新型法蘭迷宮式靜密封熱彈流效應(yīng)研究

1、<p>　　新型法蘭迷宮式靜密封熱彈流效應(yīng)研究</p><p>　　摘要：針對法蘭密封受溫度、壓力影響較為敏感，其密封性能易受密封圈熱彈變形影響等特點(diǎn)，提出了新型法蘭迷宮式靜密封，并建立了熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型；通過采用有限差分法求解密封圈溫度和密封圈與法蘭之間的液膜壓力的控制方程組，采用有限元法求解密封圈的熱、彈變形，對新型法蘭迷宮式靜密封進(jìn)行了流、固、熱耦合分析，研究了熱彈變形對法蘭密封性能的影響，

2、并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，新型法蘭迷宮式靜密封有很好的密封性能，迷宮密封可以逐級降低密封介質(zhì)的壓力，從而提高密封效果。密封圈的熱彈性變形可以使密封圈和法蘭端面之間更緊密的貼合，防止密封介質(zhì)的泄漏。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：靜密封；法蘭密封；熱彈變形；迷宮密封；TEHD </p><p>　　中圖分類號：TH117.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p>

3、;　　Thermo-Elasto-Hydrostatic Effect Analysis of a Double Tapered Hydrostatic Mechanical Seal in Reactor Coolant Pumps </p><p>　　Peng Delong1, </p><p>　　1 Zhe Jiang ZhiHai Chemical Equipment Engi

4、neering Co., Ltd, HangZhou, 310014, Zhejiang, China </p><p>　　Email: pdl-260@126.com </p><p>　　Abstract: According to the sensitive influence of the temperature and pressure to the flange seal,

5、and the susceptible seal performance to the deformation characteristics, a new kind of labyrinth seal for flange is proposed and whose thermo-elasto-hydrostatic coupling model was established by considering the variation

6、 of dynamic viscosity with fluid pressure and temperature, heat transfer between lubrication film and seal ring and the deformation of seal ring in this article. The governing equat</p><p>　　Keywords: static

7、 seal, flange seal, thermal-elastic deformation, labyrinth seal, TEHD </p><p>　　城市建設(shè)當(dāng)中，會存在大量的管道及法蘭的使用，如居民及工業(yè)用水、天然氣輸送、暖氣管道輸送等。管道內(nèi)輸送介質(zhì)的泄漏會給居民生活造成很大的不變，也會對工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的損失。通常情況下管道法蘭的密封都采用平墊密封的形式，但是此種結(jié)構(gòu)密封往往使用壽命較短，而且高

8、壓情況下還容易被吹出。本文根據(jù)以上問題提出了新型法蘭迷宮式靜密封，通過采用迷宮密封的形式逐級降低管道內(nèi)的壓力，并控制溫升，最終實(shí)現(xiàn)零泄漏并提高法蘭密封的使用壽命。 因此，本文將通過建立新型法蘭迷宮式靜密封液膜壓力與溫度控制理論模型，并采用有限差分法進(jìn)行求解，考慮變形的影響，對密封進(jìn)行流、固、熱耦合分析，研究熱彈變形對密封性能的影響，初步提出新型法蘭迷宮式靜密封的設(shè)計(jì)方法。 </p><p><b>　　

9、1數(shù)學(xué)模型 </b></p><p><b>　　1.1幾何模型 </b></p><p>　　新型法蘭迷宮式密封需要在法蘭面上開設(shè)寬槽，槽內(nèi)放置新型法蘭迷宮式密封。新型法蘭迷宮式密封由多個梳齒組成，其中泄漏入口和出口處設(shè)置兩個大梳齒，兩個大梳齒之間設(shè)置多個小梳齒，小梳齒不與法蘭面接觸，其幾何模型如圖1所示。 </p><p>　　

10、圖1 新型法蘭迷宮式密封及流體膜模型 </p><p>　　Fig 1 New type labyrinth seal for flange and the fluid film model </p><p><b>　　1.2數(shù)學(xué)模型 </b></p><p>　　正常運(yùn)行的新型法蘭迷宮式密封，泄漏入口處大梳齒允許有一定的泄漏量，因此密封間隙

11、中有液膜存在。由于密封間隙及流速較小，可以忽略體積力及慣性力的影響?？紤]流體膜粘度沿液膜厚度方向的變化，則新型法蘭迷宮式密封間隙中液膜壓力的控制方程為[2, 3]： </p><p><b>　　(3) </b></p><p><b>　　其中： </b></p><p><b>　　，， (4) </b

12、></p><p>　　潤滑液膜的粘度方程為[4]： </p><p><b>　　(5) </b></p><p>　　對于潤滑液膜，不考慮體積力和熱輻射的影響5]，則可以得到適用于此模型的能量方程： </p><p><b>　　(6) </b></p><p>　

13、　由傳熱學(xué)[6]可知，溫度場控制方程為： </p><p><b>　　(7) </b></p><p>　　方程(3)和(7)需要解除壓力和溫度邊界條件，本文采用文獻(xiàn)[1，2]中TEHD模型所使用的方法與其聯(lián)合求解。之后采用有限差分法對新型法蘭迷宮式密封環(huán)溫度場和端面液膜壓力分布進(jìn)行計(jì)算，并基于有限元變形理論采用三角形軸對稱單元求解密封環(huán)變形問題，計(jì)算迷宮式密封環(huán)的

14、熱彈變形[7]， </p><p>　　2計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1計(jì)算參數(shù)的選擇 </p><p>　　分析計(jì)算時，法蘭及迷宮式密封的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)取值為：Ri=0.2m，Ro=0.3m，Rm=0.21m，Rm=0.28m，R1=5mm，R2=2mm，H= 8mm，h1=10μm，h2=2μm，pi=3MPa，po=0.1 MPa，T

15、0=80℃；迷宮式密封環(huán)材料為丁腈橡膠，密封介質(zhì)為水，密封環(huán)材料和密封介質(zhì)的物理參數(shù)分別如表1和2所示。 </p><p>　　表1迷宮式密封環(huán)材料物理性能參數(shù) </p><p>　　Table 1 The physical propeties of seal ring materials </p><p><b>　　熱傳導(dǎo)系數(shù) </b>&l

16、t;/p><p>　　k1，k2/W/(m·K) 熱膨脹系數(shù) </p><p>　　βf/(1/K) 彈性模量 </p><p>　　E1，E2/MPa 泊松比 </p><p><b>　　ν1，ν2 密度 </b></p><p>　　ρ1，ρ2/(kg/m3) </p>

17、<p>　　0.25 220×10-6 6.1 0.49 1000 </p><p>　　表2流體物理性能參數(shù) </p><p>　　Table 2 The physical propeties of the sealed fluid </p><p><b>　　熱傳導(dǎo)系數(shù) </b></p><p>

18、;　　kf/ W/(m·K) 密度 </p><p>　　ρ/(kg/m3) 動力粘度 </p><p>　　0/(Pa·s) 粘溫系數(shù) </p><p>　　β/(1/K) 粘壓系數(shù) </p><p><b>　　α/(m2/N) </b></p><p>　　0.648 9

19、88.1 549.4×10-6 0.0175 2.2×10-8 </p><p>　　改變上述參數(shù)的一個或若干個，研究參數(shù)變化對新型法蘭迷宮式密封性能的影響規(guī)律，此時如若不作特別說明，則其余參數(shù)均保持上述數(shù)值不變。以下將分別研究幾何參數(shù)h1、h2和H對密封性能的影響。 </p><p>　　大齒R1對密封性能的影響 </p><p>　　圖2示出

20、了在大齒R1對迷宮密封腔內(nèi)最低壓力Pmin，最高溫升△T及泄漏量Q的影響?？梢钥闯?，隨著大齒R1的增大，迷宮密封腔內(nèi)最低壓力Pmin及泄漏量Q逐漸下降并趨于平緩，壓力的下降及第一級大齒泄漏流的減小有助于外側(cè)大齒的密封，使密封更容易達(dá)到零泄漏。但是由圖（b）可以看出，隨著大齒R1的增大,密封腔內(nèi)最高溫升△T逐漸升高，這是由于介質(zhì)泄漏時對迷宮密封擠壓力增大導(dǎo)致的。溫度的上升會使密封材料性能下降，使用壽命降低。因此，大齒徑不宜取過大，以4mm

21、為宜，既能保證較低的泄漏量又能保證較低的溫升。 </p><p>　?。╝）Pmin vs R1（b）△T vs R1 </p><p>　?。╟）Q vs R1 </p><p>　　Fig.2 Pmin, △T , Q vs R1 </p><p>　　圖2. 最低壓力Pmin, 最高溫升△T及泄漏量Q隨大齒徑R1的變化 </p&g

22、t;<p>　　小齒R2對密封性能的影響 </p><p>　　圖3示出了在小齒R1對迷宮密封腔內(nèi)最低壓力Pmin，最高溫升△T及泄漏量Q的影響。可以看出，隨著小齒R2的增大，迷宮密封腔內(nèi)最低壓力Pmin幾乎成直線下降并趨于平緩，壓力的下降有助于小齒的密封，使密封更容易達(dá)到零泄漏。但是由圖（b）可以看出，隨著小齒R2的增大,密封腔內(nèi)最高溫升△T逐漸升高，這是由于介質(zhì)泄漏時對迷宮密封小齒擠壓力增大導(dǎo)致

23、的。溫度的上升會使密封材料性能下降，使用壽命降低。泄漏量Q隨著小齒R2的增大先降低后又逐漸上升，大約在R2≈2mm時取得極小值，因此小齒徑應(yīng)取2mm，此時可以使泄漏量達(dá)到最低，而且將迷宮密封控制在一定的溫升范圍內(nèi)。 </p><p>　?。╝）Pmin vs R2（b）△T vs R2 </p><p>　　（c）Q vs R2 </p><p>　　Fig.3 P

24、min, △T , Q vs R2 </p><p>　　圖3. 最低壓力Pmin, 最高溫升△T及泄漏量Q隨小齒徑R2的變化 </p><p><b>　　3結(jié)論 </b></p><p>　　a. 新型法蘭迷宮式靜密封有很好的密封性能，迷宮密封可以逐級降低密封介質(zhì)的壓力，從而提高密封效果。密封圈的熱彈性變形可以使密封圈和法蘭端面之間更緊密的

25、貼合，防止密封介質(zhì)的泄漏。 </p><p>　　b. 大齒徑不宜取過大，以4mm為宜，既能保證較低的泄漏量又能保證較低的溫升。小齒徑應(yīng)取2mm，可以使泄漏量達(dá)到最低，并提高迷宮密封使用壽命。 </p><p><b>　　符號說明 </b></p><p>　　cv——流體的比熱； Ri, Ro——端面內(nèi)、外半徑，m； </p>

26、<p>　　E1, E2——彈性模量，GPa； Rm——端面雙錐度分界處半徑，m； </p><p>　　h——端面間任意點(diǎn)的膜厚，m； r——徑向坐標(biāo)； </p><p>　　hi——平均流體膜厚，m； T0——注入流體溫度，℃； </p><p>　　ki——熱傳導(dǎo)系數(shù)(i=1，2)，W/(m·K)； T——溫度； </p>

27、<p>　　p——膜壓，Pa； α——粘壓系數(shù)，m2/N； </p><p>　　pa——環(huán)境壓力，Pa； α1, α2——靜環(huán)端面的內(nèi)、外錐度，μrad； </p><p>　　pi——端面高壓側(cè)壓力，Pa； β——粘溫系數(shù)，1/K； </p><p>　　po——低壓側(cè)壓力，Pa； βf——熱膨脹系數(shù)，1/K； </p><p>

28、;　　Q——泄漏率，L/min； μ——流體膜粘度，Pa·s； </p><p>　　ν1,ν2——泊松比； ρ——流體密度，Kg/m3； </p><p><b>　　參考文獻(xiàn): </b></p><p>　　Peng X D, Liu W, Bai S X, et al. Effects of thermo-elastic def

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