流体静压机械密封动力学概述

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1、流体静压机械密封动力学概述1绪论1.1研究的目的和意义机械密封振动问题是机械密封运转的关键问题之一，它更涉及到系统稳定的控制方法、流场分析和密封环的结构优化等，当机械密封装置正常运转时，密封环上承受着弹簧力、密封介质压力、接触压力和液膜压力的作用，并且在系统稳定的情况下，这些力达到平衡状态，当密封系统受到外部或内部一些不确定因素的影响时，这种力平衡状态很可能会被打破，接着会引起密封环的振动。机械密封是防止核主泵内放射性冷却剂泄漏的密封装置，结构复杂、技术含量高，其性能好坏直接影响整个核电站的安全可靠运行。然而，现役核电

2、站的实际运行当中时有出现核主泵轴密封性能不稳定的情况，给核电站的经济、安全运行造成了严重影响[1-4,25,26,32,33]。密封的不稳定性很大一部分来自于振动，机械密封环的振动对液膜厚度分布、液膜压力分布、接触压力和密封泄漏量都有直接的影响，剧烈振动还可能导致密封副端面磨损加剧，影响密封环的使用寿命，因此对密封环振动的研究非常重要。弹簧刚度、端面夹角、端面内径和外径处压力等也都对密封环振动有直接的影响。对他们的研究是为了更好的保证密封性能的稳定和密封系统的安全运行。机械密封动力学问题一直是学术界研究的重点问题，机械

3、密封的动力学性能对机械密封的工作状态影响很大，但对其相关的研究甚少。目前国内对机械密封动力学的研究多数集中在一些高校内，研究领域主要包括压缩机、一般工业用泵、核主泵、发动机和航空航天等，这些关于动力学的研究有一部分还处于理论研究阶段。鉴于现今的研究水平，只对影响振动的各种要素的模型作了一定的简化，并且根据密封系统的使用要求只选择相关重要的影响因素作为研究对象，比如液膜压力、弹簧刚度、端面锥角、密封端面宽度等，这样的条件下分析出来的结论与真实情况还有较大的差距，随着各种复杂工况的出现，对密封稳定性的要求更高，这就需要在研

4、究振动问题时，尽可能的建立更加贴合实际的模型，得到更准确的结果；将动力学问题和流场、温度场结合起来进行耦合分析将更能提高密封装置的使用性能。.1.2相关理论的研究现状机械密封系统的动力学问题涉及到端面间的流场分析、动力学方程的建立方法和理论基础、系统稳定性的分析方法等。流场分析无疑是研究密封环振动的基础，因为系统的刚度和阻尼主要取决于端面流场液膜的刚度和阻尼，此外密封环稳定运转时的液膜厚度也与密封环振动有着相互作用的关系。动力学方程建立的准确与否直接影响到最后结果是否符合工程实际的要求，由于液膜压力、弹性元件的刚度和阻

5、尼[5]、以及密封环的运动参数和结构参数的影响，在分析和判断系统的稳定性时，需要考虑到这些因素与密封环振动的相互作用，确保在发生短时间的振动后能恢复系统的稳定。作为核主泵机械密封的第一级密封结构，本文所研究的流体静压型机械密封是一种非接触式、液膜式、具有端面收敛间隙的轴向密封。该类密封因其较好的稳定性和能适应工况要求较高的场合渐渐的得到了广泛的认可，但目前机械密封端面流场分析是多数集中在流体动压式领域，在静压式相对较少，流体静压式的研究多数是通过对端面间密封结构的分析，利用有限差分法、有限单元法或有限容积法等，并结合F

6、LUENT分析软件建立流场的有限元模型，再分析流场的动态特性，得到可用于指导实践的结论[8,14,15]。莫力根[14]基于常用的端面单锥角收敛型流体静压密封，提出了多锥角收敛间隙流体静压密封结构，建立了端面流体液膜模型，并进行分类讨论，对核主泵密封结构和密封性能的优化提供了依据。.2机械密封系统动力参数的求解2.1机械密封系统介绍本文所研究的涉及动力学问题的密封环系统主要包括动环、静环、弹簧、O形圈以及位于动静环之间的流体液膜。其中动环与主轴同步转动，静环通过背部的弹簧始终保持与动环贴合的趋势，在角向和轴向都可产生微

7、量的移动，在稳定工作时，两个密封环之间隔着一层极薄的流体静压液膜。由于动环通过基座与主轴固定在一起，所以只需对浮动的静环进行相关动力学分析，如图2.1所示，在密封系统正常作业时，静环只受到端面液膜、弹簧和O形圈以及和密封介质的作用力，若暂时忽略O形圈的影响，则液膜压力作为开启力，与弹簧力和介质压力组成的闭合力相平衡。其中，由于液膜的刚度和阻尼都比较大，故其所产生的的力和力矩对静环的影响较为明显。由于加工制造的误差不可避免，使得动环在安装之后，其中心线与主轴的回转中心存在角向的摆动的偏差，该偏差在密封系统正常运转中会通过

8、液膜对静环产生一定的周期性的回转力矩[4]。..2.2动力学方程的建立由于静环是浮动的，动环与转轴固定在一起，因此动力学问题的研究对象主要是静环。机械密封环的振动主要分为强迫振动和自激振动[6]。强迫振动的产生可能是因为密封端面与旋转中线不垂直，这种现象的产生可能是由于密封环和主轴的加工和安装误差导致的，而密封环表面粗糙度过大也可