (c)全汽相图8 不同温度下的温度云图Fig 8 Temperature distribution under diferent temperatures从图8中还可看出密封环接触面的温度最高，外径侧密封的温度明显要高于内径侧密封的温度。通过急冷措施可降低内径侧密封的温度，以保证密封有效安全地运转。根据计算，当主轴转速为2 000 r/min时，本例中的机械密封适宜在353 K温度下工作，在此温度范围内密封端面间为全液膜。

由图5和图7可知，随着密封主轴转速的增加，相变半径逐渐增大。当机械密封相变半径较大时，可以降低主轴转速，保证机械密封稳定运转。

3.3 密封载荷 系数对密封相变半径的影响相变半径随密封的载荷系数的变化关系如图9所示，可以看出，相变半径随载荷系数呈抛物线变化，最低点在载荷系数0.62处，即在该点相变半径最小，说明在该点处密封端面介质最接近液相，密封工作最稳定。在其他区域相变半径大，且在最低点右侧，相变半径随着载荷系数增大快速变大。本例中机械密封合适的载荷系数范围为0.5～0.75。

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0图9 不同载荷系数下的相变半径Fig 9 Phase transiton radii under diferent loading coeficients4 结论(1)提出-种热结构耦合计算方法，可准确计算汽液混相机械密封的相变半径。

(2)相变半径随介质压力减孝介质温度的升高以及主轴转速的增大而增大，密封端面介质从液相逐渐变为汽相。

(3)相变半径随机械密封载荷系数呈抛物线改变。最低点处相变半径最小，工作最稳定。其他区域相变半径变大，密封端面介质汽化增强，密封工作趋于不稳定。