机械密封摩擦副界面热流固耦合分析

魏炫宇1，马咏梅1，丁〓万1，邹晗阳1，张〓弦1，张国梦1，陶〓帅1，张〓智2
(1.四川大学制造科学与工程学院，四川 成都〓610065）
（2.四川日机密封件股份有限公司，四川 成都〓610045)

    机械密封是旋转密封的一种，其结构较为复杂，拥有优良的密封性能。随着实际工况日趋复杂，对密封副的要求也日益增加。接触式机械密封的密封端面处于边界摩擦状态，其热源主要为动环与静环相互摩擦产生的摩擦热，并且伴有搅拌热和黏性热。随着动静环相对速度的提高，其产生的热量也就越大，会给实际工况增加很多不确定状况，比如不确定热变形可能对泄漏量造成影响，也可能会因为变形造成密封副的挠动，因为无论热变形是膨胀还是收缩，都会加剧密封环在某些方面的磨损，并且如果密封端面温度高于密封介质的沸点，介质在密封端面上会发生气化，将使介质失去润滑作用产生汽蚀［1］。在对机械密封温度场的分析中，最重要的是对第二边界条件（即对流换热系数）分布的求解。由于密封端面可以视为高速旋转机械在流体中运动的模型，它的散热主要由密封环与密封介质的热交换完成，因而要得到准确的温度场分布就必须得到较为准确的流固交界面上的对流换热系数分布。
    国内外学者对机械密封端面多物理场的耦合做了一些研究，包括：
    1）建立了机械密封副的数值模型，在合理的假设条件下对稳态温度场运用ANSYS软件进行分析［2］。
    2）对冲洗及介质、动静环材料的影响下的机械密封端面进行了有限元分析，认为冲洗是降低密封端面温度的有效措施［3］。
    3）对接触式机械密封腔内流体的对流换热进行数值研究［4］。
    4）建立了接触式机械密封热固耦合的瞬态数值模型，得到了接触式机械密封在启动过程中热力分布的变化［5］。
    上述关于机械密封温度场的研究，由于对实际情况下的对流换热系数无法进行准确的计算，基本上都是以实验法（经验公式）作近似计算，然而经验公式难以对不同工况下各项参数对换热的影响作出精确的反应。本文采用数值法，利用FLUENT计算流固耦合交界区域的对流换热系数，通过湍流模型计算实际工况下的流体介质，并得到稳态下流固交界面的对流换热系数，代入稳态热分析的边界条件中，得到转速与介质流量对密封端面温度场的影响，补充了以上研究的不足。

1〓端面摩擦副仿真分析的基本假设
本文以某机械密封厂的高速机械密封为研究对象，该机械密封结构简图如图1所示。


作者简介：魏炫宇（1992—），男，四川双流人，四川大学硕士研究生，主要研究方向为机电一体化。





（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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