核主泵用流體動(dòng)壓型機械密封耦合模型與性能分析
以某型核主泵用流體動(dòng)壓型機械密封為對象，考慮密封環(huán)組件的接觸和密封端面的流固耦合作用，建立了密封組件三維多場(chǎng)耦合模型，結合有限差分法和有限單元法，采用數值迭代技術(shù)進(jìn)行了耦合場(chǎng)的計算。研究了高壓下密封端面變形的特點(diǎn)和規律，分析了密封壓力對密封性能的影響作用。結果表明：密封環(huán)端面產(chǎn)生徑向收斂錐度和周向波度，高壓側密封深槽對密封端面周向波度的生成起重要作用，密封端面錐度的形成與密封環(huán)宏觀(guān)結構密切相關(guān)。隨密封壓力的增大，密封端面收斂錐度和波度均增大，密封泄漏率增加，而端面摩擦系數減小。為在高壓下形成較大的波度，建議將動(dòng)壓深槽加工在軟質(zhì)密封環(huán)端面上。
流體動(dòng)壓型機械密封是核電站主冷泵(簡(jiǎn)稱(chēng)核主泵)常用機械密封類(lèi)型之一，也是高參數(高壓、高速和高溫)機械密封的研究重點(diǎn)，該類(lèi)密封依靠密封端面上的毫米級深槽來(lái)改善端面間的潤滑狀況，保證了端面的非接觸，但是其密封機理較為復雜。一般認為在介質(zhì)壓力和端面摩擦熱的作用下，端面產(chǎn)生徑向和周向變形，密封間隙在徑向形成收斂或發(fā)散錐度，在周向形成周期性波度，徑向錐度產(chǎn)生附加的流體靜壓作用，周向波度產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應，在動(dòng)靜壓協(xié)同作用下，兩密封環(huán)端面在避免接觸的同時(shí)實(shí)現了可控的泄漏量，這種機理也被稱(chēng)為熱流體動(dòng)力楔效應。
對于熱流體動(dòng)力楔效應的研究最早可以追溯到德國的Mayer博士，他首先提出了弧形槽密封結構，并在大量實(shí)驗基礎上對密封機理進(jìn)行了定性描述，但未提出理論分析模型.Key等以核主泵為對象，建立了密封端面外緣開(kāi)有矩形深槽的流體動(dòng)壓型機械密封數學(xué)模型，通過(guò)仿真分析證明了熱流體動(dòng)力楔理論的正確性。楊惠霞等綜合考慮多種因素，提出了深槽機械密封的數值計算方法。于明彬等采用有限元法分析了圓弧槽幾何結構參數對密封性能的影響，同時(shí)提出幾何結構優(yōu)選范圍。王曉雪等針對動(dòng)靜壓波度機械密封進(jìn)行了研究，彭旭東和劉偉對核主泵用單、雙錐端面機械密封進(jìn)行了比較研究，對深槽密封周向波度和徑向錐度的作用機理具有一定參考價(jià)值。文獻中的三維力學(xué)模型及流固耦合求解方法對深槽密封的建模具有借鑒和指導意義，以上研究對象主要局限于密封環(huán)本身，而未考慮到密封組件結構對密封機理及密封性能的影響.相關(guān)靜壓型機械密封研究表明，密封組件間的力學(xué)(接觸和摩擦)和熱學(xué)作用對密封性能有重要影響。雖然Djamai等考慮密封環(huán)與環(huán)座間的接觸作用，對流體動(dòng)壓型機械密封機理和性能進(jìn)行了分析，但所用影響因子法在考慮接觸下等非線(xiàn)性邊界條件下的適用性有待商榷。文獻分析了現役核電站中幾種典型的動(dòng)壓型機械密封結構，結果表明密封結構對于機械密封壽命及密封性能均有重要影響。
為了進(jìn)一步揭示流體動(dòng)壓型機械密封的密封機理，本文以某核電站主泵機械密封為對象，考慮組件間相互接觸作用，基于彈性流體動(dòng)力潤滑理論，通過(guò)建立流體動(dòng)壓型機械密封動(dòng)、靜環(huán)組件三維流固耦合模型，研究并分析該型密封在不同工況下的變形規律，揭示流體動(dòng)壓型機械密封的彈流潤滑和密封機理，為后續的機械密封結構優(yōu)化奠定理論基礎。
1、理論模型
1.1、幾何模型
圖1所示為某核電站核主泵用流體動(dòng)壓型機械密封單級結構示意圖，該主泵密封由結構尺寸完全相同的三級密封串聯(lián)組成，三級均分壓力(密封介質(zhì)總壓力約9.9MPa，每級密封壓差約3.3MPa)。由圖1可知：動(dòng)環(huán)背面與動(dòng)環(huán)座接觸，在彈簧及彈簧座的支撐下，固定于主軸軸套上，并隨主軸一起轉動(dòng)；靜環(huán)與靜環(huán)座接觸；靜環(huán)座上開(kāi)有平衡孔，以利用次級密封壓力平衡前一級的部分壓力從而避免靜環(huán)在高壓下產(chǎn)生不利變形。靜環(huán)端面動(dòng)壓槽型式如圖2(a)所示，內徑處均布半圓形槽，外徑處均布U形槽，兩種槽型交替布置。
圖1機械密封結構示意圖
結論
a、采用數值迭代算法求解了核主泵用流體動(dòng)壓型機械密封三維多體耦合數學(xué)模型，動(dòng)靜環(huán)端面在密封介質(zhì)和端面膜壓作用下產(chǎn)生徑向錐度和周向波度，在流體動(dòng)壓和靜壓效應下密封環(huán)維持在穩定的液膜厚度下，從而確保了密封的安全性和穩定性。
b、隨密封壓力的增大，核主泵三級串聯(lián)密封的端面收斂錐度和波度均增大，密封泄漏率增加，而端面摩擦系數減��；沿壓降方向，三級串聯(lián)密封泄漏率和平均液膜厚度均逐級減小，而摩擦系數增大。
c、高壓側密封深槽對密封端面周向波度的生成起重要作用，密封端面錐度的形成與密封環(huán)宏觀(guān)結構密切相關(guān).為在高壓下形成較大的波度，建議動(dòng)壓深槽加工在軟質(zhì)密封環(huán)端面上。
