郭金强 田斌

摘 要：将核主泵用流体静压型机械密封作为研究的对象，其中考虑到密封圈的影响，在高速和高压情况下，端面热弹变形很容易影响到其展现出来的密封性能的特点，因此采用有限元法阐述密封环的热弹变形，对其密封性能做出一定的分析。该文核主泵用流体静压型机械密封在高压、高速的条件下，高压会导致密封端面力变形，而高速环境中则会使端面间流体膜因粘性剪切作用，同时再加上旋转组件的搅拌生热，在整个机械密封的温度场发生改变的同时，密封环也产生了变形。

关键词：核主泵 流体静压型机械密封 高压和高速 机械密封性能

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0104-01

核主泵用流体静压型机械密封属于一种全流体非接触式的机械密封，核主泵作为核电站中十分重要的部件，其端面加工有收敛锥度的流体静压型机械密封是核主泵最主要的密封结构之一。在高压的环境中，整个密封端面的热力耦合变形和流体静压润滑作用对密封性能有较大的影响。考虑密封环组建的非线性接触作用，建立一个有限元轴对称分析模型，发现双锥面比单锥面密封性能更好，并且展示出来的可靠性更高，在此基础上对具体的高压高速环境下的密封性能进行剖析。

1 核主泵用流体静压型机械密封概述

在整个的密封层次中，其中的第一级是三级密封中最主要的一级，其采用的是表面开有锥度的流体静压型机械密封，其承受了整个系统中最主要的压力。第二级采用接触式机械密封，当第一级密封失效时第二级密封能够暂时代替其承受全部压力，为后续的检修争取更多时间。第三级也是接触式密封[1]。针对三级中第一级的重要性，一般在研究密封性能时主要以第一级为主。核主泵用流体静压型机械密封常用结构由两种，一种是单收敛型；另一种是双收敛型。这两种端面结构中，由于其锥角十分微小，导致了不管是单锥面还是双锥面只要发生了微小的变形或者是误差都会导致密封性能大大改变。

2 密封环组件有限元模型

依据核主泵用流体静压型机械密封第一级密封的特点，建立一个密封静环组建的二维轴对称模型。在闭合力、重力及液膜开启力的共同作用下，静环组件维持了一个轴向力的平衡，而这时候端面间的液膜是处于稳定状态的，要想建一个静环组件有限元模型，就需要对位移约束边界条件进行制定[2]。在静环约束边界条件简化过程中，整个静环的底边大范围的紧密接触静环座的外径侧位置，在此情况下把静环底边的位移作为静环的约束边界条件。最终的有限元结果分析，在力载荷以及各个组件的相互作用之下，静环端面呈现出了不同的变形行为。具体表现为静环组件在受到力变形的影响时，其约束情况及支座结构与静环组件发生了偏差，当静环产生顺时针偏转时，整个端面呈现出发散变形的状态，从而减小了密封间隙的收敛程度。

3 高压和高速下的密封性能分析

当核主泵用机械密封在高压的环境下运转时，密封环与润滑膜界面间产生摩擦生成的粘性剪切热部分由润滑液膜带走，部分通过热传导向静环散失。观察螺钉力以及转速对密封性能的影响，当螺钉力发生变化时，由于是通过密封环和夹紧环支座两者来固定的密封环，夹紧环通过均匀排列的螺钉来连接密封环支座，因此螺钉力的大小对密封环、密封性能有着重要作用。同时还对影响密封环的倾斜角度，对密封环端面的变形量产生影响[3]。O型圈是整个密封结构中十分重要的辅助元件，对密封的性能也有一定的作用。O型圈槽内径的变化，会改变静环底边的轴向受力，同时还会造成螺钉力发生改变，影响到了静环的弹性变形，从而使密封性能受到影响。

通过端面间流体膜以及动、静环组成了流体静压型机械密封，其中流体膜在稳定状态下能够有效避免动、静环之间的接触产生的磨损，能够提高整个系统的安全性。由于高速、高压是核主泵密封运行工况，由于受到高速粘性剪切作用使流体膜生热会引起密封环的热变形，同样密封端面弹性变形在高压情况下也会发生。因此产生的热弹流效应的轴对称密封数学模型，通过利用有限元来分析流体静压机械密封的密封性能。通过一系列的研究分析，表面压力引起的弹性变形及温差引起的热变形是密封环的两种主要变形形式。

图1比较的是热弹变形、热变形以及弹性变形的机械密封端面的变形。通过图可以看到，三种变形都显示出端面收敛型，从而造成端面的静压承载力提高。针对核主泵用流体静压型密封，其中高压引起的端面弹性变形大于温度升高引起的热变形。在具体的操作过程中，由于转速的增加，单位时间内产生的摩擦生热迅速升高，从某种程度而言，虽然动环旋转有利于散热，但是散热的强度远远低于端面升高的幅度。当动环转速加快时，其静环端面就会有越来越大的温升，温升增大会降低流体的粘度，与此同时，增加了端面热变形，改变了端面膜厚，致使密封性能受到影响，增大了泄漏量。此外，注入流体压力也会影响密封性能[4]。当出口压力保持不变时，不断增加注入流体的压力，静环端面的温度逐渐变小之后开始逐渐增大。压力不大时，有很慢的端面的流体径向流速，此时占主导的是周向旋转剪切摩擦生热，且有较高温升；相反地，逐渐增加压力，会增大径向流速，流体冷却明显下降，有较小的温升。

4 结语

通过采用有限元法建立一个静环组件有限元模型，并对其进行简单分析，将单锥度与双锥度的端面密封比较，双锥度端面密封的液膜刚度较高时其最高温度值却较低，在这种明显的比较之下可以发现双锥度端面具有良好的稳定性。并且流体静压型机械密封的性能受到了压力以及动环角速度的影响产生变化，两者的变化导致泄漏率、热弹变形量也在发生改变。

参考文献

[1] 彭旭东，白少先，盛颂恩，等.流体静压型机械密封的三维传热数学模型及端面温度分析[J].摩擦学学报，2010，11（1）：125-126.

[2] 孙静涛，吕晓春，周之入.核电站主泵的主轴、堆焊层和护环材料的抗腐蚀性能分析[J].水泵技术，2012，13（1）：206-207.

[3] 霍凤伟，郭东明，康仁科.核主泵用流体动压密封环复杂形面超精密磨削[J].机械工程学报，2014，15（13）：216-217.

[4] 刘伟，彭旭东，白少先.流体静压型机械密封的三维传热数学模型及端面温度分析[J].摩擦学学报，2010，30（1）：57-63.