摘要：随着现代工业技术的发展，为了提高生产效率，工业设备都朝着高温、高压等高参数的方向发展。在众多工业设备中，风机技术取得了很大的进步，由常温发展到高温，由空气介质发展到各种气体介质，包括水蒸气、易燃易爆气体等。风机技术的进步对机械密封的要求越来越高，尤其是高温介质，热传导、摩擦和搅拌所产生的热量使得机械密封在运行过程中，端面温度升高，导致端面介质汽化、密封环变形、热磨损和热裂纹等一系列问题，同时，高温对辅助密封材料和弹性元件的性能也会产生一定的影响，从而制约机械密封的安全运行。本文针对某风机输送高温介质的特点，对机械密封装置和系统进行了设计计算，目的在于了解机械密封在运行过程中的端面温升情况，验证机械密封的设计能满足稳定运行要求，以保证整个密封装置的长周期可靠运行。
关键词：高温风机；机械密封；设计；温度分布；试验研究
1 密封装置设计
1.1 工况参数
高温风机的使用工况参数见表1。
表1 使用工况参数
1.2 结构设计
由于输送介质是高温压缩空气，如果发生泄漏，会危及人身安全，因此，为保证介质完全无泄漏，同时要考虑现场使用的经济性和便捷性，确定采用自带隔离液强制循环冷却系统的双端面结构设计方案，密封摩擦副配对采用浸锑石墨和SIC组合，辅助密封件材料采用高温氟橡胶。为了保证密封稳定运行，密封腔隔离液温度不宜过高，一般控制在80℃以内，因此，在密封运行过程中，高温介质和密封腔的温差很大，为减少热量传导，尽量避免影响风机的热效率，同时降低密封环端面温度，在密封和风机接触部位采用隔热环来阻止热量的传递，以及在轴套部位采用密封槽结构，隔离热气体介质。
2 密封系统设计
高温风机用集装式双端面机械密封采用外部引入隔离流体，以带走密封运行过程中产生的热量，保证密封有一个稳定、可靠的工作环境。隔离流体采用强制循环，配置换热器对隔离流体进行冷却来保证其运行温度。机械密封隔离流体循环系统图如图2所示。
1-过滤器 2-循环泵 3-调压阀 4-换热器
5-压力传感器 6-温度传感器
图2 机械密封循环系统简图
为了保证机械密封的稳定运行，需严格控制隔离流体的温度在一定范围内，考虑系统的经济性，配置合适的换热器尤为重要。本系统采用列管式换热器，逆流换热，换热系统K取250W/m 2.℃，单套双端面密封运行过程中产生的摩擦热功率N A 为0.96kW，同时介质侧密封的热传导功率N B 为4.4kW。控制隔离流体一个循环的温升在5℃以内。
3 温度场分析
3.1 有限元模型
由于介质温度和密封腔温差较大，介质侧密封运行条件最为苛刻，因此简化计算模型，只计算介质侧密封的温度场。假设温度场分布是轴对称的，且为稳态传热，忽略温度对材料物性的影响，忽略搅拌产生的热量和因热辐射导致的热损失。为了避免密封环间的热量分配问题，将动环和静环作为一个整体来进行分析，采用四边形网格单元划分，共305个单元。有限元模型网格图如图3所示。
图3 有限元网格模型
3.2 边界条件
机械密封在运行过程中端面会不断产生摩擦热，因此在密封端面施加热流密度载荷，可根据机械密封设计参数计算出摩擦热功率，从而计算出热流密度。机械密封与介质接触边界施加温度载荷以及热对流载荷，与隔离液接触边界施加热对流载荷，隔热部位采用绝热边界，各个接触边界的对流换热系数的计算方法得出。
3.3 结果分析
风机输送介质最高温度250℃，采用机械密封循环冲洗系统，保持隔离流体的温度为80℃时，由于风机输送介质温差较大，热传导为主要热量传播方式，因此从静环座与介质侧接触部位到动环部位，温度逐渐降低；而且由于动环完全浸没在隔离流体内转动，其对流换热系数较高，散热较快，因此动环的温升较低。
图4 密封环温度分布
在机械密封运行过程中，密封端面的温度不宜过高，如果密封端面的温度高于隔离流体的汽化温度，端面的液体就会汽化，液膜会瞬间破坏，影响机械密封的稳定运行，最终导致密封失效。密封端面沿不同圆周半径的温度变化规律，密封端面的温度沿半径方向呈近似抛物线变化，且内径处的温度比外径处的温度高，最高温度为106.57℃，出现在靠近内径处，半径为77.25mm。机械密封隔离液压力为0.3MPa（a），可计算出密封端面沿半径方向的膜压分布，并根据密封端面的温度分布得出对应温度下的饱和蒸汽压力，密封端面各处的膜压均高于饱和蒸汽压，端面不会产生汽化现象，能保证机械密封的稳定运行。
结论
针对高温风机输送介质的危险性，机械密封采用了带隔离流体的集装式双端面结构设计。为了严格控制机械密封的运行温度，对循环冲洗系统进行了设计。在设计条件下，采用有限元分析方法计算了机械密封高温介质侧密封环的温度分布，密封端面各温度下对应的水的饱和蒸气压均小于端面膜压，不会发生汽化现象，理论验证了设计的准确性。结合在罗茨风机上的常温和高温试验，进一步验证了该机械密封装置及系统完全能满足设计要求，在使用工况条件下，保证其能稳定可靠地运行。
参考文献
[1] 陈双胜，李香，吴兆山，等.罗茨风机用机械密封的研制及分析[J].液压气动与密封，2012，（8）：11-13.
[2] 陈德才.机械密封设计制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1993.
[3] API 682-2014，Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugaland Rotary Pumps[S].
[4] 刘润山，沈宗沼，郑国运，等.风机用UU7002BJ型机械密封系统的设计研究[J].液压气动与密封，2012，（8）：8-10.
[5] 廖和滨.机械密封环温度场/应力场的数值模拟及实验研究[D].福州：福州大学，2005：29-31.
[6] 马久波.机械密封端面流体膜压分布理论探讨[J].流体工程，1988，（9）：38-45.
论文作者:王力,杭飞,施郭洋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/8
标签：端面论文; 机械论文; 介质论文; 温度论文; 风机论文; 流体论文; 高温论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;