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动压机械密封动力槽的优化及换热器面积的确定

2020-08-07 来源:乌哈旅游
维普资讯 http://www.cqvip.com 第26卷第3期 排灌机械 Vo1.26 No.3 2008年5月 Drainage and Irrigation Machinery Mav 2008 动压机械密封动力槽的优化及换热器面积的确定 何玉杰,李质情,石海峡,李 强 (江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江21201 3) 摘要:针对高温、高压泵的机械密封端面容易出现磨损或烧损的问题,分析了热流体动压机械密 封的工作原理;在高温、高压泵上采用了热流体动压机械密封,以及使用API682 32系统作为密封 辅助冷却方案.对动压机械密封的端面动力槽作了优化设计;对密封系统的换热器进行了设计计 算,使得密封能在较为理想的工作温度下工作.结果表明,在高温热水工况下,冲洗水流量及温度满 足设计要求时,端面圆弧槽的密封效果最好,最大使用寿命可达8 oo0 h;液膜的承载能力随着密封 端面圆弧槽槽数的增加而增加,受槽深的影响比较小;换热面积为0.50 m 的换热器是合理的,并 应尽量使用较大换热面积的换热器,使进入密封腔的冲洗水温度低于100 cI二. 关键词:机械密封;高温高压;流体动压;圆弧槽;换热面积;液膜 中图分类号:TK7 文献标志码:A 文章编号:1005—6254(2008)03—0030—04 Dynamic groove optimization of hydrodynamic mechanical seals and determination of heat exchanger area HE Yu-ife,LI Zhi—qing,SHI Hai—xia,LI Qiang (Technical and Research Center of Fluid Machinery Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China) Abstract:Considering the problem of easy wearing or burnout of mechanical seal end face for pumps operating at high temperature or pressure,the operating principle of hydrodynamic mechanical seal is de— scribed,and the scheme of adopting hot fluid hydrodynamic mechanical seals and API682 32 system as the auxiliary cooling system in high temperature and pressure pumps was introduced.Optimum design of the dynamic groove was made,and the heat exchanger was designed for the mechanical seals system to control the seal working temperature.The results show that when the flush flow rate and the temperature meet the design requirements,the seal end face with arc groove works best and its service life of the seal is up to 8 000 h;the carrying capacity of the fluid film increases with increasing groove number.The heat exchanger with 0.50 m heat transfer area is reasonable,and larger heat transfer area is recommended to ensure the temperature of flush water below 100 cc. Key words:mechanical seal;high temperature and high pressure;hydrodynamic pressure;arc groove; heat transfer area;fluid film 高温、高压泵机械密封端面极易出现磨损或烧损 机械密封端面间液膜相变半径尺 靠近端面外缘 , 的问题,主要原因是由于高温水的汽化压力高,介质 密封端面难以形成有效的液膜 ;摩擦端面处在边 在流经密封端面时压力降低,易发生闪蒸或汽化,即 界润滑条件下工作,其密封介质压力P与密封端面平 收稿日期:2008—03—10 基金项目:“十五”国家科技支撑计划项目(2006BAB03A02);江苏省高新技术项目(BG2006024);江苏大学高级人才基金资助项目 (IMJDG040) 作者简介:何玉杰(1962一),男,河北沧州人,高级工程师(heyujie@ujs.edu.en),主要从事密封设计的研究. 李质情(1983一),男,湖南永州人,硕士研究生(Raphae1.een@gmail.con),主要从事密封设计的研究. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 何玉杰等:动压机械密封动力槽的优化及换热器面积的确定 31 均滑移速度 的乘积(i v值)很低.这些特性在标准的 密封设计中使其很难得到满意的使用效果 J. 本研究以某高压锅炉给水泵为工况条件,对其 动压机械密封的密封动力槽作出优化,并对密封换 转泵轴封系统》的要求,用于温度≥80 c【=的热水工 况介质的机械密封必须采取冷却降温措施,以维持 密封端面压力高于热水的汽化压力.本设计使用 API 682 32系统作为密封的辅助冷却方案. 2.2高压热水机械密封的设计 热器进行设计计算,以期解决高温、高压泵机械密封 端面极易出现磨损或烧损的问题. 在高压热水工况的条件下,由于密封面内外缘 1 工作原理 的压差很大,造成液膜压力急剧降低;同时,由于热 水的汽化压力很高,热水在流经密封端面时迅速汽 高温高压机械密封的设计必须考虑相变半径 的大小,使之尽量靠近端面内缘半径 。,以利于 形成端面间液膜.在密封端面上开动力槽,密封端面 上就会形成一个相对的高压区域.该液膜的压力分 布是从密封端面外缘半径 :呈线性递减直到进入 动力槽.介质经过动力槽时流体压力保持不变,然后 从动力槽处呈线性递减直到密封面内缘半径 处. 密封端面的动力槽使得密封端面因压力变形和局部 温差引起的热变形,在密封端面产生热流体动压楔 效应¨ ;压力分布形式的改变,限制了液膜在动力 槽所覆盖的环形区域内的汽化.此类密封的结构与 普通机械密封不同的是:普通密封的端面为平行平 面接触,而热流体动压密封在动环或静环的端面上 开有各种形状的动力槽. 图1是全液膜密封,端面间充满一层液体膜,此 时相变半径R <R ,特点是摩擦系数小,泄漏流体 为液体,泄漏量较大.若相变半径R .=R。,也是全液 膜密封,但泄漏的边缘为月牙面,月牙面不断地蒸 发,泄漏的流体是蒸汽,泄漏量较小,是理想的密封 端面液膜型式 . 图1全液膜密封 Fig.1 Complete fluid film seal 2密封的设计 2.1 热水工况下机械密封辅助系统方案的选用 按照美国石油学会标准API 682(离心泵及回 化,因此,密封端面很难形成有效液膜,密封极易失 效 J.在密封端面开动力槽并使用冷却液冲洗密封 端面,可有效地改善密封端面的润滑情况. 2.2.1密封工况参数 高温热水工况:密封介质压力P。为4.5 MPa,温 度t h为255 c【=,转速/7,。为1 450 r/min,流量Q为 280 m /h;轴径d为65 mm. 2.2.2设计计算 1)总弹簧力 弹簧变形量: f: 3 (1) L,Ⅱs 式中f=8 mm;凡:为弹簧有效圈数,/7,:=11;D 为弹 簧中径,D :5 mm;F 为单个弹簧的弹簧力,N;G 为材料剪切模量,G=74 000 MPa;d 为弹簧材料直 径,d =0.8 mm.总弹簧力为 F=F M (2) 式中 为弹簧个数,M=12.计算得:F=264.5 N. 2)弹簧比压 p :_I 一 (3) An.,(2一D ) 式中D:为端面外缘直径,D:=79.5 mm;D。为端面 内缘直径,D,=67 mm.计算得:p =0.184 MPa. 3)载荷系数 K= =—‘D _—=÷ 一D (4)(、 )  式中D 为平衡直径,D =70.5 mm.计算得K= 0.737. 4)液膜总的承载能力(开启力) 考虑到密封端面因压力变形和局部温差引起的 热变形与密封端面间液膜的相互作用,运用ANSYS 软件对机械密封和密封端面间的液膜进行流固耦合 分析,得到液膜压力p的分布,进而可以得到液膜总 的承载能力(开启力) l6 J. 维普资讯 http://www.cqvip.com 32 排 灌 机 械 第26卷 = rpdrdO- ̄,:2 dr (5) 式中6密封端面宽度,6: { .计算得: : 式中 为液膜总的承载能力(开启力),N;尺 ,R 分 1.84 mm.取h=2 mm. 别为密封端面内、外缘半径,m. 5)膜压系数 ㈩ 式中P 为密封介质压力,P :4.5 MPa. 6)端面比压 Pb=P +P1(K—K ) (7) 式中P 为端面比压,MPa. 合理的端面比压是机械密封设计成功的关键. 端面比压过大,密封端面摩擦加剧,易烧毁摩擦副; 端面比压过小,不能保证有效的密封性能. 2.2.3 圆弧槽的槽型参数设计和优化 在研制高温热水机械密封过程中,先后在密封 端面上开过矩形槽、叶形槽及圆弧槽.经实验,在高 温热水工况,冲洗水流量及温度满足设计要求的同 等条件下,不同槽形密封的使用寿命见表1.其中, 由于圆弧槽能吸附液体,使密封环外缘得到良好的 冷却,还具有排除杂质的能力并且和转向无关,因而 端面开圆弧槽的机械密封其性能最好,很适合用来 密封低粘度、高参数的介质例如高温高压水,其使用 寿命可达8 000 h. 表1不同槽形密封的使用寿命 Tab.1 Maximum service life of seal face with difference grooves configuration 为了得到最优的圆弧槽参数,对圆弧槽的槽数 和槽深h进行优化设计 j,步骤如下.先以圆弧槽的 槽数 和槽深h为参数进行参数化建模,并将经验公 式取得的密封端面流槽参数 和h设为初始值,运用 ANSYS软件进行分析,得到液膜压力P的分布;再以 此液膜压力分布为分析文件,在ANSYS CFX DesignXplorer中以液膜压力P的分布为目标函数即 优化目标,以 和h为设计变量,进行优化设计 』. 1)槽数 = D1/E (8) 式中E为槽距,取E=55 mm. 计算得: =3.83,取 :4. 2)槽深 h 0.4 Kb (9) 密封端面上开槽形状及初始尺寸见图2. 深必、.、 2  . r 1 图2 机械密封端面的槽型 Fig.2 Diagram of fluid grooves on mechanical seal end face 将 =4和h=2 mm设为初始值进行优化分 析,分析结果经处理后如图3所示,可知液膜承载能 N/ R 鞯睡巡璐 4 4 4 4 3 力随着槽数的增加而增加,受槽深影响比较小,由此 可以适当地增加槽数 ; =5和h=2 mm时,液膜 总的承载能力 为最大值,W=4 265.16 N.基于优 化结果,本设计将 =5和h=2 mm作为圆弧槽的 槽型参数. 4 b 槽数z 图3 槽数,槽深与承载能力的关系 Fig.3 Relation of groove number,groove depth and carrying power 将此 值返代人公式(6),计算得膜压系数 =0.659;再将K =0.659代人公式(7),得端面比 压Pb=0.535 MPa. 3 密封系统换热器的设计计算 3.1 设计条件 热流体参数:进口温度t =255 clC,出口温度 t 地=80 clC,流量0.4 m。/h,介质为水. 冷流体参数:进口温度t。 =25 cCl,出口温度t。: 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 =何玉杰等:动压机械密封动力槽的优化及换热器面积的确定 33 80℃,介质为水. 了5 500 h,验证了实验和优化计算在此特定工况下 3.2 计 算 3.2.1 热流体散热速率 = 的合理性.但尚缺乏广泛性的证明.同时表明了使用 冷却液冲洗密封端面,有效地改善了密封端面的润 (10) 滑情况.换热器的换热面积为0.50 in 是合理的,并 应尽量使用较大换热面积的换热器,使进入密封腔 冲洗水的温度低于100℃. 参考文献(References) 式中Q 为热流体体积流量,Q =0.4 m /h;p。为介 质密度,P。=1 000 kg/m ; 为介质等压比热容, 1=4 186.8 J/(kg・K);△£ h=t h1一t }12为热流体进 出13温差,At h=175 K. 计算得: 【h=81.41 kW. 3.2.2 冷流体吸热速率 = 。) h= (12) 式中Q 为冷流体体积流量,m /h;P 为介质密度, P2=1 000 kg/m ;cp2为介质等压比热容,cp2= 4 186.8 J/(kg・K);At。=t。1一tc2为冷流体进出口温 差,At =55 K计算得:Q =1.27 in /h. 3.2.3 换热面积 换热器传热温差 At =可At mx -A tmin (13) 式中At =tth1一tc2;At i =tt}12一t。1. 计算得:At =103.7 K. 换热器的换热负荷 =KcAt aA2 (14) 式中 的单位为kW, =Q ;Ko为传热系数,根据结 构及介质情况,取 =1 935.6 w/(in ・K)[1O3;At 为对数传热温差,K;Ot为温差修正参数,Ot= 0.95;A2为传热面积,ni . 计算得:A2=0.43 in 根据上述计算,实际取换热面积A =0.50 in . 裕度n 的计算式为 n : n3 — 一 (15)1)  计算得:n = ×100%=16.3%. 从现场运行情况来看,经换热器冷却后进人密 封腔的介质温度在82℃左右。是密封较为理想的 工作温度.选择面积为0.50 in 的换热器是合理的. 4结论 机械密封已经在高压、高温泵上无故障地运行 [1] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:北京机械工业 出版社,2001. 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