Page 129 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 周宇坤, 等: 机械密封动环外周表面织构换热机理及结构优化 539

heat transfer effect, among which the number of textures and the rotation angle had a great influence, and the triangular
texture had a strong heat transfer ability, which provided a theoretical basis for the optimization design and application
of high performance mechanical seals in the future.
Key words: contact mechanical seal; circumferential texture; convective heat transfer; structural optimization; face
temperature

机械密封作为一种轴封装置在反应釜、压缩机、 理；并通过分析外周面织构的形状、深径比、行间距及
离心机和离心泵等旋转机械设备上得到了广泛的应 排列方式等对端面温度的影响，丰富了表面织构型机
用. 机械密封的优点是可靠性高、寿命长且密封性能 械密封的设计思想，可为织构型机械密封的设计及应
较好，但随着运行工况的高参数化要求，多数机械密 用提供指导.
封件在达到其额定寿命之前就会失效，而密封端面温
度过高被认为是导致密封失效的主要原因之一 [1-5] . 端 1 物理模型
面温度过高不仅会导致密封环产生变形，加大磨损和 1.1 几何模型
[6] [7]
泄漏 ，而且还会引起润滑液膜的汽化，影响密封性能 . 分析采用的机械密封几何模型如图2所示. 其中，
[8]
此外，高温还会致使石墨的磨损率增大 . 因此，如何 动环材料选用碳石墨，静环材料为马氏体不锈钢17-
在多数工作场合下有效地控制或抑制端面温升一直
4PH，机械密封环和密封介质的有关参数列于表1中.
是机械密封研究者和拥护追求的目标，目前通过在密 鉴于机械密封结构的对称性，选取动环的1/36为研究
封摩擦副端面上或动环外周面上加工织构实现端面 对象，在模型两侧施加周期性边界. 在动环的外周面
温升的控制已经引起了密封领域国内外研究者的重视.
上加工织构，第一排织构距离端面l =1.2 mm，截面呈
1
多数研究者 [9-15] 通过在密封端面上设计加工微织
圆柱状，半径为d=0.9 mm，深度取h=0.12 mm，排间间
构的方法来改善端面润滑状态，降低端面温升，并在
距为l =0.85 mm，研究对象动环外周面中共加工4排，
2
[16]
现场获得成功应用；Khonsari 通过在机械密封环内
并且相邻之间的织构呈交错排列，如图3所示. 织构分
部设置导热管的方式对端面进行冷却；Drumm等 [17]
析所采用的相关参数，其定义如图4和表2所示. 以下
[19]
[18]
Murray等 和Winkler等 通过设计一些特殊的结构
分析过程中，织构尺寸h、l 和α可以在表2所示的范围
2
与机械密封配合来实现对端面的降温处理；Xiao等 [20]
内改变，以获得这些参数对端面温度的影响规律.
通过在静环外周表面上设计织构来强化对流换热目

的，效果良好，且消除了启动时端面温度的波动现象， W1
W9 2
但是作者并没有对环周表面织构的换热机理以及在 W8
动环外周表面设计织构的效果进行详细研究，也没有 W2
Flow field
考虑织构几何参数和工况参数等对环周表面织构换 W7
W11 W12
W10
热效果的影响.
S′
本文中以图1所示的动环外周面加工织构的接触 W6 Rotor W W Stator W3
S
φ80
式机械密封(简称：织构型机械密封)为研究对象，采用 W5 W4 ω
Fluent软件建立了三维轴对称模型，并通过对机械密 φ65 φ57.8 5.52 X φ68
10.77
封环进行传热分析，揭示了动环外周面织构换热机
Z
Heat flux O
Sealing Stationary ring
chamber Fig. 2 Geometric model and boundary conditions
Rotating 图 2 几何模型及边界条件
Spring
ring

Stationary Shaft 1.2 网格无关性验证
seat sleeve
网格是数值模拟计算中十分重要的环节，网格的
Heat source
生成对计算结果影响很大. 本文中采用Gambit软件对

密封环和密封腔内的流体域进行网格划分，均采用六
Fig. 1 Schematic diagram of contact mechanical seal
图 1 接触式机械密封示意图 面体结构性网格. 通过对比分析，并对织构附近及织