激光加工多孔端面机械密封在离心泵应用分析

针对离心泵用激光加工多孔端面机械密封，通过采用有限元法求解雷诺方程获得密封端面流体膜压分布，计算了不同约束、不同结构动、静密封环的力变形以及端面泄漏量、液膜刚度和刚漏比等密封性能参数，分析了变形对密封性能的影响。结果表明：端面变形对密封性能影响很大，将导致泄漏量增大，刚漏比减小；密封环的约束对变形起着重要作用，选择合适的约束可以减小密封面转角，提高液膜刚度，增强密封工作稳定性。

    1 理论模型

图1 LST-MS结构和开孔端面几何示意图

    图1LST-MS的结构和端面几何示意图，其中的静环端表面上采用激光加工出球形微孔，微孔沿径向呈放射状分布，沿周向呈等间距对称分布。假设密封面不直接接触，存在一定的厚度，且液膜压力沿液膜厚度方向不变化，密封流体为牛顿流体且粘度保持不变，忽略密封面曲率的影响，则液膜压力分布的稳态控制方程，即雷诺方程为：

 

    2 计算结果与分析

    2.1结构/约束形式

 

图2 静环的结构及其约束示意图

    选择图2所示静环的4种结构来研究LST-MS的变形及其对密封性能的影响。

    结构1-3静环尺寸与结构不变，仅约束和B形圈位置不同，以研究不同约束方式对密封环变形的影响，其中，图2（a）中的B形圈位置与结构+、"不同，图2（b）中的“/”边轴向受约束，图2（C）中的5-6边轴向受约束。

    结构静环截面为矩形（图2（d），静环背面轴向受约束，用于研究密封环结构不同时对环变形的影响，计算时忽略O形圈以及防转销和传动销孔的影响，弹簧力视为均布载荷，忽略重力和离心力的影响。

    2.2计算结果与分析

    规定压缩变形为正，拉伸变形为负；动环端面产生顺时针方向变形时转角为负，产生逆时针方向变形时转角为正；静环端面转角的正负规定与动环相反。图"显示了动环和静环在P0=0.5MPa时的变形情况，动、静环在不同P0下的变形值详见表1和表2。可以看出，LST-MS端面变形后不再为平行平面，而且微孔的动压效应产生的压力，使端面形成了内凹曲面。由图3还可以看出，具有同样的结构和工况参数的动环，由于静环结构和约束的不同，其变形的大小也是不一样的，而且在不同的外径压力下，各结构之间的动环变形情况也是不一样的。因为静环的弹性模量比动环大，所以静环的变形值要比动环小。从表1和表2中可以看出，4种结构中，与其它结构相比，结构3的动环轴向变形值较小，但其静环变形值却比其它结构的大得多，原因是结构3中受约束的5-6边位于内径处，而P0值高，这样外径处环的两侧所受压力不平衡引起较大变形；同时，压力P0形成的力矩随着P0的增大而增大，因此结构3的转角也由负值变为了正值。从表中还可以看出，结构2、3和4的静环并没有因为背面受到约束作用而使变形变小，而且约束的位置不一样，变形的大小也是不一样的。从表中还可以看出，随压力的增大，变形和转角都在增大。

图3 不同结构/约束密封环的力变形示意图（动环*1000倍，静环*10000倍）

表1 动环端面力变形 

表2 静环端面变形

    受端面变形的影响，LST-MS的性能参数也发生了变化，如表3所示。可以看出，考虑端面变形后，泄漏量明显增大，虽然结构2和4的液膜刚度有所增大，但从刚漏比的角度来考虑，考虑变形时，密封性能都在降低。综合而言，结构2是4种结构中泄漏量较小但刚漏比最大的，因此，仅仅从考虑压力变形的角度来看，拥有结构2的LST-MS其综合密封性能最佳。据此可知，针对不同的材料配对和结构组合，通过选择合适的约束对LST-MS进行优化设计以提高密封的工作稳定性，延长密封使用寿命，不仅必要而且可行。

表3 变形对LST-MS密封性能的影响

    3 结论
   
    （1）力变形对LST-MS密封性能具有重要影响，变形导致泄漏量增大、刚漏比降低，从而使密封性变差。
   
    （2）静环的密封圈位置和背面的约束位置对动、静环的变形均产生影响；选择合适的约束和安放辅助密封圈的位置，可以控制变形力矩，减小密封面转角，增大密封刚漏比值，提高其稳定性。
   
    （3）密封变形值大小与其工作性能不存在必然的对应关系。即最小的密封环变形并不一定对应于最优密封性能，应针对具体操作条件、结构和材料配对进行分析和优化设计。