多孔端面机械密封内流场及热-力耦合研究

摘要

激光加工多孔端面机械密封(LST-MS)是一种新型非接触式机械密封,与普通机械密封相比,它具有良好的润滑性能和更长的使用寿命。目前对激光加工多孔端面机械密封的研究尚处于初级阶段,密封机理研究还不够系统、完善,特别是对于多孔端面机械密封的热～力特性研究方面还很少。本文对激光加工多孔端面机械密封的流场、温度场及热应力场开展研究工作,以期为多孔端面机械密封的深入研究和设计提供一定的理论依据。主要工作及研究结果如下:
　　 (1)利用PROE软件建立了微凹腔液膜三维几何模型,在Gambit中进行网格划分。基于Fluent软件通过求解N-S方程得到微凹腔内流场分布情况,深入研究了工况参数和微凹腔结构参数对多孔端面机械密封润滑及密封性能的影响。研究结果显示转速越大,介质压力越大,液膜最大静压值与最小静压值的差值也随着增大;随着微孔深度的增加,两者差值逐渐减小;动环端面微凹腔机械密封在动压力的产生及减小泄漏方面更有优势。
　　 (2)通过ANSYS软件建立多孔端面机械密封的二维有限元模型,经过数值模拟计算得到不同工况条件下密封环的温度分布、热应力和变形情况,并对影响密封环温度和应力的各因素进行了分析。研究结果表明:温度最高的区域集中在两密封环接触面上,且内径侧温度高于外径侧温度。端面温度随转速的增加而增大,随液膜厚度的增大而减小;应力集中区域出现在静环外径台阶处和动环弹簧力作用区域;在动环背离接触面侧变形量最大。
　　 (3)通过多孔端面机械密封性能试验,比较了动环端面加工微凹腔机械密封和静环端面加工微凹腔机械密封的密封性能,发现随着转速及介质压力的增加,密封端面摩擦扭矩增大,摩擦功耗亦随之增大。在相同条件下,动环端面微凹腔造型密封环比普通机械密封环的摩擦扭矩小,说明动环端面微凹腔造型机械密封环的动压效应更明显,端面磨损更小,与模拟计算结果相吻合。