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热流体动压机械密封中的流体动压效应研究

来源: 时间:2017-06-12 10:01:17 次数:

标准的平衡和非平衡型机械密封通常是在边界润滑条件下工作。由于端面摩擦生热,即使是具有最好的热传导系数和冷却特性的端面配对材料,其PV值极限也很低。为了进步密封的PV值极限,拓宽平面端面密封的使用范围


热流体动压机械密封中的流体动压效应研究

标准的平衡和非平衡型机械密封通常是在边界润滑条件下工作。由于端面摩擦生热,即使是具有好的热传导系数和冷却特性的端面配对材料,其PV值极限也很低。为了进步密封的PV值极限,拓宽平面端面密封的使用范围,适应现代产业向高参数发展的需要,机械密封设计在低摩擦系数下工作。密封端面间的一层完整的薄膜,将改善密封的润滑工况,有助于降低密封端面摩擦系数。这方面,热流体动压机械密封证实是非常成功的。

由于压力变形产生的非平行面楔效应叫压力楔效应,由于温差局部热变形产生的楔效应叫热楔效应,由压力变形和局部热变形产生的楔效应叫热流体动力楔效应。热流体动压机械密封就是利用热流体动力楔效应产生流体动压作用力的机械密封,它是一种新型的机械密封。

热流体动压机械密封的结构和普通的机械密封没有多大差别,只是在密封的动环或静环端面上开设了各种外形的流槽,这些流槽的深度为毫米量级,属深槽密封。

热流体动压机械密封静止时,摩擦副表面是平行平面。在运转时,由于摩擦生热的缘故,密封环被加热而且受热是不均匀的。受热厉害的区域是密封环由工作介质冷却的槽间或镗孔间的中间段落。由于受热冷却的不均匀,密封面的平面度遭到破坏并形成收敛型间隙区域。热流体动压机械密封根据它的过程的复杂性和间隙与泄漏量的大小,居于接触式机械密封和非接触式机械密封之间。

E.Mayer在非平衡型机械密封上靠测压孔丈量密封缝隙中的压力时,个发现并提出热流体动力效应。在他的博士论文中对径向矩形槽密封进行了试验研究。1969年E.Mayer发表了圆弧形循环槽热流体动压机械密封的试验研究结果。通过大量的试验研究表明,圆弧形循环槽热流体动压机械密封可以大大进步密封的PV值极限,得出这类密封优于普通机械密封之处在于:随着PV值的增加,摩擦系数反而降低。E.Mayer对热流体动压机械密封的作用机理作过一些定性的描述,以为圆弧形循环槽热流体动压机械密封实际就是Mitchell或Kingsbury止推轴承与机械密封的联合。在旋转的过程中,由于槽的边沿受到的冷却比阔别槽部分强烈得多,这样就形成了热流体动力楔。E.Mayer的工作主要是在试验研究方面,产生了不少有用的专利,但没有提出公道的理论分析模型和方法。

Golubiev(1967)提出了热流体动压密封的完整的理论分析模型和方法。在模型中,假定密封由金属环和碳石墨环组成,金属环密封面具有几个微米深的刮痕网络,两刮痕间的间隔为零点几毫米,碳石墨假定为尽对光滑的,两密封面被一层只有零点几微米的薄层完全隔开。在压差的作用下,液体首先进进刮痕内,进进刮痕的液体被高速旋转的动环表面强行带进间隙中,由于摩擦,间隙内的液体被加热,同时也加热了金属表面,使之受热膨胀,流体和金属环表面的温度沿着运动方向逐渐升高,使金属膨胀不均匀。由于受热不均匀,在刮痕间的金属表面具有倾斜度,间隙变成收敛间隙。此时在金属表面有流体动压作用力产生。

由于两刮痕区间的间隙与径向长度相比非常小,可将此题目视作平面题目来简化处理。根据流体动力学和热弹性力学理论,提出了解决此题目的联立方程组,这些方程包括间隙内液体膜层的运动方程、连续方程、间隙内液体的能量方程、液体粘温关系、金属环的热传导以及间隙的变化方程。Golubiev的理论模型揭示了局部热变形产生热楔效应这一实质。遗憾的是Golubiev的理论未被试验所证实。

事实上,Golubiev的理论模型存在不公道的地方:密封面间隙为零点几个微米,这基本上与实际密封表面的粗糙度属同一量级,此时应考虑表面粗糙度的影响,径向压差的影响被忽略了;金属环面刮痕的深度为几个微米,这实际上是属浅槽范畴,对浅槽情形,提出的刮痕内压力和温度的边界条件一般不满足。

有趣的是,W.E.Key和R.F.Salant等提出了热流体动压垫深槽机械密封的理论分析模型。模型中分析的是将流槽——矩形槽设置在软面石墨环上的情形,考虑了由力变形和热变形在动、静环密封面形成的径向锥度产生的流体静压效应和由开槽环表面力变形形成的周向波度产生的流体动压效应。这是一种压力楔模型。

国内在热流体动压机械密封的试验研究方面作了一些工作,但理论上没有取得进展。


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