动压机械密封动力槽的优化及换热器面积的确定

来源：发布时间：2014-07-26 12:23:33点击率：

　　针对高温、高压泵的机械密封端面容易出现磨损或烧损的问题,分析了热流体动压机械密封的工作原理;在高温、高压泵上采用了热流体动压机械密封,以及使用API68232系统作为密封辅助冷却方案.对动压机械密封的端面动力槽作了优化设计;对密封系统的换热器进行了设计计算,使得密封能在较为理想的工作温度下工作.结果表明,在高温热水工况下,冲洗水流量及温度满足设计要求时,端面圆弧槽的密封效果 , 大使用寿命可达8000h;液膜的承载能力随着密封端面圆弧槽槽数的增加而增加,受槽深的影响比较小;换热面积为0.50m2的换热器是合理的,并应尽量使用较大换热面积的换热器,使进入密封腔的冲洗水温度低于100℃.

　　关键词:机械密封;高温高压;流体动压;圆弧槽;换热面积;液膜

　　高温、高压泵机械密封端面极易出现磨损或烧损的问题,主要原因是由于高温水的汽化压力高,介质在流经密封端面时压力降低,易发生闪蒸或汽化,即机械密封端面间液膜相变半径Rb靠近端面外缘R2, 密封端面难以形成有效的液膜[1,2];摩擦端面处在边界润滑条件下工作,其密封介质压力p与密封端面平均滑移速度v的乘积(pv值)很低.这些特性在标准的密封设计中使其很难得到满意的使用效果[3]. 本研究以某高压锅炉给水泵为工况条件,对其动压机械密封的密封动力槽作出优化,并对密封换热器进行设计计算,以期解决高温、高压泵机械密封端面极易出现磨损或烧损的问题.

　　1　工作原理

　　高温高压机械密封的设计必须考虑相变半径 Rb的大小,使之尽量靠近端面内缘半径R1,以利于形成端面间液膜.在密封端面上开动力槽,密封端面上就会形成一个相对的高压区域.该液膜的压力分布是从密封端面外缘半径R2呈线性递减直到进入动力槽.介质经过动力槽时流体压力保持不变,然后从动力槽处呈线性递减直到密封面内缘半径R1处密封端面的动力槽使得密封端面因压力变形和局部温差引起的热变形,在密封端面产生热流体动压楔效应[1];压力分布形式的改变,限制了液膜在动力槽所覆盖的环形区域内的汽化.此类密封的结构与普通机械密封不同的是:普通密封的端面为平行平面接触,而热流体动压密封在动环或静环的端面上开有各种形状的动力槽.

图1是全液膜密封,端面间充满一层液体膜,此时相变半径Rb

　　2　密封的设计

　　2.1　热水工况下机械密封辅助系统方案的选用按照美国石油学会标准API682《离心泵及回转泵轴封系统》的要求,用于温度≥80℃的热水工况介质的机械密封必须采取冷却降温措施,以维持密封端面压力高于热水的汽化压力.本设计使用 API68232系统作为密封的辅助冷却方案.

　　2.2　高压热水机械密封的设计

在高压热水工况的条件下,由于密封面内外缘的压差很大,造成液膜压力急剧降低;同时,由于热水的汽化压力很高,热水在流经密封端面时迅速汽化,因此,密封端面很难形成有效液膜,密封极易失效[5].在密封端面开动力槽并使用冷却液冲洗密封端面,可有效地改善密封端面的润滑情况.

4)液膜总的承载能力(开启力) 考虑到密封端面因压力变形和局部温差引起的热变形与密封端面间液膜的相互作用,运用ANSYS 软件对机械密封和密封端面间的液膜进行流固耦合分析,得到液膜压力p的分布,进而可以得到液膜总的承载能力(开启力)W[6].

　　合理的端面比压是机械密封设计成功的关键. 端面比压过大,密封端面摩擦加剧,易烧毁摩擦副; 端面比压过小,不能保证有效的密封性能.

　　2.2.3　圆弧槽的槽型参数设计和优化

在研制高温热水机械密封过程中,先后在密封端面上开过矩形槽、叶形槽及圆弧槽.经实验,在高温热水工况,冲洗水流量及温度满足设计要求的同等条件下,不同槽形密封的使用寿命见表1.其中, 由于圆弧槽能吸附液体,使密封环外缘得到良好的冷却,还具有排除杂质的能力并且和转向无关,因而端面开圆弧槽的机械密封其性能 ,很适合用来密封低粘度、高参数的介质例如高温高压水,其使用寿命可达8000h.

为了得到的圆弧槽参数,对圆弧槽的槽数z 和槽深h进行优化设计[7],步骤如下.先以圆弧槽的槽数z和槽深h为参数进行参数化建模,并将经验公式取得的密封端面流槽参数z和h设为初始值,运用 ANSYS软件进行分析,得到液膜压力p的分布;再以此液膜压力分布为分析文件,在ANSYSCFX DesignXplorer中以液膜压力p的分布为目标函数即优化目标,以z和h为设计变量,进行优化设计[8].

将z=4和h=2mm设为初始值进行优化分析,分析结果经处理后如图3所示,可知液膜承载能力随着槽数的增加而增加,受槽深影响比较小,由此可以适当地增加槽数[9];z=5和h=2mm时,液膜总的承载能力W为大值,W=4265.16N.基于优化结果,本设计将z=5和h=2mm作为圆弧槽的槽型参数.

　　将此W值返代入公式(6),计算得膜压系数Km =0.659;再将Km=0.659代入公式(7),得端面比压pb=0.535MPa.

　　3　密封系统换热器的设计计算

　　3.1　设计条件

热流体参数:进口温度tth1=255℃,出口温度 tth2=80℃,流量0.4m3/h,介质为水. 冷流体参数:进口温度tc1=25℃,出口温度tc2=80℃,介质为水.

　　4　结　论

　　机械密封已经在高压、高温泵上无故障地运行了5500h,验证了实验和优化计算在此特定工况下的合理性.但尚缺乏广泛性的证明.同时表明了使用冷却液冲洗密封端面,有效地改善了密封端面的润滑情况.换热器的换热面积为0.50m2是合理的,并应尽量使用较大换热面积的换热器,使进入密封腔冲洗水的温度低于100℃.

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