离心泵密封腔内的温度场分析与改型设计

摘要

机械密封作为常用的轴向端面密封装置,其性能直接关系到整台机械设备的安全问题。机械密封运行时,端面摩擦和附件搅拌产生的热量不易扩散,热量积累,使密封环端面温升过高,易造成端面的干摩擦、热裂和变形等问题,导致密封迅速失效,因此,对密封环温度场的研究具有十分重要的意义。密封腔内流体的流动与传热与密封环的温度场分布密切相关,因此研究时应同时考虑密封腔内流热场和密封环温度场。但目前大多数研究集中在密封环的温度场方面,本文在前人对机械密封及腔内流动的理论与试验研究基础上,以浙江某企业生产的LsPA600型离心泵为载体,对离心泵密封腔流体流动及密封环进行流热耦合计算,并根据对流强化传热理论对密封腔进行改型设计,以改善机械密封周围的运行环境。主要工作与研究成果有:
　　 1、采用有限元法对机械密封动、静环单独进行稳态温度场求解,分析了动、静环的温度分布规律。
　　 2、基于有限元的有限体积法,采用直接耦合方式对摩擦副和泵内全流场进行稳态流热耦合计算,探讨了密封腔内的温度分布规律;与有限元模拟结果进行对比,分析了密封腔内流动对机械密封温度分布的影响情况。结果表明:腔内流体的流动影响着热量传递,进而影响着机械密封环的温度分布情况;采用直接耦合方法得到的对流传热系数大于半经验公式计算的对流传热系数;泵在不同工况运行时,机械密封环端面温度变化不明显。
　　 3、根据强化对流传热理论和分析研究,对密封腔进行改型设计,改变流体的流动状态,以强化传热。应用场协同原理分析速度场与温度场的协同性,同时研究改型设计对泵外特性的影响。结果表明:密封腔的改型设计使流体不再沿着等温线运动,速度场与温度场协同性得到改善,强化了传热,腔内温度降低。
　　 4、对密封腔改型后的模型泵进行性能试验,并同时测量密封腔内流体的温度,从性能及腔内温升两个方面验证模拟分析的准确性。得出:筋板的阻隔作用对腔内流动并未产生较大阻力,对泵的水力效率影响较小;试验测得改型后的腔内温度低于改型前的腔内温度。
　　 为了改善泵密封腔内的运行环境,本文以强化对流传热措施和场协同理论为指导思想进行了一系列的尝试和实践,成功地对老产品进行了改进,改善了机械密封的运行环境,提高了可靠性。密封腔改型设计现已应用于浙江某企业的批量生产的产品中,为机械密封冷却方面提供了切实可行的参考,具有一定的理论价值和工程意义。