Page 38 - 摩擦学学报2025年第5期

672 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

Commencement 泄漏量和开启力成正比增大，但从比例上看热变形引
起的开启力改变较小最大改变量发生在转速最高时，
Input the geometric parameters of the
computational domain 较未发生热变形时增加了1.39%，而泄漏量较未发生
热变形时增加了14.05%. 图18(c)所示为槽宽变形量对
Radius at the root of the Inner and outer ring
groove, r g +δ 11 +δ 12 radius, r 1 , r 2 膜厚的影响，在各转速下随着变形量的增大，膜厚增
Helix angle, α+Δα Spiral groove, N 加. 最高转速下，当热变形量在3 μm时膜厚增加为
Input physical parameters 12.3 μm，较原有膜厚增加了15.5%.

Lubricant viscosity, μ; 3.3 螺旋角变形量对密封性能的影响
Rotor speed, n Densities, ρ
本文中将螺旋角变形量值范围设置在0.5°~1.5°之
Input bore pressure, p in Input OD pressure, p out
间，通过计算开启力、泄漏量和润滑膜厚度，得到结果
Enter the parameters for
calculating the film thickness in 如图19所示. 从图19(a)和(b)可知，随着螺旋槽变形量
the calculation field
范围在0.5°~1.5°变化，开启力和泄漏量的值也随之增
Table and trough aspect
ratio, (θ g +Δθ)/(θ l −Δθ) Trough depth, h g +Δh 加，整体呈现正相关. 随着转速增加，开启力的数值逐
Pressure difference between
Radial load, W inner and outer diameter, ΔP 渐变大. 当转速最大时，机械密封开启力和泄漏量取
得最大值，相对于无热变形时，最大变化量分别为13.6%
Divide the grid and set the
iteration parameters 和38.8%. 图19(c)所示为螺旋角变形量下机械密封膜
厚值的变化曲线，可以看出膜厚值也随着变形量增加
Iterative computation
大体上增大，当转速最高和热变形最大时出现最大膜
N 厚，即转速40 000r/min、螺旋角热变形量为1.5°时，此
The control accuracy E 时的膜厚为11.5 μm，较不考虑变形时增大了15.0%.
satisfies the computational
convergence condition 综上可知，对机械密封性能来说，螺旋角变形量影响

很小，可以被忽略.

Output leakage Q, opening force F, friction 3.4 螺旋槽热变形对密封性能影响的综合分析
resistance moment M f , film thickness h
根据对螺旋槽热变形的有限元分析结果，将变形
Ending 量体现在槽深、槽宽和螺旋角3个参数上.
(1) 3个参数因动环热变形导致的变化对开启力
Fig. 16 Calculation process of mechanical seals
图 16 机械密封计算流程 的改变分别为48.1%、1.39%和13.6%，可见动环热变
形作用在槽深上的变化对开启力影响较大.
为槽深变形量对密封膜厚的影响曲线，可以看出膜厚 (2) 3个参数因动环热变形导致的变化对泄漏量
值也随着槽深的增加而增加，转速为40 000 r/min时最 的改变分别为83.3%、14.05%和38.8%，动环热变形作
大膜厚出现在变形量最大处，即转速为40 000 r/min、 用在槽深和螺旋角的变化对机械密封泄漏量影响较
槽深为3 μm时，最大膜厚值为11.5 μm，最大膜厚较不 大，尤其是槽深变化对泄漏量的影响最为显著.
考虑变形时增加了59.0%. (3) 3个参数因动环热变形导致的变化对膜厚的

3.2 槽宽变形量对密封性能的影响 改变分别为59.0%、15.5%和15.0%，动环热变形作用
由上文中分析，槽宽变形量的范围一般在3 μm以 在槽宽和槽深的变化对机械密封中膜厚的影响较大，

内，本文中将3 μm作为最大变形代入计算，图18(a)和(b) 其中槽深的变化造成的影响最显著.
分别所示为转速变化下槽宽变形量对开启力、泄漏量和 通过以上分析可知，泄漏量受槽深和螺旋角数值
膜厚的影响关系. 随着变形量由1 μm逐渐增加至3 μm， 变化的影响较显著，动环受热变形导致了槽深和螺旋

表 3 计算数据与试验数据对比
Table 3 Comparison of calculated and experimental data
Data Leakage, Q/(mL/s) Opening force, F/N Frictional resistance moment, M f /(N·m) Film thickness, h/μm
Calculated data 2.31 1 280 2.49 7.8
Experimental data 2.30 1 260 2.45 7.7