Page 34 - 摩擦学学报2025年第5期

668 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

表 1 螺旋槽机械密封的工况及结构参数 表 2 有限元仿真和简化计算结果对比
Table 1 Working conditions and structural parameters of Table 2 Comparison of finite element simulation and
spiral groove mechanical seals simplified calculation results
Parameters Symbol and dimensions Specifications Finite element Simplified
Temperature/℃
Rotation speed n/(r/min) 0~30 000 simulation/μm calculations/μm
Helix angle α/(°) 15 600 0.14 0.13
Temperature T/℃ 600~700 650 0.15 0.14
Outer diameter of rotating ring D 2 /mm 50 700 0.16 0.15
Inner diameter of rotating ring d 2 /mm 40
Differential pressure △P/MPa 0.5~5.0
Axial load W/kN 5~10
–3
Medium viscosity μ/(10 Pa·s) 0.6~1.5
Spiral groove depth h g /μm 5
Number of spiral grooves N g 15
Root diameter of spiral groove r g /mm 42
Equilibrium diameter d b /mm 60
Inner diameter of the bellows d i /mm 35
Outer diameter of the bellows d o /mm 37.5
Thickness of the rotating ring h 2 /mm 5

Fig. 5 The rotating ring model after temperature setting

图 5 温度设置后的动环模型

Fig. 3 3D model of seal rotating ring
图 3 密封动环三维模型
Fig. 6 The rotating ring model after convection settings

图 6 对流设置后的动环模型

本文中同时采用金属线膨胀计算方法对动环端
–6
面变形进行了简化计算，取ɑ=22.1×10 /℃，带入式(2)
dl = αLdt (2)
100 mm 式中，ɑ为材料的线膨胀系数，L为材料的原长，dl为长
75 度变形量，dt为温度的变形量. 得到简化计算结果及有
Fig. 4 The rotating ring model after meshing 限元仿真结果对比如表2所示. 从表中可以看出，采用
图 4 划分网格后的动环模型 有限元仿真计算结果比简化计算结果变形量稍大，与

据密封环的使用工况，在稳态热模块中通过设置动环 简化计算结果数值相差不超过10%，也证明了本文中
的对流和温度得到动环的温度分布情况，将温度分布 所构建的流体域模型和方法的正确性.

导入静态结构模块中，并将动环背面设为固定支撑， 2.2 机械密封动环的热变形分析
根据所建立的几何模型和材料属性，求解出螺旋槽机 首先在600 ℃的温度下对螺旋槽机械密封动环进
械密封动环端面的热变形仿真分析结果并列于表2中. 行仿真，仿真结果如图7所示，其中图7(a)所示为螺旋
计算过程中的设置温度后的模型如图5所示，进行对 槽机械密封动环的温度分布，图7(b)所示为螺旋槽机
流设置后的模型如图6所示. 械密封动环的整体热变形，图7(c)所示为螺旋槽机械