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初始力變形對船舶艉軸機械密封溫度場的影響

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)青島理工大學機械工程學院 作者:許楊

  機械密封溫度場傳統分析方法不考慮初始力變形對溫度場影響,假設認為密封端面平行,計算得到密封環溫度與實際溫度存在較大的偏差。建立考慮初始力變形的艉軸密封裝置的有限元模型,運用ANSYS 分析軟件通過間接耦合法研究特定工況下船舶艉軸機械密封端面溫度的分布規律及密封環內溫度沿軸向的變化規律,并與傳統方法結果進行比較。結果表明:提出的數值分析方法考慮了初始力變形的作用,得到的密封端面徑向最高溫度發生在靠近端面變形后實際接觸的內徑位置,而不是傳統方法的靠近內徑處;相比傳統方法,提出的數值分析方法計算得到的端面比壓更大,端面溫度更高,尤其是在高溫高壓的工況以及采用彈性模量較小的密封材料時。

  機械密封正常工作時,由于動靜環的相互貼合并相對轉動而產生摩擦熱,導致密封環特別是密封端面的溫度升高。密封環的溫度升高會產生一系列的問題,如端面溫度升高有可能使液膜汽化,導致密封工作的不穩定; 密封端面磨損加劇,縮短密封使用壽命; 使密封環內的溫度梯度增大,產生熱變形,改變端面的潤滑和接觸狀態,增加端面間的磨損和泄漏;當密封端面間的熱應力過大時還會導致端面熱裂。所以,研究機械密封的溫度場具有重要意義。許多學者對密封副的溫度場進行了研究,但由于密封環的結構和邊界條件以及變形情況復雜,傳統的間接耦合法往往假設密封端面平行,而實際機械密封在運行前因受介質壓力的影響始終存在力變形,忽略初始的力變形,雖然簡化了計算,但計算精度降低,尤其是在高溫、高壓工況下,計算結果偏差較大。

  本文作者利用ANSYS13.0 對某大型船舶的艉軸密封裝置進行溫度場分析,以應力場的計算結果為基礎建立了考慮初始力變形的具有收斂間隙的計算模型,得到了端面溫度的分布規律及密封環內溫度沿軸向的變化規律,并將計算結果與傳統法結果進行比較,得出考慮初始力變形的計算模型比傳統計算模型更加準確。

1、幾何模型的建立

  1.1、基本假設

  由于機械密封溫度場以及邊界條件非常復雜,為了提高效率,作以下假設:

  (1) 密封環具有或近似具有軸對稱結構,邊界條件也是軸對稱的,所以假設溫度場的分布也是軸對稱的;

  (2) 環內溫度分布不隨時間變化,即溫度場是穩態的;

  (3) 密封面間泄漏量很小,忽略泄漏所帶走的摩擦熱,假定摩擦熱全部由密封環傳遞;

  (4) 忽略因熱輻射產生的熱損耗;

  (5) 分析時將動靜環作為整體考慮,避免密封環間的熱量分配比的計算。

  1.2、計算模型的結構

  假設艉軸機械密封模型是軸對稱模型,因此取艉軸機械密封的橫截面進行求解計算,其橫截面主要計算尺寸如圖1所示。

初始力變形對船舶艉軸機械密封溫度場的影響

圖1 模型主要幾何尺寸(mm)

  1.3、工況及物性參數

  研究的密封為軟硬配對組合,動環采用碳化硅,靜環選用碳石墨,密封環材料參數見表1。工作參數為:主軸轉速100 r /min,面積比0.8,彈簧比壓0.15MPa,密封介質壓力為0.1MPa,密封介質為20 ℃的海水。根據相關船舶實際運行情況和相關文獻資料,選取碳石墨作密封環時,因碳石墨具有自潤滑性,使其在與碳化硅配對進入穩定狀態后,摩擦因數很小且波動很小,故取摩擦因數為0.1。密封介質參數見表2。

表1 密封環材料參數

初始力變形對船舶艉軸機械密封溫度場的影響

表2 密封介質參數

初始力變形對船舶艉軸機械密封溫度場的影響

2、結論

  (1) 在考慮初始力變形的作用時,密封端面徑向最高溫度發生在靠近端面變形后實際接觸的內徑位置,與傳統法計算得到的密封端面最高溫度發生在靠內徑處,且沿徑向逐漸減小不同。

  (2) 在考慮初始力變形的作用時,計算得到的端面比壓比傳統方法更大,端面溫度更高。

  (3) 初始力變形改變了密封端面接觸寬度,尤其是在高溫高壓的工況環境下,對機械密封性能產生重大影響,在設計計算中是不容忽略的。在設法降低密封端面溫度的設計時,應當改變密封環結構或采用端面預變形等方法,盡量使兩接觸端面在受到介質壓力作用下達到平行。

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