关键词：上游泵送机械密封;;空化;;固体颗粒;;槽型参数;;组合槽型;;润滑性能
摘 要：在动压型机械密封运行过程中,由于端面微造型或带有波纹等,当液膜局部压力低于饱和汽化压力时将出现空化现象,此外,由于密封介质的不纯净、端面磨损脱落和低压侧负压吸入等原因,常使间隙液膜夹带微小固体颗粒,导致密封间隙内部形成气液固多相流动。润滑膜中固体颗粒的存在将造成间隙流动特性和密封性能的变化,严重时将导致动压槽的堵塞而丧失应有功能。因此对于微间隙气液固多相流动特性及其对密封性能影响机理的研究是动压型机械密封研究领域备受关注和有待深入研究的重要问题。本文在国家自然科学基金项目(51279067)的资助下以动压型机械密封为研究对象,建立涉及空化和固体颗粒的气-液-固多相流计算模型,研究微间隙气液固流动特性及对密封润滑性能的影响规律,为设计高性能动压型机械密封提供理论依据,主要研究工作及结论如下:1、以上游泵送机械密封为例,基于欧拉多相流模型建立了密封微间隙气液固多相流动计算模型,研究了间隙密封气液固多相液膜的内流场特性。研究表明:固体颗粒的存在会不同程度提升液膜开启力,但适中的转速条件下,介质压力较低时固体颗粒对膜压的影响较大;固体颗粒的存在会在一定程度上减弱泵送效应,螺旋槽槽根外壁对固体颗粒具有一定的阻碍作用,在槽区存在颗粒堆积的可能性。2、研究了固体颗粒的直径、颗粒进口体积分数、气核含量等气-固相物理参数对液膜空化及润滑性能的影响关系。研究表明:颗粒直径、气核含量增大对空化的抑制程度减小,颗粒体积分数增大对空化的抑制作用增强;液膜开启力总体上随颗粒直径呈现出先增大后减小的趋势,并且最大开启力对应的粒径大小随转速的增大而减小、随颗粒体积分数增大而增大、随气核含量增大而降低;摩擦扭矩随着颗粒体积分数、气核含量的增大而略有降低。3、研究了槽深、螺旋角、槽径比和槽宽比等端面槽型参数对气液固多相流动特性和开启力、泄漏量的影响规律。研究表明:来自螺旋槽内径侧的固体颗粒主要聚集在密封面的槽堰区和坝区内侧;液膜空化区域的大小随槽深的增大而减小,随转速、螺旋角、槽宽比的增大而增大;一般选取6-10μm的槽深、0.8的槽径比、0.3-0.6的槽宽比能获得较大液膜开启力,转速高于1000rpm的泄漏量均为负值且泄漏量的绝对值总体上随转速、槽径比的增大而增大,随槽深、槽宽比的增大而先增大后减小,随螺旋角的增大而减小。4、在上述对密封微间隙气液固多相流动特性和密封性能研究的基础上,提出了以单螺旋槽为基础的不同组合槽型密封端面形貌,以探索减少动压槽堵塞问题。研究表明:圆弧槽与螺旋槽的组合方案能够更有效地减小螺旋槽外壁处高体积分数颗粒,并且在一定程度上提高了液膜开启力,减小了摩擦扭矩,在减小泵送槽堵塞的可能性和提高密封润滑性能方面具有一定的效果。
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