（动力工程及工程热物理专业论文）炼化装置高温油泵新型密封系统研究.pdf

摘要 本文简要介绍了炼化装置高温泵用机械密封的应用现状，并对目的广泛应用的波纹 管接触式高温泵用机械密封及其辅助系统存在的问题进行了深入分析。为了对将串联式 密封结构应用于高温泵用机械密封的可行性进行研究，本文对串联接触式高温泵用机械 密封的温度场以及封油的流场进行了计算。通过计算，得到了包含密封腔体、密封组件、 转轴的固壁温度场以及封油的流场和温度场，绘制了反映一定压力和温度下封油循环量 对封油冲沈冷却效果影响规律的曲线。通过对计算结果的分析，提出了将流体动压液膜 密封应用于串联式高温泵用机械密封的设想。对串联式流体动压液膜密封的温度场以及 封油流场进行了计算，并将计算结果与串联接触式高温泵用机械密封的计算结果进行了 对比分析。分析结果表明，串联式流体动压液膜密封对高温介质工况具有良好的适用性， 能够提高密封的安全性和可靠性，具有广阔的应用前景。此外，本文针对串联液膜式高 温泵用机械密封以及炼化装置高温泵群的特点，对串联液膜式高温泵用机械密封泵群辅 助系统进行了总体方案设计。 关键词：机械密封，高温，液膜密封，辅助系统 s t u d yo nn e wt y p e o fh i g ht e m p e r a t u r ep u m ps e a ls y s t e mu s e di n p e t r o c h e m i c a le q u i p m e n t w a n gh u a i w e i ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f h a om u m i n g a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fh i g ht e m p e r a t u r ep u m ps e a lu s e di np e t r o - c h e m i c a le q u i p m e n t w a si n t e r p r e t e di nt h i st h e s i s t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fm e t a lb e l l o wc o n t a c t e ds e a lu s e di n h i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sw e r ed e e p l ya n a l y z e d i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yo f u s i n gt a n d e ma r r a n g e m e n ts e a li nh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，t h et e m p e r a t u r ea n df l u i d f i e l d so ft a n d e ma r r a n g e m e n tc o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a lw e r ec a l c u l a t e d t h et e m p e r a t u r e f i e l do ft h es o l i dw a l lw h i c hc o n t a i n ss e a lc h a m b e r ，s e a lc o m p o n e n t sa n ds h a f ta n dt h ef l u i d a n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fs e a lo i lw e r eg o tb yc a u c u l a t i o n t h ei n f l u e n c el a wo fc o o l i n g e f f e c t i v e n e s sb yf l o wr a t eo fs e a lo i la taf i x e dt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ew a ss h o w e di nc u r v e s t h et e n t a t i v ei d e ao fa p p l y i n gt h eh y d r o d y n a m i cl i q u i df i l ms e a li nt a n d e ma r r a n g e m e n ts e a l u s e di nh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sw a sp u tf o r w a r dt h r o u g ht h ea n a l y s i s t h et e m p e r a t u r e a n df l u i df i e l d so ft a n d e ma r r a n g e m e n th y d r o d y n a m i cl i q u i df i l mm e c h a n i c a ls e a lw e r e c a l c u l a t e d ，a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft a n d e ma r r a n g e m e n tc o n t a c t i n g m e c h a n i c a ls e a l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt a n d e ma r r a n g e m e n th y d r o d y n a m i cl i q u i df i l m m e c h a n i c a ls e a lh a sb e t t e ra p p l i c a b i l i t yi nh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，a n dc a ni m p r o v et h e s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fs e a l s ，a n dh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i na d d i t i o n s ，t h eo v e r a l l p l a no fp u m pg r o u ps e a la u x i l i a r ys y s t e mf o rt a n d e ma r r a n g e m e n th y d r o d y n a m i cl i q u i df i l m m e c h a n i c a ls e a lw a s d e s i g n e d i nt h eli g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i co fp u m pg r o u pi n p e t r o - c h e m i c a le q u i p m e n t k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，h i g ht e m p e r a t u r e ，l i q u i df i l ms e a l ，a u x i l i a r ys y s t e m 1 1 主要符号表 密封端面面积( m m 2 ) 密封坝区的面积( m 2 ) 螺旋槽区的面积( m 2 ) 平衡比 比热( j k g 。k ) 平衡直径( m m ) 密封端面内径( m m ) 密封端面平均直径( m m ) 密封端面外径( m m ) 摩擦系数 格拉晓夫数 膜厚( m ) 螺旋槽的槽深( m ) 反压系数 转速( r p m ) 密封坝区的摩擦功耗( w ) 螺旋槽区的摩擦功耗( w ) 普朗特常数 弹簧比压( m p a ) 密封端面接触比压( m p a ) 压差( m p a ) 密封腔外表面与与大气对流传热带走的热量( j ) 通过转轴带出系统的热量( j ) 通过冲洗流体的循环带走的热量( j ) 密封组件旋转引起的流体介质粘性剪切热( j ) 摩擦副动、静环端面摩擦热( j ) 彳 钿如b g 眈历队 风厂研 魄k 盹阶 岛 凹 绕c 5 3 9 纵绋 高温工艺介质传入系统的热量( j ) 冲洗流体带入系统的热量( j ) 重柴油循环量( l h ) 端面泵送量( 阶) 密封环槽底半径( r a m ) 密封环内径( m m ) 密封环外径( m m ) 温度( k ) 封油出口部位重柴油温升( k ) 主密封部位重柴油温升( k ) 泰勒准数 周围介质的轴向平均流速( m s ) 密封坝区的平均线速度( m s ) 螺旋槽区的平均线速度( m s ) 对流传热系数( w m 2 k ) 台槽比 同一半径处，槽宽占一组槽台宽的比率 导热系数( w m k ) 动力粘度( k g m 。s ) 运动粘度( m 2 s ) 密度( k g m 3 ) 轴的角速度( r a d s ) ； 7 7 g 9 热 g 和 飞 n 丁 么 厶 璺 y 虼 珞 盯 r r y p 甜 中围石油大学( 华东) 硕i ：学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 随着炼油化工工业的迅速发展，生产过程的工况条件不断提高，对高温泵用机械 密封技术的要求越来越高。目前，炼化企业存在大量温度为2 0 0 - - - 4 0 0 的高温油泵，由 于介质温度高，一旦外泄极易引发装置区火灾，如果处理不及时可能会引发极为重大的 安全事故。可见，炼化企业对高温油泵机械密封的密封性和可靠性的要求非常严格。 目前，国内外炼化企业普遍采用的高温油泵机械密封为单端面波纹管接触式机械密 封。从现场调研情况来看，该种型式的机械密封在介质温度较高时普遍存在着失效频繁、 运行费用高等问题，已经成为部分高温生产装置的严重的事故隐患。 如今在炼化企业高温油泵上普遍应用的的接触式波纹管单端面机械密封及其辅助 系统存在的主要问题有： ( 1 ) 在高温油泵的运行过程中，变工况操作时有发生，普通接触式机械密封抗变 工况能力较差； ( 2 ) 端面温度过高，摩擦副容易因变形、热裂等原因失效： ( 3 ) 运行费用高、能耗量大； ( 4 ) 急冷水易在波纹管部位结垢，使波纹管失去弹性从而造成密封失效。 以国内某炼化企业为例，该企业高酸原油脱酸装置共1 5 处工位使用高温油泵，介质 温度2 0 0 - 4 0 0 c 。这1 5 处工位共2 5 台高温油泵均采用接触式波纹管单端而机械密封。装 置运行期间密封系统消耗大量冷却水，运行费用高，能耗大，冷却效果不明显，密封失 效频繁，维修率及维修成本很高。例如，据现场工程技术人员反映，该装置某台热油泵 5 4 月内已更换机械密封多达1 7 套，耗费了大量的人力和财力。此外，由于高温热油的 泄漏极易引起火灾等安全事故的发生，该热油泵群机械密封出现的问题已经严重影响到 了生产的正常进行，对装置的安全运行造成了巨大隐患。因此，对该泵群密封进行改造 刻不容缓。 第一章引苦 1 2 研究意义 近年束，多家炼油化工企业发生了由于高温油泵机械密封失效导致的安全事故，给 企业造成了重大损失，对社会公共安全产生了严重的不良影响。目前各大炼油化工企业 技术人员均在寻求一种能够保障高温油泵运行安全的机泵密封形式，以期实现安全、节 能、环保的生产理念。 本文的研究顺应了炼油化工生产企业的需求，通过广泛调研和深入分析，针对目前 炼化企业高温油泵机械密封存在的主要问题，对高温泵用机械密封进行结构和形式上的 改进，并对改进后的密封进行研究分析。分析结果能够指导新型高温泵用机械密封的研 发设计，以提高装置安全性，增大设备运转周期，为企业和社会创造良好的经济以及社 会效益。 1 3 研究方法及技术路线 本文采用理论分析、数值计算与实验研究相结合的方法对新型高温泵用机械密封进 行研究分析。 本文第二章对当前国内外高温泵用机械密封的使用情况进行了大量的文献查阅以 及现场实地调研，较为深入地分析了目前普遍应用的高温泵用机械密封在理论以及结构 形式上存在的具体问题，为高温泵用机械密封的改进找到了具体的切入点。 在第三章、第四章中，本文针对前文提出的现有接触式高温泵用机械密封结构上的 不足之处进行了尝试性的改进，并对改进效果进行了数值计算分析，分析结果表明该改 进措施虽然在一定程度上克服了原有的一些问题，但仍存在不足之处和安全隐患，仍需 进一步改进。 在第五章第七章中，本文对前文改进后的密封进行了理论上的分析，指出了其中 不足之处，并采用密封领域最为先进的流体动压理论对其进行了进一步的改进，提出了 高温泵用串联液膜非接触式机械密封，并对其应用效果进行了数值计算分析，将分析结 果与前文所述密封进行了对比分析，指出了该种密封所具有的优越性。 在第八章中，本文根据实地考察了解到的炼油化工企业在为泵群配备密封系统的具 体困难与实际需要的基础之上，为新型密封系统设计了一套适合于高温泵群的密封辅助 系统，旨在进一步提高新型密封系统的安全性与节能效果。 本文技术路线见图1 1 。 2 中固l i 油人学( o # 东) 硕1 ：学位论文 图1 1 技术路线图 f i g 1 - 1 t e h n o l o g yr o a d m a p 3 第：章文献综述 2 1 机械密封概述 第二章文献综述 2 1 1 机械密封的结构及工作原理 机械密封依靠弹性元件( 弹簧或波纹管) 对动、静环端面的预紧力和介质压力对端面 的压紧作用而达到密封流体的目的。构成机械密封的基本元件主要有端而密封副、弹性 元件、辅助密封、传动件、防转件和紧固件等。一种典型的机械密封结构如图2 1 所示。 图2 - 1 一种典型的机械密封结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fat y p i c a lm e c h a n i c a ls e a l 动、静环是机械密封最关键的组成部分之一。动环安装在动环座上，通过传动销与 动环座周向固定，动环座通过紧定螺钉与转轴周向固定，使动环可以随轴转动。静环通 过防转销周向固定在压盖上。机械密封运转过程中，动、静坏表面相对滑动，阻止被密 封流体从端面间隙泄漏( 图1 所示泄漏点i i i ) 。其余三个泄漏点使用0 形圈或挚片密封。 弹性元件提供端面闭合力并补偿密封端面的轴向磨损。弹性元件也可以安装在静环 侧。 按机械密封运转时两端而是否相互接触，机械密封可分为接触式机械密封 ( c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l ) 和非接触式机械密封( n o n c o n t a c t i n g m e c h a n i c a ls e a l ) 两 种。 4 中困油人学( 华东) 硕l ：学化论文 2 1 2 接触式机械密封 接触式机械密封在正常运转时摩擦副表面微凸体相互接触，密封间隙约为0 5 2 9 m ，摩擦副大都处于混合摩擦状态，也有边界摩擦和干摩擦【。根据具体使用工况以 及现场要求的不同，接触式机械密封也可以布置为串联式或双端面等多种形式。 目前，接触式机械密封广泛应用在国内外旋转式机泵上。由于密封动、静环端面存 在直接的接触，容易引起端面温升过高以及过度磨损等不良后果，从而造成密封早期失 效。尤其是在工作条件较为恶劣的情况下，如密封高温、高压、高速、高腐蚀性、易气 化介质时接触式机械密封的可靠性和稳定性会大幅降低，失效概率明显增大。【2 】 2 1 3 非接触式机械密封 非接触式机械密封按密封原理可分为流体静压型机械密封、流体动压型机械密封和 流体动静压混合型机械密封。 2 1 3 1 流体静压型机械密封 流体静压型机械密封是将压力足以平衡端面闭合力的封液或被密封介质引入密封 端面问，使之形成对密封端面具有充分润滑和冷却作用的静压流体膜。1 2 1 流体静压型机械密封要求输入介质压力得当，控制复杂，应用较少。 流体静压式机械密封的集中主要结构形式如图2 2 所示。1 1 】 a 白加压凹槽式 5 b 白加压台阶式 第一二章文献综述 c 自加压锥面式d 夕 加压凹槽式 图2 2 流体静压型机械密封主要结构形式 f i g 2 - 2m a i ns t r u e t u r e so fh y d r o s t a t i cm e c h a n i c a ls e a l 图a 自加压凹槽式是在静坏外周开若干个孔并与端面丌出的环形槽相通。它的端面 流体膜刚度大，工作性能稳定，但须防止小孔堵塞； 图b 自加压台阶式是在一个端面加工成台阶形。它的端面流体膜刚度小一些，端面 研磨加工较困难； 图c 自加压锥面式的一个端面为收敛形锥面，其液膜刚度比( a ) 式、( b ) 式都低， 流体静压力沿半径呈抛物线分布； 三者都是靠介质本身的压力在端面形成静压流体膜，其流体膜厚度随介质压力波动 而变化； 图d 外加压凹槽式与自加压凹槽式相似，不同的是由外部引入封液进入端面环形槽， 建立端而静压流体膜。 2 1 3 2 流体动压型机械密封 流体动压型机械密封端面丌设有流体动压槽。当密封工作时润滑流体在密封端面动 压槽产生的流体动压效应作用下进入端面之间，在端而间建立起一层流体膜，实现密封 的非接触运转。【i 】 流体动压型机械密封的几种主要端面结构如图2 3 所示。【1 1 6 中国石油人学( 华东) 硕l j 学位论文 a 带偏心结构的密封环 b 带有椭圆密封圈结构 c 带有径向槽结构 d 带有循环槽结构( 受外压作用时) e 带有循环槽结构( 受内压作刚时)f 带有循环槽结构 图2 - 3 流体动压型机械密封主要端面结构 f i g 2 - 3m a i ns t r u c t u r e so fh y d r o d y n a m i cm e c h a n i c a ls e a l 图a 带偏心结构的密封环是将动环或静环中某一个环的端面的中心线做成与轴线偏 移一定距离p ( 无论是动环或静环，偏心是对两环中较窄的端面宽度即有凸台的环而言) ， 使坏在旋转时不断带入润滑液至滑动面问起润滑作用。缺点是尺寸比较大，作用在密封 环上的载荷不对称； 图b 带椭圆形密封环的密封是将动环或静环中某一个环的端面制成椭圆形，由于润 滑楔和切向流的作用，能在密封端面之间形成一个流体动力液膜。液体的循环和冷却能 7 第- 二帝文献综述 十分有效地维持润滑楔的存在和稳定性； 图c 带有径向槽结构密封环的径向槽形状有呈4 5 度斜面的矩形、三角形或其他形 状，密封端面之i h j 的流体膜压力由流体本身产生。径向槽结构在端面之间形成润滑和压 力楔，能有效地减少摩擦面的接触压力、摩擦因数和摩擦剐的温度，因而可以提高密封 使用压力，速度极限和冷却效应。缺点是端面问流体的循环量偏小，密封端面槽区边缘 无法及时进行冷却。此外，流体中携带的颗粒物质容易进入密封端面间隙中； 图d 、e 为弧形循环槽，该种槽型带有循环槽结构。这种端面槽型可以对端面流体 产生良好的抽吸作用，及时冷却摩擦副端面。此外，该槽型在密封运转时能够双向旋转， 能够防止误操作引起的密封损坏； 图f 带有螺旋槽结构适合于单向旋转，流体膜刚度大，端面间隙大，温升小，但不 适合双向旋转。 目前应用较为广泛的流体动压型机械密封主要是干气密封和上游泵送密封。 2 1 3 3 流体动静压混合型机械密封 在流体动压型机械密封端面适当位置处开设流体静压注入孔即形成了流体动静压 混合机械密封。该种型式的机械密封密封结合了流体动压型机械密封和流体静压型机械 密封的优点，弥补了流体动压型机械密封在低转速时适应性差的缺点。 2 1 4 高温介质泵用机械密封 2 1 4 1 高温介质泵用机械密封简介 ( 1 ) 高温介质泵用机械密封型式 目前，接触式波纹管单端面机械密封是炼油行业中高温介质泵用密封的普遍选择。 一种应用最为普遍的密封结构如图2 4 所示。 8 中国石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 图2 - 4 热油泵用波纹管机械密封 f i g 2 - 4 m e c h a n i c a ls e a lu s e di nh i g ht e m p e r a t u r ep u m p 由丁被密封介质的温度很高，在很多场合会超过机械密封组件的承受极限，所以密 封运行时必进行冲洗、冷却，以防止因结焦、热裂、波纹管损坏等导致的密封失效现象 的发生，确保密封运转过程中的安全性。 ( 2 ) 辅助系统方案 针对运行于高温介质工况下的接触式单端而波纹管机械密封，绝大多数生产现场采 用a p l 6 8 2 巾的p l a n 2 1 方案( 图2 5 ) 和p l a n 3 2 方案( 图2 - 6 ) 来对密封组什进行冷 却和冲洗。1 3 1 节漉孔板放窒( 常用) 换曩 l 器 图2 - 5a p l 6 8 2p l a n 2 1 方案 f i g 2 - 5 a p l 6 8 2p l a n 2 1 p l a n 2 1 为自冲洗加静环背面急冷方案。从泵的出口部位引出压力较高的高温热油， 9 第二章文献综述 经冷却器降温后注入密封腔，对密封件进行冷却降温，该过程称为自冲洗。在必要时还 应对静环背面注入冷却水对其进行急冷降温，同时把泄漏物及时排除以避免在密封部位 积聚。该方案适用于输送介质比较洁净的高温热油泵。 ( 书开) 外部冲洗渡体拇 图2 - 6a p l 6 8 2p l a n 3 2 方案 f i g 2 6 a p l 6 8 2p l a n 3 2 方案3 2 是外冲沈加静环背面急冷方案。通过管线把外界与泵送介质相容的低温洁 净冷却油注入密封腔内，对密封件进行冷却降温，并及时排除介质中的固体颗粒避免其 进入密封端面或在密封附近集聚而产生磨粒磨损。该过程称为外冲洗。在必要时还应对 静环背面注入冷却水对其进行急冷降温，同时把泄漏物及时排除以避免在密封部位积 聚。 采用该方案时外部供液压力应高于密封腔压力。在被密封介质含有杂质颗粒时，应 在密封腔靠近叶轮的一侧设置辅助密封装置。 2 1 4 2 高温介质泵用机械密封存在的主要问题 现有的接触式波纹管单端面机械密封及其辅助系统存在以下几方面问题： ( 1 ) 变工况情况下容易失效。在密封的运转过程中会经常出现工况条件的波动， 这些波动可能由于泵抽空、设备误操作以及人为的工况参数调节等原因导致。压力、温 度等参数的突变会使密封端面产生撞击、磨损等不良后果，积累到一定程度后会引起密 封端面的早期失效，造成被密封介质的突发大量泄漏。 1 0 艄霪滟一 一 拽、祧 中冈石油人学( 芦东) 坝l ? 学位论文 ( 2 ) 端面温度过高，密封极易失效。过高的端面温度会引起端面间存在的液膜汽 化，引起密封摩擦副之问的干摩擦，短期内即可造成密封端面的磨损和泄漏。同时，由 于温度差引起的密封环变形也会对密封端面运转的动态特性造成不良影响，加剧端面的 磨损。 ( 3 ) 密封运行费用以及能耗巨大。由于原机械密封需要频繁维修、更换，耗费了 大量人力与财力，装置运行成本大大增加。与此同时，急冷水的消耗量办相当可观。 ( 4 ) 为了在一定程度上降低波纹管及摩擦副问的温度，防d - ) ) l 封部件高温变形或 失效，需对机封静环背面处通入急冷水进行冷却。但由于冷却水易在波纹管部位结垢， 使波纹管失去弹性从而造成密封失效。 2 1 4 3 接触式波纹管单端面机械密封的主要失效形式 目前采用的波纹管单端而机械密封及其辅助系统有一下几种主要失效形式： ( 1 ) 波纹管失弹或断裂 部分波纹管在实际使用中会出现弹以及刚度变小的现象，此即为波纹管的失弹现 象。当波纹管的失弹景超过一定限度时，密封就会发生泄漏。高温工况会加速波纹管的 失弹现象。波纹管失弹主要山高温状态下的应力松弛造成。此外，工作介质结品沉淀或 凝固在波纹管的缝隙中，也会引起波纹管失弹。 波纹管的断裂现象( 图2 7 所示) 多出现在高温及波纹管压缩量较大的情况f 。一 般情况下，工况环境温度越高，对波纹管施加的载荷越大，波纹管发生断裂的可能性就 越大。 图2 7 波纹管断裂图2 8 密封面干摩擦导致密封面磨损泄漏 f i g 2 7s p l i tf a i l u r eo f b e l l o w f i g 2 - 8w e a ra n dt e a ro fs e a lf a c ec a u s e db yd r y f r i c t i o n ( 2 ) 摩擦剐过度磨损或表而热裂 l l 第_ 二章文献综述 介质压力过高会引起端面比压增大，造成石墨环过度磨损从而引起泄漏。图2 - 8 所 示为某厂减压塔底热油泵石墨密封环端面的磨损磨蚀情况。此外，摩擦副在过高的局部 热应力下会产生热裂，造成密封失效。 2 1 4 4 高温介质用机械密封研究及改进方向 对高温介质泵用机械密封的研究主要涉及以下几方面； ( 1 ) 密封流场及温度场研究。对于高温介质泵用机械密封来说，高温是导致机械 密封失效的主要原因。对密封端面问隙以及密封周围介质的流场及温度场进行研究分 析，利用分析结果指导对密封结构和辅助系统进行的改进，降低密封件所处流场的温度； ( 2 ) 密封结构形式的改进。对密封的结构型式进行改进，采用新型非接触式机械 密封可以极大地提高密封的耐高温性能； ( 3 ) 密封摩擦副变形研究。端面温度过高是引起高温介质机械密封端面损坏失效 的主因之一。过高的端面温升会引起端面变形，产生一定的锥度和波度。端面过度变形 会加速密封端面的磨损，使密封早期失效。对密封摩擦副的温度场及变形研究有利于从 设计上避免密封端面产生过大的变形，延长密封使用寿命； ( 4 ) 密封摩擦副材料耐高温性能研究。端面温升超过端面摩擦副材料的耐温极限 后极易导致密封端面的损坏。因此，提高端面摩擦副材料的耐高温性能是高温介质用机 械密封的改进方向之一； ( 5 ) 弹性元件耐高温性能研究。弹性元件的高温性能同样决定着高温介质机械密 封运行的正常与否。高温条件下金属波纹管经常出现失弹和断裂，致使密封失效。提高 弹性元件的耐高温性能可以在一定程度上提高密封性能。 本文将从机械密封流场及温度场的研究入手，对高温介质泵用机械密封的结构型式 进行改进，并设计相应的高温泵群机械密封辅助系统，以期提高高温介质泵用机械密封 的可靠性和使用寿命。 2 2 研究现状及分析 2 2 1 流体动压液膜密封研究进展 截至目前在国内外有许多专家学者和生产、科研机构对流体动压液膜密封的基本理 论和新型技术产品进行了研究开发，流体动压液膜密封的理论发展和推广使用得到了极 大地推动。 1 2 中固z i 油人学( f 仁东) 硕 j 学位论文 从6 0 年代开始，研究人员便丌始了对端面开槽机械密封的试验与应用研究，该项 研究成果被成功地应用与高温液钠工况中f 4 1 。1 9 7 3 年，g a 订n e r 【5 】用实验台研究了水润滑 螺旋槽机械密封性能，在潜水泵上应用成功。1 9 8 3 年，e t s i o n l 6 】提出了关于零泄漏非接 触式机械密封的概念，并研发出了端面丌圆叶槽型非接触式机械密封，随后l i p s c h i t z 7 1 提出了液相丌槽机械密封结构，该种密封结构是利用端面槽型引起的径向剪切流实现对 压差流的补偿，从而阻止了被密封介质的泄漏。19 9 0 年，b u c k 等【8 1 和n e t z e l1 9 】分别介绍 了利用“上游泵送 原理研发出的螺旋槽机械密封，并对该种形式的新型密封的应用案 例进行了介绍。 从2 0 世纪8 0 年代术以来，国内有关科研、生产单位开始从事流体动压液膜密封的 研究工作。其中有代表性的研发单位有中国石油大学( 华东) 密封技术研究所等。中国石 油大学( 华东) 承提了中国石油天然气集团公司1 9 9 9 年科技攻关项目“零逸出上游泵送机 械密封的开发应用”等项目，至今已申请并获得7 项国家专利，并成功应用于工程实际 】f l0 1 。2 0 0 3 年，胡丹梅等对螺旋槽上游泵送机械密封端面参数进行了优化。同年，郝 木明等1 1 2 】1 1 3 】对零逸出上游泵送机械密封和零泄漏上游泵送机械密封进行了性能分析，并 给出了以上两种密封的设计步骤、方法和相关设计内容，对上游泵送机械密封的开发和 应用起到了推动作用。 2 2 2 机械密封密封腔流场、温度场研究进展 密封腔内的流场及温度场对机械密封的性能以及稳定性有着极其重要的影响。机械 密封技术在上世纪6 0 年代开始大规模应用于工业企业中，越来越多的学者和研究人员 对密封腔进行关注和研究。密封腔内流体的流动情况直接地对密封端面摩擦剐的运转状 况起到重要影响。【】 国内外许多学者针对机械密封腔内的流场以及温度场进行了实验研究。 8 0 年代后期，b h r 小组【”1 ( 主要成员为密封和泵的制造商和用户代表) 在考虑冲 洗和内衬套的影响的情况下在试验台上对不同结构的密封腔展丌了试验研究。研究表 明：具有较小内径尺寸的密封腔会阻碍传热和气体扩散，并且会在密封端面摩擦副附近 生成气泡漩涡；而大径密封腔会形成一系列稳定的泰勒涡，需较大轴向流来打乱；锥形 密封腔结构有利于腔内流体的循环流动，可有效移除气体和杂质颗粒。 1 9 9 7 年，p h i l l i p s 等1 1 6 】测量了密封腔流场情况，测量时使用了l d v 测量仪，机械密 封的转速为1 8 0 0 转分。分析表明：在没有冲洗流体作用的情况下，密封腔内的流场为 1 3 第一二章文献综述 近似轴对称结构，而在有冲洗流体作用的情况下流场表现出非对称性，且在冲沈流体入 口处的轴向流速以及湍流增强。通过对密封腔流体温度场的测量可以看出密封腔内流体 温度分布均匀，说明密封腔内部的流体混合较为充分。同时，p h i l l i p s 等人还测量了密 封转矩，并根据测得的转矩值计算了湿面n u s s e l t ，由于该数据通过试验问接获得，因此 比使用经验公式计算的数值更加贴近实际情况，为相关问题的数值计算提供了比较准确 的边界条件。 1 9 9 8 年，l e b e c k 等【”】测量了不同工况条件下密封腔内的流体温度场。测量时考虑 了压力、转速、介质、冲洗流体等多种因素。通过对测量结果的分析可以得出，密封腔 内流体温度场分布比较均匀，并且流体温度场受冲洗流体的影响较为明显。同时，密封 腔内流体温度场分布情况还与冲洗流体入口的指向有较大联系，通常朝着径向布置冲洗 流体入口会取得较好的冷却效果。 同年，m e r a t i 和p a r k e r 【i8 l 针对锥形密封腔进行了实验研究，研究内容主要为该种形 式密封腔内的流场分布。在实验中，m e r a t i 和p a r k e r 考虑了泵叶片上开设的平衡孑l 对密 封腔流场的影响。实验研究表明，密封腔内产生了明显的泰勒漩涡，该漩涡沿着轴向方 向延伸，密封腔入口流体工况对其强度产生重要影响。泵叶片上开设的平衡孔会增大密 封腔内部的流体速度场，增强流体的湍流强度。密封腔内部如果存在颗粒的话，较小的 固体颗粒会随着流体一起流动，而较大的颗粒则会沉积在密封腔的底部，这一部分杂质 颗粒容易造成密封端面和密封腔内壁的磨蚀。此外，实验还表明防涡器对密封腔内部的 流体的流场以及杂质颗粒的沉积造成较为明显的影响。 2 0 0 1 年，m e r a t i 等i 旧j 测量了密封腔内流体的速度场。测量中考虑了转速、流体、叶 轮结构形式等多中因素的影响。测量仪器为p t v 和l d v 。实验数据表明，密封介质为 油时流场中出现了明显的泰勒漩涡，密封介质为水时流场中有较大的负的径向分量，这 主要是由于两种介质的粘性差别造成的。实验中还研究了叶轮尺寸对密封腔内流场的影 响，结果表明叶片尺寸较小时能产生较大的周向速度和湍流强度。 2 0 0 5 年，钟汝琳 2 0 j 通过一系列的实验对密封腔流场进行了研究分析。实验中采用 的密封腔为炼化泵用c 2 1 系列机械密封所对应的密封腔体。实验对流体温度、压力等进 行了测量。文中数据显示了密封腔内介质力和温度变化对密封环温度分布的影响。 随着数值模拟技术的不断发展以及计算机性能的迅速提高，大量研究人员采用计算 机数值模拟技术对机械密封腔流场和温度场进行了研究计算。 1 9 9 8 年，s h i r a z i 等【2 1 l 使用m i c r o c o m p a c t t mv e r s i o n 2 1 对l e b e c k l l 7 l 、w i l l f 2 2 l 、 1 4 中困石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 d o a n e 等【2 3 】进行的实验研究结果中的流体温度场进行了数值模拟验证计算。大部分数值 模拟结果与实验数据很好的吻合，但是在模拟冲洗液入口方向对温度场的影响时与实测 值相差较大。同时，他们通过数值模拟计算得到了边界上不同部分与流体见的对流传热 系数。计算结果表明，对流传热系数在不同的边界上相差较多，这一结论验证了d o a n e 的研究结果。 1 9 9 9 年，m e r a t i 等【2 4 】对p h i l l i p s l l 6 1 的实验进行了数值模拟验证计算，计算采用f l u e n t 软件进行。计算结果表明，由于空气对流不充分，密封端面内径处温度较高，这与实验 所测得的结果基本一致。在动环端面上的热流通量最大，并且密封端面摩擦生热主要与 附近的流体进行了对流换热。计算所得温度场分布情况基本与p h i l l i p s 的实验结果相符 合，只有部分区域的计算值比实验值略微偏小。 2 0 0 2 年，r a yc l a r k 和h e n r ia z i b e r t 2 5 】使用f l u e n t 软件对机械密封间隙内流体的流 动情况进行了数值模拟。经过对模拟结果的分析，指出减小静环与轴套问的间隙可改善 轴向循环，提高冷却效果。该项研究的不足之处是仅模拟计算了静环与轴套间流体的流 动与循环情况，并未涉及密封腔内的其他部位。 2 0 0 3 年，a z i b e r t 等【2 6 】使用f l u e n t 软件对低流量冲洗条件下含固体颗粒介质的密封 腔流场进行了数值模拟。考虑了不同固体颗粒直径和比重、不同转速的情况。计算结果 显示，介质中的杂质颗粒多聚集在密封端面周围，较难排出腔体外部。为了解决这一问 题，a z i b e r t 等人在密封腔内部设立了一个锥形的环状装置，并在端面周围安装了流场干 扰结构。通过数值模拟计算，表明这些改进有利于密封腔内固体颗粒的排出。此后， a z i b e r t 等【2 7 】对两种不同密封腔结构、不同流体粘度以及不同冲洗条件下的带有固体分 离装置的离心泵密封腔内的多相流进行了数值模拟计算。计算结果表明此处安装的固体 分离装置可以有效地促进密封腔内流体中固体颗粒的排除。 2 0 0 5 年，钟汝林【2 0 1 除了对密封腔流场进行了实验研究外，还对其速度场和压力场 进行了数值模拟计算。在设定边界条件时，钟汝林将密封端面假定为一个热源，其发热 量设为恒定值，经由经验公式进行近似计算。数值模拟的计算结果与其实验所得数据基 本吻合。 2 0 0 6 年，l u a nz 等【2 8 1 对密封腔内的流场进行了数值计算。计算使用f l u e n t 软件进 行，计算过程中考虑了冲洗流量和转速等参数的影响。计算中选取粘度较大的油作为密 封介质，在层流模型下进行计算分析，得到了多种工况条件下密封腔内流体流场。分析 结果表明，在密封腔内动环附近存在较为密封的流线，其厚度与冲洗流量成正比。冲洗 15 第二帝文献综述 流体对密封腔内流体的冷却效果呈现如下关系：在一定的冲洗流量内，冲洗流量和转速 越大则冷却效果越好，但是超过了一定范围则冷却效果保持稳定。l u a nz 等【2 9 l 又通过编 写f o r t r a n 语言程序的方式对密封腔流体流场为湍流的情况进行了数值模拟计算。果显 示，在湍流情况下，机械密封的动环散热主要依靠密封腔流场中的回流，而受冲洗流的 影响不大。 同年，z h a o g a ol u a n 和k h o n s a r im m 【3 0 1 使用c f d 软件分析了在注入的冲洗液和 密封环转动的共同作用下引起的密封腔内流体的流动。通过求解柱面坐标系下的n s 方 程获得了动、静环周围的三维流动规律，使用了压力修讵方法和s i m p l e 算法。分析指 出，当冲洗液流量超过一定值时，冷却效果并不会继续增强。 2 0 0 8 年，n o e lb r u n e t i e r e 等【3 l 】使用c f d 软件计算并分析了密封腔内流体的温度场。 计算的密封模型为自行设计的实验用内加压型机械密封模型。通过一系列的数值模拟计 算，作者提出了计算动静环努赛尔准数的关系式。该关系式的提出是基于热量产生于动 静环接触表面，并决定于温度在固体结构中的分布的事实。最后，作者通过搭建的实验 装置进行了实验研究并对模拟结果进行了对比分析。 同年，张明明【3 2 】应用c f d 软件对密封腔内和摩擦副i 、日j 的流场与温度场同时进行了 数值模拟计算。计算时选取密封腔内及密封端面问流体为研究对象，通过求解三维n s 方程得到整个密封腔的流场。分析了冲洗流体从密封腔冲洗液主入口到摩擦副端而间隙 的流动过程，得到了流体的速度分布、压力分布、质点轨迹以及涡量分布等。最后求解 能量方程，得到了密封腔和摩擦副端面间液膜温度分布。 2 2 3 研究现状分析 从上文所述国内外针对机械密封所开展的研究工作来看： ( 1 ) 对机械密封腔内流场以及密封端面流体膜流场问题的实验研究技术发展比较 缓慢，尤其是对于密封端面流体膜参数的测量受到诸多限制，目前还不能实现精确测量。 ( 2 ) 与实验研究相比，采用数值方法对机械密封相关问题进行分析计算的研究进 展迅速，计算精度不断提高，已经成为机械密封的主要研究手段之一； ( 3 ) 目前对机械密封腔内流场以及密封端面流体膜流场问题的研究主要以常温介 质条件下的机械密封为研究对象，专门针对高温介质用机械密封的该方面研究工作丌展 的极少； ( 4 ) 在非接触式机械密封研究领域，针对气膜密封的研究工作开展较多，而针对 1 6 中困石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 液膜密封的研究工作较少。 2 3 工程有限元分析概述 有限元法( 有限单元法) 是求解数理方程的一种数值方法，它是解决实际工程问题 的一种有效的数值计算工具。这种方法最初被用来飞机结构中复杂的应力。有限元法将 计算数学、弹性理论和计算机软件有机地结合在一起，具有灵活性、快速性和有效性等 特点。目前，有限元法已经成为求解各个领域中数理方程的通用的近似计算方法。【3 3 1 有限元法作为一种近似的数值方法，借助于矩阵等数学上的工具，尽管计算量较大， 但分析过程具有很强的规律性，因而特别适于编制计算机程序来计算。一般情况下，随 着网格划分的不断细化，有限元法计算精度也随之不断提高。因此，随着计算机技术尤 其是硬件技术大的高速发展，有限元技术也得到了越来越多的应用，其4 0 余年的发展 几乎涉及到了各类工程以及科学领域的问题。从应用深度和广度来看，有限元法的研究 和应用正不断地向前探索和推进。 有限元法具有以下特性： ( 1 ) 对于复杂几何形状构件的适用性。由于有限元法的单元划分可以是一维、二 维或三维，且可以具有不同的形状，同时各个单元之间可以有不同的连结形式。因此实 际应用中遇到的任何复杂结构都可以离散成为有限个单元构成的集合体。 ( 2 ) 对各个类型的构型问题都具有适应性。有限元法已经由最开始的杆件结构问 题发展到目自仃的动力问题、弹塑性以及粘弹塑性问题，可以应用于热力学、空气动力学、 流体力学和电磁学等问题，并且还可以解决复杂的非线性问题。 ( 3 ) 理论基础的可靠性。有限元法的理论基础是变分原理和能量守恒原理，他们 在数学上和物理上都已经得到了证明。只要数学模型建立得当，算法稳定收敛，得到的 解就是真实可靠的。 ( 4 ) 计算精度的可信性。只要问题本身是有解的，在相同条件下单元数目的增加 就会带来计算精度的提高，近似解不断接近精确解。 ( 5 ) 计算的高效性。有限元法的各个步骤可以用矩阵变形表示，因此最终的求解 就可以归结为标准的矩阵代数问题，从而将许多复杂的问分和偏微分方程的求解转化为 代数方程组的求解问题，非常适于计算机计算。【3 5 1 a n s y s 是功能强大且灵活的大型通用有限元商用分析软件，集结构、热、流体、 电磁、声学分析于一体，能广泛应用于核能、铁路、汽车、石化、电子技术、航空、土 17 第一二章文献综述 木、船舶、生物等一股工业及科学研冗。该软件提供了诸多不断改进的功能，有结构高 度非线性分析、计算流体动力分析、电磁分析、设计优化、自适应网格划分、接触分析、 大应变及有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言a p d l 的扩展宏命令功能。基于 m o t i f 菜单系统使用户能通过对话框、下拉菜单和子菜单进行功能选择和数据输入，便 于用户操作。在产品设计过程中，用户能够使用a n s y s 有限元分析软件对产品的性能 进行仿真分析，从而发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率。 此外，a n s y s 能够与大多数c a d 软件实现数据共享，例如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、 a l o g o r 、i - d e a s 和a u t o c a d 等，是现代产品设计c a d c a e 软件之一。1 3 6 1 a n s y s 软件能够进行的分析类型有以下几种：结构静力分析、结构动力分析、结 构非线性分析、结构屈曲分析、热力学分析、电磁场分析、声场分