基于FLUENT的超高速机械密封换热特性分析

张嘉禾, 杨赪石, 彭 博, 万荣华, 郭兆元, 高育科



基于FLUENT的超高速机械密封换热特性分析

张嘉禾1,2, 杨赪石1,2, 彭 博1, 万荣华1, 郭兆元1, 高育科1

(1. 中国船舶重工集团公司 第 705 研究所, 陕西 西安, 710075; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安, 710075)

为了研究超高速情况下机械密封与冲洗液的换热特性, 确定换热程度的强弱, 基于数值计算方法, 建立了超高速机械密封装置的流固耦合模型, 通过计算得到了温度场, 提取了部分面的温度分布, 根据公式计算出对流换热系数, 所得结果与解析解相近。得出结论: 通过该方法计算得到的对流换热系数较为精确; 冷却液与动环接触部分的换热能力高于与静环接触部分的换热能力, 但差别不大; 通过增加冷却水入口冲洗量可有效增强部分壁面的对流换热情况。该方法可为机械密封设计提供理论依据。

超高速; 机械密封; 冲洗量; 换热特性

0 引言

接触式机械密封端面摩擦副单位时间内所产生的热量与端面平均线速度成正比。在密封副超高速(平均线速度大于100 m/s)运转时, 密封端面会产生大量摩擦热, 因此必须采用冲洗措施以带走热量[1-2]。在机械密封的研制过程中, 由于密封腔空间尺寸受限、结构复杂、动环转速高, 从而导致冲洗液换热情况复杂, 且难以采用实验方法进行研究。据此, 笔者借用FLUENT软件, 对机械密封的冷却液与固体域边界的对流换热进行了研究, 旨在探索超高速情况下机械密封的对流换热特性, 为机械密封的设计提供依据。

目前, 对密封腔内流场换热情况的研究较少。王志豪等人通过FLUENT软件对机械密封腔内流场和对流换热系数的计算进行了数值研究, 结果表明, 静环表面对流换热系数的变化规律与动环转速和冲洗量之间的相对大小有关; 动环表面的对流换热系数则主要与转速相关[3]。周剑锋等人用解析法研究了机械密封环的传热特性, 结果表明, 绝大部分摩擦热通过动环传递到介质, 静环端面温升较小; 增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差[4]。本文研究对象及研究方法与上述不同, 其特点主要在于: 1) 研究对象的几何模型复杂; 2) 动环转速极高; 3) 采用自定义公式进行换热特性研究。

1 几何模型与网格划分

1.1 几何模型

本文研究对象为接触式机械密封, 超高速情况下, 单纯靠选用耐高温、导热性好、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体来说, 还会出现液膜和介质气化等问题, 这就不得不采用冲洗措施。对机械密封装置部分表面的冷却可以迅速移走摩擦热量, 降低密封的工作环境温度, 改善润滑条件, 防止干运转和杂质集积, 从而降低机械密封装置的温度。本文研究对象由2个独立的机械密封装置组成, 两静环中间充满冷却水。外圈机械密封负责对外层介质和冷却水进行密封; 内圈机械密封负责对内层介质和冷却水进行密封。这样一来, 既密封住了2种介质, 又对2个密封副端面进行了冷却。单个机械密封装置结构示意图如图1所示。

图1 机械密封装置示意图

1.2 网格划分

网格划分方式既影响计算速度和所需存储量, 又影响数值解的收敛性和准确性。尤其对于复杂边界形状的模型, 选择合适的网格生成方法尤为关键。鉴于本文的研究对象大多为圆柱状或环状, 本文采用ANSYS ICEM CFD中的结构化网格划分方法进行网格划分[5]。在网格划分时, 由于整个流体域结构比较复杂, 对于部分复杂结构零件, 进行分块划分网格, 选用的网格划分软件为ANSYS ICEM CFD。将划分好的网格导入FLUENT软件, 设置INTERFACE接触面, 实现网格之间的连接与耦合。最后, 得到的网格总数约为466048, 将网格划分情况导入到TECPLOT中观察, 其网格划分情况如图2所示。

图2 网格划分示意图

2 数学物理模型

1) 质量守恒方程(连续性方程)

2) 动量守恒方程(N-S方程)

3) 能量方程

以上3式中各物理量的含义参见文献[5]。

3 计算方法及边界条件的确定

3.1 基本假设

1) 密封环为理想弹性体, 即环的材料是均匀连续、各向同性和完全弹性;

2) 稳定工况下, 静环座的轴向移动对弹簧力大小的影响忽略;

3) 假设动、静环完全接触, 即忽略端面间液膜厚度;

4) 忽略密封环O型圈上的摩擦阻力;

5) 假设摩擦热全部由冷却液及热传导带走。

3.2 计算方法

3.3 边界条件

3.3.1 材料及冷却液的选择

由于摩擦功耗与机械密封端面平均线速度成正比, 超高速情况下, 密封端面平均线速度超过150 m/s, 从而产生大量摩擦热, 密封副温度急剧升高, 导致密封环内产生过大的热应力并出现热裂, 造成密封环变形甚至断裂; 端面温升还可能使液膜和密封介质汽化, 造成密封失稳, 泄漏量增加。同时, 速度越高, 磨损越严重。因此, 在超高速条件下, 可以通过改变摩擦系数、材料硬度等值来降低机械密封的摩擦功耗与磨损率, 即所选密封材料要具有良好的导热性能、自润滑性、热膨胀性和一定的耐磨性。基于以上考虑, 软环一般选择浸渍不同材料的碳石墨, 与之配对的硬环材料通常选择导热性良好的反应烧结或无压烧结碳化硅, 当可能遭受腐蚀时, 选择化学稳定性更好的热压烧结碳化硅[6]。本文在计算机械密封温度场时, 选择浸银碳石墨M106G和反应烧结SiC 2种材料分别作为密封面软材料和硬材料, 材料及冷却液的物性如表1所示。

表1 材料及冷却液的物性值

3.3.2 摩擦热的计算、加载与热量分配

机械密封在运行过程中, 动、静环的相对运动必然会发生摩擦并产生摩擦热。由于摩擦热的产生和分配受诸多复杂因素的影响, 端面上的摩擦热大小难以确定, 热载荷计算只有先从总摩擦热入手。摩擦热的计算与密封端面的摩擦状态有关, 本文采用式(6)来计算摩擦热。

摩擦热以表面热的形式加载, 对应的载荷名称为热流密度(HEAT FLUX), 即第2类边界条件。摩擦热的分配采用如下公式进行计算[7]

式中: 带下标为与静环相关的物理量, 带下标为与动环相关的物理量。采用式(7)计算所得的热量分配比例进行温度场初步计算, 发现动、静环交界处温差较大, 采用试凑法修改比例系数, 重新分配热量比例, 再用所得温度场进行校核。最终的热量分配比例如表2所示。

表2 热量分配情况

3.3.3 冲洗量的确定

本文所选模型的入口边界条件定为质量流量, 出口边界条件为压力。计算前, 首先要确定冷却水的冲洗量, 即质量流量。其冲洗量根据摩擦热计算得到。假设两侧机械密封产生的摩擦热全部由冷却水带走, 则冲洗量按如下公式计算

表3 冷却水入口冲洗量随转速变化情况

4 结果分析

取迭代步数为1 000步, 迭代到273步时收敛。

4.1 对流换热系数的求解

4.2 数值计算结果分析

给定转速为10万转/min, 出口压力P为0.1 MPa以及不同入口冲洗量进行数值计算。所得结果如图4所示。由图4可以看出, 冷却水与动环交界处的对流换热系数值最大, 与内静环接触处的最小。因为动环转速极高, 与动环接触部分冷却水的速度很大, 因此对流换热系数高。随着冷却水入口冲洗量的增加, 其边界的对流换热系数相应增加, 开始增加剧烈, 后面变得缓慢。

图3 数值解与解析解结果对比

图4 平均对流换热系数随入口冲洗量的变化

给定入口冲洗量Q=0.32 kg/s、出口压力P=0.1 MPa、不同动环转速所得数值解如图5所示。由图5可看出, 随着动环转速的提高, 各边界对流换热系数基本呈线性增大。转速处于1×104r/min到3×104r/min时, 冷却水与动环接触部分的对流换热系数小于其与外静环接触部分的值; 当转速超过3×104r/min时, 所得结果相反。这是因为, 转速不高时, 影响对流换热强弱的因素主要取决于冷却水的冲洗量或者冲洗速度。当转速超过一定范围时, 转速则对对流换热的强弱起主导作用。对比图4和图5也可发现, 转速对对流换热强弱的影响比冷却水流量的影响更大。

5 结论

1) 采用ANSYS ICEM CFD分块划分网格, 并导入FLUENT软件进行计算可以较真实地模拟机械密封冲洗液流通部分的换热情况, 这样有助于提高设计效率, 降低研发成本, 缩短研发周期。

图5 平均对流换热系数随动环转速的变化

3) 动环转速为1×105r/min时, 冷却液与动环接触部分的换热能力高于与内、外静环接触部分的换热能力。

4) 对于本文所建立的机械密封模型, 在动环转速低于3×104r/min时, 冷却量对对流换热强弱起主导作用, 大于3×104r/min时, 动环转速则起主导作用。

[1] 顾永泉. 机械密封实用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

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[4] 周剑锋, 顾伯勤. 机械密封环的传热特性分析[J]. 机械工程学报, 2006, 42(9): 201-206.

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(责任编辑: 陈 曦)

Analysis on Heat Transfer Characteristic of Super-speed Mechanical Seals Based on FLUENT

ZHANG Jia-he,YANG Cheng-shi,PENG Bo,WAN Rong-hua,GUO Zhao-yuan,GAO Yu-ke

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To understand the heat transfer characteristic between mechanical seals and flushing fluid in super-speed condition and to obtain the intensity of the heat transfer, a fluid-solid model of the mechanical seals is built based on the numerical calculation method. Subsequently, the temperature field is calculated, the temperature distributions of some surfaces are achieved. Moreover, the convection heat transfer coefficient is calculated by the formula, which coincides with the analytic solution. It is concluded that the calculated convection heat transfer coefficient is accurate; the heat transfer capability of the flushing liquid in contact with moving loop is slightly higher than that in contact with static loop; the heat transfer on some walls can be significantly enhanced by increasing the flow rate of flushing liquid at inlet.

super-speed; mechanical seals; flow rate of flushing liquid; heat transfer characteristic

TJ630.32; TK261

A

1673-1948(2014)01-0044-05

2013-09-16;

2013-10-20.

张嘉禾(1989-), 男, 在读硕士, 研究方向为能源动力推进技术.