槽腔耦合端面液體機(jī)械密封內(nèi)流場(chǎng)及性能研究.pdf

1、機(jī)械密封在流體機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械等機(jī)械設(shè)備或系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，機(jī)械密封的摩擦副端面是主要密封端面，是決定其密封性能、摩擦性能和工作壽命的關(guān)鍵。為了改善機(jī)械密封端面的密封潤(rùn)滑狀況，人們?cè)诿芊舛嗣婕庸じ鞣N形狀的幾何形貌，以產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)和泵送效應(yīng)，以期實(shí)現(xiàn)零泄漏、非接觸目的。對(duì)于端面造型液體機(jī)械密封內(nèi)流場(chǎng)特性及密封潤(rùn)滑機(jī)理的研究已成為當(dāng)前機(jī)械密封研究的熱點(diǎn)和方向之一。
　　 本文以本課題組提出的槽腔耦合造型端面液體機(jī)械密封為研究對(duì)象，從

2、摩擦潤(rùn)滑理論和粘性流體力學(xué)角度分析其內(nèi)部流動(dòng)及其與密封、潤(rùn)滑性能的關(guān)系。首先通過Pro/E和Gambit建立端面螺旋槽與微凹腔組合造型的幾何模型，根據(jù)端面堪區(qū)微凹腔不同的分布位置提出了三種不同槽腔耦合方案，利用Fluent分別對(duì)三種方案端面內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和對(duì)比分析，獲得較合理的端面槽、腔位置匹配關(guān)系。研究表明，槽腔耦合造型密封端面螺旋槽產(chǎn)生的泵送效應(yīng)能夠有效抵抗由密封介質(zhì)所產(chǎn)生的壓差效應(yīng)，減少或消除端面介質(zhì)泄漏，同時(shí)微凹腔區(qū)域產(chǎn)生

3、明顯的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，并與螺旋槽產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)相互疊加、耦合，形成了以周向流動(dòng)為主的動(dòng)態(tài)流體膜，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)靜環(huán)摩擦副的非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)，減少端面摩擦副的磨損。對(duì)泵送效應(yīng)、動(dòng)壓效應(yīng)和端面摩擦磨損的綜合分析表明，微凹腔分布在密封環(huán)內(nèi)徑側(cè)堰區(qū)的槽腔耦合造型端面機(jī)械密封性能最佳。
　　 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)三種槽腔耦合方案和激光加工微凹腔端面機(jī)械密封進(jìn)行了性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，激光加工微凹腔機(jī)械密封端面潤(rùn)滑性能優(yōu)越，但泄漏量較大；與其它方案相

4、比，微凹腔分布在密封環(huán)內(nèi)徑側(cè)的槽腔耦合造型機(jī)械密封具有較好的端面密封性能，能有效降低端面摩擦磨損，更適用于高壓、高速的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。
　　 結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)微凹腔分布在密封環(huán)內(nèi)徑側(cè)的槽腔耦合幾何參數(shù)匹配關(guān)系進(jìn)行初步探索，通過端面微凹腔和螺旋槽幾何參數(shù)對(duì)性能影響的研究，獲得本文研究的工況參數(shù)下微凹腔幾何參數(shù)適宜的取值范圍為0.5≤σ≤0.8和0.5≤δ≤0.7，螺旋槽幾何參數(shù)適宜的取值范圍為16°