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泵用机械密封工作环境及其改善方法研究

赵龙  
【摘要】:机械密封因其性能优良被广泛应用于各个领域中,但机械密封正常运转受到工作环境的影响,如流体含有固体颗粒会对机械密封产生磨粒磨损;密封腔内流体循环差,导致散热性能差,使机械密封过热等,都会导致其过早失效。基于上述情况,本论文使用CFD (Computational Fluid Dynamics)技术,对普通工况下的机械密封及其工作环境进行了数值模拟,对影响机械密封正常运转的因素进行了研究,并探讨了改善机械密封操作环境的方法。 本文对不同尺寸机械密封腔的流场、温度场等进行了较为广泛的模拟,包括对普通机械密封腔、带冲洗水孔情况下的密封腔和锥形密封腔。此外还对影响机械密封性能的因素进行了考虑,包括转速、密封腔间隙、冲洗水流量等。 本文的主要工作和结论如下: (1)通过对流场的模拟发现,在普通密封腔下,靠近密封底面附近,轴向速度很小,这将不利于静环与密封底面部分区域的散热,也会造成杂质的聚集,对于所研究的密封腔,大约在半径R=24mm及R=29mm处轴向速度较大,流场以半径R=26.5mm的地方对称,整个流场被一个大的漩涡包围,流体从沿着密封腔壁面旋转着流向底面,然后沿轴组件的外壁流回。周向速度从密封环表面的线速度,在很短的距离(不到。2mm)就降到一个较低的水平上,温度场模拟显示普通密封腔散热不好。 (2)转速和密封腔间隙都会对流场产生很大影响,高转速情况下,机械密封的运行环境较差,适当增大间隙,可以增大流场轴向速度和径向速度,对散热和排除固体颗粒是有利的,这将改善机械密封的操作环境。 (3)通过对温度场的模拟可以看到,动环温度梯度比较小,只在密封端面附近温度梯度较大,静环温度梯度相对比较大,空气侧温度比流体侧温度高,最高温度在密封端面的空气侧,在普通机械密封腔下,针对所研究的机械密封,其最高温度约为327 K(54℃),在带冲洗水情况下,最高温度约为313K(40℃),比普通腔降低了约14K(14℃),在锥形腔下,最高温度为322 K(49℃),带冲洗水情况和锥形情况下传热环境得到了改善。 (4)通过对固液两相流情况下的数值模拟,发现同一密度、浓度下,直径小的颗粒在轴组件附近分布较高,直径大的颗粒在腔壁附近分布较高,原因是大直径的固体颗粒受到的离心力较大。直径为0.5mm的颗粒,在普通腔情况下,最高体积浓度为52.7%,说明这种颗粒聚集比较严重,在带冲洗水情况下,最高体积浓度为45%,在锥形腔情况下,最高体积浓度为36.4%,说明在带冲洗水情况和锥形腔下比普通腔排除固体颗粒要好。 同一直径、密度下,固体颗粒的体积百分含量越高,颗粒聚集就越严重。同一直径、浓度下,在靠近机械密封处,密度越高,固体颗粒百分含量越低,而在壁面处,密度越高,固体颗粒百分含量越高,这主要是因为离心力的影响。 (5)带冲洗的机械密封腔有较好的操作环境,通过模拟可以看到,轴向速度和径向速度都变大了,不管是散热还是固体颗粒的排除,都有一个很好的效果,但是冲洗设备比较繁杂,增加了成本。 (6)锥形腔本身具有自冲洗的功能,对散热很有利,对固体颗粒的排除也有很好的效果,这对机械密封的正常运转是非常有利的,相比较而言,锥形腔下机械密封的运行环境得到了改善。


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