摘 要：針對受限空間下需要密封兩種介質的超高速密封工況提出一種機械密封形式，分析并總結超高速情況下機械密封所用材料 針對所選用的機械密封形式， 選取合適的參數，校核機械密封相關性能參數，并對密封副溫度場進行初步研究，得到密封副溫度場的變化規律最大值及其位置，確定合適的材料及沖洗量。
關鍵詞:超高速; 機械密封; 材料; 溫度場
目前國內的機械密封所能達到的線速度約為100 m/ s 左右， 密封形式單一 在某型號渦輪機的研制中， 由于發動機轉子轉速已超過50 000 r /min，密封端面線速度超過 150 m/ s， 轉速極高; 密封設計空間受限; 且密封裝置需要對做完功的乏氣和潤滑油兩種介質進行密封; 同時泄漏量要求極小，其設計指標已經超過國內成熟的研究與應用范圍， 密封設計難度很大 針對這種空間受限的超高速工況， 通過分析選取一種機械密封結構， 總結超高速情況下機械密封材料的選擇， 并選取合適材料進行溫度場初步研究， 得到機械密封裝置端面溫度分布規律及冷卻水量對溫度場的影響 旨在從溫度場方面驗證所設計機械密封裝置的合理性， 為超高速機械密封的設計提供理論依據。
1 機械密封結構
1. 1 機械密封結構分析
超高速情況下，單純靠選用耐高溫導熱性好、線膨脹系數低的密封副材料不一定會帶來預期的效果。何況對于密封潤滑性差和易揮發的液體來說， 還會出現液膜和介質氣化等問題， 需采用沖洗措施。對機械密封裝置部分表面的冷卻可以迅速移走摩擦熱量， 降低密封的工作環境溫度， 改善潤滑條件， 防止干運轉和雜質集積， 從而降低機械密封裝置的溫度。此處機械密封裝置由兩個獨立的機械密封裝置組成， 兩機械密封中間充滿冷卻水， 一個機械密封負責對外層介質和冷卻水進行密封; 另一個機械密封負責對內層介質和冷卻水進行密封 這樣既密封住了兩種介質， 又對密封副端面進行了冷卻單個機械密封結構見圖1。
圖1 機械密封示意
1. 2 機械密封冷卻水量的確定
沖洗液的流速會影響密封裝置表面的對流換熱系數， 從而影響機械密封溫度場分布 在確定機械密封的沖洗量時應該考慮密封端面的摩擦熱和旋轉元件的攪拌熱，但由于攪拌熱不易確定，通常按端面摩擦熱考慮合適的摩擦系數來確定。將兩個機械密封的端面摩擦熱疊加計算其沖洗量，冷卻液選用30 ℃清水， 其摩擦熱采用如下公式進行計算。
N = fpc VmAf
( 1)
式中:f 摩擦系數，取0. 1;
pc 密封端面比壓;
Vm 密封面平均線速度;
Af密封環面面積。
摩擦熱采用如下公式進行計算。
式中，帶 o 下標的參數表示外靜環參數，帶 i 下標的參數表示內靜環參數。其各符號含義如下。
pg 端面比壓;
c 沖洗液比熱容;
p沖洗液密度;
tx 沖洗液出入口溫差。
則沖洗量: Qx 10. 8 L /min。冷卻水管道內徑尺寸為
式中：Q 液體流量， m3 / s;
v 流速， m/ s。
則冷卻水流速為 v = 9.19 m/ s
2、超高速情況下機械密封動、靜環材料的選取
通常情況下，摩擦副的動環和靜環材料選用一硬一軟兩種材料配對使用。其中軟材料主要保證密封面的磨合性和自潤滑性，其應用范圍最廣的是石墨。硬材料要具有高的耐磨性和導熱性，以便不被磨損，盡快將密封端面的熱量傳遞到其它地方。適用于高速高壓的機械密封端面硬材料主要有兩種：工程陶瓷和硬質合金[1]。
由于摩擦功耗與機械密封端面平均線速度成正比： Nf= fpgvA， 超高速情況下， 密封端面平均線速度超過150 m/ s，從而產生大量摩擦熱，密封副溫度急劇升高，導致密封環內產生過大的熱應力并出現熱裂 造成密封環變形甚至斷裂;端面溫升還可能使液膜和密封介質汽化，造成密封失穩，泄漏量增加。同時，機械密封的端面磨損率也與密封副周速成正比：= Kw pc V /H，速度越高，磨損越嚴重。而密封副的端面比壓，平均線速度等值是不變的， 因此，在超高速條件下，只能通過改變摩擦系數、材料硬度等值來降低機械密封的摩擦功耗與磨損率， 即所選密封材料要具有良好的導熱性能、自潤滑性、熱膨脹性和一定的耐磨性。基于以上考慮， 軟環一般選擇浸漬不同材料的碳石墨，與之配對的硬環材料通常選擇導熱性良好的反映燒結或無壓燒結碳化硅， 當可能遭受腐蝕時， 選擇化學穩定性更好的熱壓燒結碳化硅在計算機械密封溫度場時，選擇了浸銀碳石墨 M106G 和反映燒結 SiC 兩種材料分別作為密封面軟材料和硬材料， 其各項物理性能指標見表1。
表1 機械密封材料特性
3 機械密封溫度場研究
3. 1 基本假設
鑒于機械密封裝置實際工作時的復雜性，考慮所有的因素將增加計算量， 降低可求解性， 因此在研究其溫度場時， 做如下假設。
1) 穩定工況下， 忽略靜環座的軸向移動對彈簧力大小的影響， 并忽略輔助密封件的摩擦阻力等。
2) 假定動靜環完全接觸，忽略密封環的加工 安裝誤差以及裝配應力導致的密封端面變形。
3) 忽略因密封環端面的徑向變形導致對應接觸節點的溫度差， 并忽略端面間液膜的熱傳導。
4) 密封副材料性質和密封介質的性質不隨溫度變化， 密封介質的溫度是恒定的。
5) 摩擦副產生的摩擦熱全部由冷卻水強制對流換熱帶走， 且其它密封環表面均視為絕熱。
3. 2 對流換熱系數的確定
目前對流換熱系數的確定主要有 3 種方法實驗法， 即通過試驗方法間接測量其對流換熱系數;數值法，即通過熱流耦合計算流固邊界的對流換熱系數;解析法，即通過經驗公式計算對流換熱系數。由于在該機械密封裝置中，被密封介質的流動狀態很復雜，故本文采用解析法計算對流換熱系數 其對流換熱邊界分為以下3 種情況計算[3]。
1) 動環外徑處與外界介質之間的對流傳熱需要考慮動環旋轉的攪拌作用， 以及橫向繞流的作用， 其對流換熱系數為 a = Nu /Ddor， 相應的努賽爾數為
2) 對于流體繞流圓柱體的對流換熱，其努賽爾數可采用丘吉爾-朋斯登關聯式：實驗驗證范圍為 RePr > 0. 2
3) 對于掠過平板的湍流對流換熱，平均努賽爾數可用下式計算。
Nuf= 0. 0296Re4/5fPr1 /3f， 實驗驗證范圍為0. 6 < Prf< 60。其中，各符號含義參見文獻。
3. 3 溫度場計算分析
采用 UG 建立機械密封模型， 導入 ANSYSWORKBENCH， 采用其自帶的工具進行網格劃分，設置邊界條件為 動環緊貼轉軸的面的溫度取22℃; 摩擦熱以熱流密度形式分別加載到兩靜環端面，自動實現熱量分配; 對流換熱系數添加到對應表面。所得結果見圖2 ～ 4。
圖2 內靜環端面溫度隨半徑變化規律
圖3 外靜環端面溫度隨半徑變化規律
圖2、3 給出了轉速為50 000 r /min，冷卻水量為10 L /min 情況下的內、外靜環端面溫度隨半徑的變化規律。兩靜環表面溫度分布近似呈拋物形其中，內靜環最高溫度為74. 11℃，與之對應的半徑為r =17. 3 mm;外靜環最高溫度為106. 81℃，與之對應的半徑 r = 30. 6 mm。且內外靜環與密封介質及冷卻水接觸部分的溫度均在100℃ 以下，因此不會引起冷卻水汽化。
圖4 給出了轉速為 50 000 r /min 時，機械密封裝置的最高溫度隨冷卻水量的變化規律由圖4 可知：當冷卻水量從1 L / min增加到10 L / min時，其最高溫度從115. 8 ℃降低到了106. 2 ℃，但降幅不太明顯。另外，冷卻水量增加時，其壓力隨之增大， 從而使得機械密封端面比壓增大，摩擦功耗增大，溫度升高。因此，無限度的增加冷卻水量未必可行，通過分析，最終將合適的冷卻水量定為10 L /min。
圖4 冷密封裝置最高溫度隨卻水量的變化
4、結論
1) 在轉速為 50 000 r /min，選用冷卻水量為10 L /min 情況下，所設計密封裝置的最高溫度為106.81 ℃， 滿足密封性能要求。從溫度場方面說明了在需要對超高速情況下兩種介質同時進行密封時，采用兩個獨立機械密封形式是可行的。
2) 最高溫度隨冷卻水量的增加而降低，但降幅不大。通過分析，最終確定合適的冷卻水量為10 L /min。
3) 密封端面的溫度呈拋物形分布，最高溫度處于背離與冷卻水接觸表面，距離為 2 /3 表面寬度處。與冷卻水接觸表面的溫度均在100 ℃以下，不會引起冷卻水汽化。
參考文獻：
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[ 3]錢濱江. 簡明傳熱手冊[M]. 北京: 高等教育出版社，1983。
[ 4]顧永泉. 機械密封實用技術[M]. 北京: 機械工業出版社， 2009。
[ 5]單曉亮， 胡欲立. 基于 Ansys 的機械密封環溫度場分析[J]. 潤滑與密封， 2006( 9): 116- 119。
[ 6]朱學明， 劉正林， 朱漢華， 等. 高壓機械密封動態溫度場分析研究[J]. 船海工程， 2005( 2): 52- 55。
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