超高速下机械密封的结构及温度场研究.pdf

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1、第４３卷第２期船海工程Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．２２０１４年４月ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡｐｒ．２０１４ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１-７９５３．２０１４．０２．０４２超高速下机械密封的结构及温度场研究１，２１，２１１１张嘉禾，杨赪石，彭博，万荣华，郭兆元（１．中国船舶重工集团公司第７０５研究所，西安７１００７５；２．水下信息与控制重点实验室，西安７１００７５）摘要：针对受限空间下需要密封两种介质的超高速密封工况提出一种机械密封形式，分析并总结超高速情况下机械密封所用材料。针对所选用的机械密封形式，选取

2、合适的参数，校核机械密封相关性能参数，并对密封副温度场进行初步研究，得到密封副温度场的变化规律、最大值及其位置，确定合适的材料及冲洗量。关键词：超高速；机械密封；材料；温度场中图分类号：Ｕ６６４文献标志码：Ａ文章编号：１６７１-７９５３（２０１４）０２-０１６２-０４目前国内的机械密封所能达到的线速度约为立的机械密封装置组成，两机械密封中间充满冷１００ｍ／ｓ左右，密封形式单一。在某型号涡轮机的却水，一个机械密封负责对外层介质和冷却水进研制中，由于发动机转子转速已超过５００００ｒ／ｍｉｎ，行密封；另一个机械密封负责对内层介质和冷却

3、密封端面线速度超过１５０ｍ／ｓ，转速极高；密封设水进行密封。这样既密封住了两种介质，又对密计空间受限；且密封装置需要对做完功的乏气和封副端面进行了冷却。润滑油两种介质进行密封；同时泄漏量要求极小，单个机械密封结构见图１。其设计指标已经超过国内成熟的研究与应用范围，密封设计难度很大。针对这种空间受限的超高速工况，通过分析选取一种机械密封结构，总结超高速情况下机械密封材料的选择，并选取合适材料进行温度场初步研究，得到机械密封装置端面温度分布规律及冷却水量对温度场的影响。旨图1机械密封示意在从温度场方面验证所设计机械密封装置的合理1．

4、2机械密封冷却水量的确定性，为超高速机械密封的设计提供理论依据。冲洗液的流速会影响密封装置表面的对流换１机械密封结构热系数，从而影响机械密封温度场分布。在确定机械密封的冲洗量时应该考虑密封端面的摩擦热1．1机械密封结构分析和旋转元件的搅拌热，但由于搅拌热不易确定，通超高速情况下，单纯靠选用耐高温、导热性常按端面摩擦热考虑合适的摩擦系数来确定。将好、线膨胀系数低的密封副材料不一定会带来预期的效果。何况对于密封润滑性差和易挥发的液两个机械密封的端面摩擦热叠加计算其冲洗量，体来说，还会出现液膜和介质气化等问题，需采用冷却液选用３０℃清

5、水，其摩擦热采用如下公式进冲洗措施。对机械密封装置部分表面的冷却可以行计算。迅速移走摩擦热量，降低密封的工作环境温度，改N＝fpｃVｍAｆ（１）善润滑条件，防止干运转和杂质集积，从而降低机式中：f———摩擦系数，取０．１；械密封装置的温度。此处机械密封装置由两个独pｃ———密封端面比压；Vｍ———密封面平均线速度；Aｆ———密封环面面积。收稿日期：２０１３－０６－２４修回日期：２０１３－０７－１１摩擦热采用如下公式进行计算。第一作者简介：张嘉禾（１９８９－），男，硕士生６０f（pｇｏVｏｍAｏｆ＋pｇｉVｉｍAｉｆ）Qx＝（２）

6、研究方向：能源动力推进技术ρctxE-mail：ｚｈａｎｇｊｉａｈｅ１１０２＠１２６．ｃｏｍ式中，带ｏ下标的参数表示外静环参数，带ｉ下标１６２超高速下机械密封的结构及温度场研究———张嘉禾，杨赪石，彭博，万荣华，郭兆元的参数表示内静环参数。其各符号含义如下。表1机械密封材料特性pｇ———端面比压；体积密度抗弯膨胀系热导率c———冲洗液比热容；材料ρ（ｇ·强度硬度数α／λ／［Ｗ·－３－６－１ｃｍ）σｂ／ＭＰａ×１０（ｍ·Ｋ）］ρ———冲洗液密度；浸银碳tx———冲洗液出入口温差。石墨３．００７１７３ＨＳ５．０８０畅０则冲洗量：Qx

7、≈１０畅８Ｌ／ｍｉｎ。冷却水管道内Ｍ１０６Ｇ径尺寸为反应烧结３．０５３４５９１ＨＲＡ４．３１２５．６ＳｉＣQd＝１１３０（３）v３机械密封温度场研究３式中：Q———液体流量，ｍ／ｓ；3．1基本假设v———流速，ｍ／ｓ。鉴于机械密封装置实际工作时的复杂性，考则冷却水流速为v＝９畅１９ｍ／ｓ。虑所有的因素将增加计算量，降低可求解性，因此２超高速情况下机械密封动、静环在研究其温度场时，做如下假设。材料的选取１）稳定工况下，忽略静环座的轴向移动对弹簧力大小的影响，并忽略辅助密封件的摩擦阻力通常情况下，摩擦副的动环和静环材料选用等。一硬一

8、软两种材料配对使用。其中软材料主要保２）假定动静环完全接触，忽略密封环的加证密封面的磨合性和自润滑性，其应用范围最广工、安装误差以及装配应力导致的密封端面变形。的是石墨。硬材料要具有高的耐磨性和导热性，３）忽略因密封环端面的径向变形导致对应以便不被磨损，尽快将密