提出一种斜线槽上游泵送机械密封,运用正交试验法设计上游泵送机械密封试验方案,基于Fluent软件进行数值模拟试验,分析各个试验参数对密封端面开启力和泄漏量的影响。结果表明在试验参数的取值范围内,对开启力有显著影响的因素是槽数、径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和压差,具体表现为开启力随着径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和进出口压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多呈下降趋势;对泄漏量有显著影响的因素是槽深、槽宽比、液膜厚度、转速和压差,具体表现为泄漏量槽宽比、液膜厚度、转速和进出口压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多而呈下降趋势。依据正交试验分析结果,提出初步优化的密封端面结构参数。

采用Pro/E软件建立斜线槽上游泵送机械密封流固耦合三维几何模型,在ANSYS Workbench中进行单向流固耦合计算,在不同工况条件下对SiC、WC、YWN8三种动环材料进行有限元对比分析,研究材料和工况参数对应力和变形的影响。结果表明:最大应力和最大变形均发生在斜线槽外径边缘,最大应力随转速的增加逐渐减小,转速对最大变形基本没有影响;压差对最大应力和最大变形影响较大,且均随压差呈线性增加的趋势;研究有3种材料中,YWN8最大变形最大,不适合做密封动环材料,而SiC的最大变形最小,且具有较强的耐磨性和耐腐蚀性,在其他条件都满足要求的前提下,推荐优先选用SiC为密封动环材料。

根据液体润滑理论建立了斜线槽液体润滑非接触式机械密封数值分析模型定义了斜线槽的主要几何结构参数采用有限元方法求解雷诺方程获得了端面液膜压力分布分析了斜线槽端面几何参数对端面开启力、泄漏量、液膜刚度等对密封性能参数的影响规律。结果表明斜线槽槽根半径不能取值过大或过小大约为58mm时能取得最优的密封性能;斜线槽液体润滑非接触式机械密封倾斜角α1不应该大于倾斜角α2否则密封性能会很大程度上削弱。