转速对波度式机械密封性能的影响

郭 磊 王和顺 段益东

（西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039）

转速对波度式机械密封性能的影响

郭 磊 王和顺 段益东

（西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039）

以波度式机械密封为研究对象，采用差分法将雷诺方程离散化，利用Matlab软件编制有限差分方程程序，分析转速对波度式机械密封性能的影响。结果表明：在相同膜厚下，随着转速增大，密封开启力明显增大，泄漏量也随之增加，但变化幅度很小。

机械密封；有限差分法；转速

波度式机械密封是一种动静压结合的非接触机械密封，具有泄漏量低和寿命长等优点，可以用于核电站主泵的轴密封上。自20世纪60年代开始，国外学者对波度式机械密封进行了许多理论和实验研究［1-2］。中国学者杨惠霞、顾永泉提出一种二维机械密封混合模型［3］，徐汉平等对内压式WTD机械密封特性进行了研究［4］，王小燕等将动压和静压分开考虑，对波度密封进行了纯流体性能仿真分析［5］。本文在前人研究基础上，结合核主泵密封系统采用有限差分法将雷诺方程离散化，利用Matlab软件进行编程，通过改变转速参数，分析在不同转速下密封的开启力和泄漏量，为核主泵波度密封的使用和研制提供参考。

1 理论模型和计算方法

1.1 液膜几何模型

图1为端面周向波度密封静环及其端面示意图。锥度、波度和密封坝都加工在静环端面上，动环端面为平面。

图1

液膜的极坐标几何模型可表达为，

式中，h-任意位置的液膜厚度（μm），r-半径（mm），ho-坝区液膜厚度（μm），θ-任意位置的角度，n-波数，rd-密封坝根径（mm），ro-密封环外径（mm），ri-密封环内径（mm），λ-波度的半幅值（μm）。

1.2 流体模型的计算

根据以上假设，稳态二维雷诺方程柱坐标形式可表达为：

采用差分法求解，首先对参数进行无量纲化，令

2 结构参数

下边讨论时以转速w和密封坝区膜厚ho为变化参数，从而观察在小膜厚下转速对密封性能的影响。

图2 转速对开启力的影响

图3 转速对泄漏量的影响

3 转速对密封性能的影响曲线

3.1 转速对开启力的影响

图2是开启力分别在膜厚ho=0.2和ho=0.4时随不同转速的变化规律。从图2可以看出，在同一膜厚下，密封环开启力随着转速的增大而增大。而在同一转速下，膜厚越小，开启力越大。这是因为在小膜厚的情况下，转速的提高使流体动压效应增强，液膜在波度收敛区压力迅速增高，从而使开启力增大。

3.2 转速对泄漏量的影响

图3是泄漏量分别在膜厚ho=0.2和ho=0.4时随不同转速的变化规律。从图3可以看出，泄漏量在同一膜厚下，随转速的增加而增加，但变化幅度很小；而泄漏量在同一转速下，随膜厚的增大会有明显的增大。

4 结论

通过分析转速对密封环开启力和泄漏量的影响，可知密封环转速对密封端面间的流体动压效果有很大影响。在相同膜厚下，转速越大，密封动压效应越显著，而相同转速下，膜厚越小，这种密封效应越明显。因此，在润滑冷却条件充分时，可以适当增加转速，以提高密封性能。

［1］Etsion I,Experimental observation of the dynamic behavior of noncontacting coned-face mechanicalseals［J］.ASLETransaction，1971，27（3）：263-273.

［2］Lebeck A O.Principle and Design of Mechanical Face Seal［M］.Wiley：New York，1991：180-185.

［3］杨慧霞，顾永泉.考虑表面锥度、波度和粗糙度的二维机械密封混合摩擦研究［J］.流体机械，1994，32（5）：3-8.

［4］徐汉平，晏卫平.计入JFO边界条件的斜波度机械密封研究［J］.上海大学学报，1996，2（3）：308-315.

［5］王晓雪，刘莹，等.核主泵用动静压密封波度机械密封机理［J］.机械工程学报，2010，46（24）：131-135.

Effectof Rotational Speed on theW ave TypeM echanicalSealProperty

Guo Lei Wang Heshun Duan Yidong
(SchoolofMechanicalEngineering and Automation Xihua University，Chengdu Sichuan 610039)

Taking the wave type mechanical seal as the research object，using the difference method to achieve Reynolds equation discretization，using Matlab software for finite difference equation programing，this paper analyzed the effect of rotational speed on the wave type mechanical seal property.The results showed that:with the same thickness of films，as the speed increased，the seal opening force increased obviously，leakage also increased，but the variation was very small.

mechanical seal；finite differencemethod；rotational speed

TH136

：A

：1003-5168（2015）03-0056-2

2015-2-12

郭磊（1990-），男，硕士研究生，研究方向：机械密封。